J-TEXT上相关电子回旋辐射测量仪的研制

摘要

反常输运是影响等离子体约束性能的一个关键因素，一般认为反常输运是由于湍流引起的，具体表现为等离子体的各种涨落现象，如电场涨落、磁场涨落、密度涨落、温度涨落以及它们之间的相互关系。这些涨落信息的测量对于反常输运的研究至关重要。在过去的25年里，各大聚变装置都致力于研制相关电子回旋辐射测量仪(CECE)测量这种低幅值、高频率的温度涨落现象。为了研究反常输运，J-TEXT也致力于研究温度涨落的特性。
　　本文将介绍J-TEXT上相关电子回旋辐射测量仪(CECE)的研制。CECE的测量原理是基于热噪声与温度涨落的区别，热噪声是白噪声，其相关长度为0，而温度涨落的相关长度在1cm左右，CECE采用相关分析的方式，选取两道频率上相隔很近但不重叠的信号，对其进行互相关分析，去除热噪声，提取出真实的温度涨落信号。
　　本文介绍了CECE的系统设计与搭建过程。J-TEXT上的CECE与电子回旋辐射测量仪(ECE)共用了光路传输系统和RF，辐射信号进入CECE时首先经过一个低噪声的功率放大器，经过放大之后的辐射信号经过一个四路功分器分为四路相同的信号，分别经过窄带滤波器，四道信号中两道的窄带滤波器为定频窄带滤波器，中心频率分别为8GHz和8.2GHz，其3dB带宽均为100MHz，另外两道的窄带滤波器为YIG滤波器，它具有电压可调的中心频率，其可调范围为6-18GHz，3dB带宽在100-230MHz之间，YIG滤波器的控制是依靠一个控制器电路。经过滤波之后的信号再经过检波、放大和2MHz采集，进而变成数字信号用以数据处理。根据计算分析CECE的极向分辨率为kθ≤1.5rad/cm，径向分辨率为kr≤12rad/cm。
　　本文介绍了CECE系统搭建完成之后进行的初步实验。我们对比了CECE与ECE测得的温度信号，发现两者测量结果十分吻合，由此证明CECE可以正常的测试温度信号。同时我们利用一个2-18GHz的热噪声源作为CECE的输入，选取两个包含YIG滤波器的通道，改变两个YIG滤波器的中心频率，计算两道信号之间的相关系数，实验证明，当两道信号的中心频率间隔大于200MHz时相关系数极低，由此证明CECE进行互相关分析去除热噪声影响的可行性。最后我们测试了温度涨落信号的相关函数和互谱密度，发现在等离子体没有产生的时候，相关函数和互谱密度显示辐射测试噪声为热噪声；而等离子体产生之后，相关函数和互谱密度均具有较大值，证明确实存在高频率的温度涨落信号。

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1 绪论

1.1 受控热核聚变与托卡马克

1.2 湍流输运

1.3 CECE的结构与分类

1.4 CECE在TEXT-U上的发展

1.5 CECE在Alcator C-mod上的发展

1.6 CECE在DIII-D上的发展

1.7 本文的主要工作及章节安排

2 CECE的原理

2.1 ECE的原理

2.2 ECE在J-TEXT上的建立

2.3 ECE的噪声研究

2.4 CECE的原理

2.5 本章小结

3 CECE的设计与搭建

3.1 系统设计与搭建

3.2 YIG滤波器的控制及测试

3.3 视频放大器设计

3.4 采集系统建立

3.5 极向分辨率分析

3.6 径向分辨率分析

3.7 温度分辨率分析

3.8 本章小结

4 CECE在J-TEXT上的初步实验

4.1 热噪声的相关性测试

4.2 温度测试

4.3 温度涨落相关系数测试

4.4 温度涨落相关函数分析

4.5 温度涨落互谱密度分析

4.6 本章小结

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 今后工作的展望

致谢

参考文献

附录1 视频放大电路仿真电路图

附录2 视频放大电路仿真结果

附录3 攻读硕士学位期间发表学术论文目录

附录4 攻读硕士学位期间参与的科研项目