托卡马克上毫米波成像诊断的发展

摘要

毫米波成像诊断弥补了传统一维诊断极向无分辨能力的不足，对研究托卡马克内部高温等离子体不稳定性二维结构发展非常重要。针对托卡马克内部不稳定性产生演化过程中电子温度和密度二维成像诊断的需要，分别研制了电子回旋辐射成像和微波成像反射计两种毫米波成像诊断系统。研制过程中，设计试制了毫米波成像光学、微带线电子学模块及海量数据采集系统等主要模块，完成了独立的平台实验和托卡马克环境中的组合联调，验证了其可行性。毫米波大孔径成像光学利用具有新型FCA光学结构的成像光学系统实现了空间内传输重叠的毫米波在探测阵列上的聚焦成像。经过修正场曲的毫米波成像光学被应用到像面平整的电子回旋辐射成像系统和像面弯曲的微波成像反射计系统，均达到具有厘米级高空间分辨能力的测量能力。微带线电子学模块使用功分混频的方法实现宽频带信号的分频测量，并对每个独立的窄频带信号进行实时处理。电子回旋辐射成像系统采用降频检波的方式，解调对应电子温度涨落的幅度调制信号;微波成像反射计系统采用分频鉴相的方式，解调对应电子密度涨落的频率调制信号。两种微带线电子学系统均实现对毫米波信号调制域的微秒级高时间分辨率分量。海量数据采集系统使用高速捕获和读取模块，实现2GB/s量级的高速数据流高速稳定的传输与存储。拥有以上三项先进技术的电子回旋辐射成像和微波成像反射计系统，被应用于解调高时空分辨毫米波载波信号，进而获得磁约束等离子体内的电子温度和密度涨落的二维空间分布及演化过程。

目录

声明

摘要

第一章 毫米波成像技术简介

1．1 磁约束等离子体诊断

1．2 毫米波成像诊断的重要性

1．3 现有毫米波相关技术应用

第二章 EAST装置上毫米波成像诊断系统

2．1 电子回旋辐射成像诊断

2．1．1 回旋辐射诊断原理要点

2．1．2 电子回旋辐射成像诊断系统搭建

2．2 微波成像反射计

2．2．1 微波成像反射计诊断原理

2．2．2 微波成像反射计的设计与搭建

2．3 本章小结

第三章 毫米波成像光学设计

3．1 光学结构

3．1．1 focus透镜结构

3．1．2 zoom透镜结构

3．1．3 FCA透镜结构

3．1．4 incident angle调节结构

3．2 设计目标与评价函数

3．2．1 初等评估函数

3．2．2 高等评估函数

3．2．3 多功能解耦

3．2．4 鲁棒性分析

3．3 本章小结

第四章 应用新型FCA结构的光学系统

4．1 应用于DIII-D托卡马克毫米波成像诊断装置光学系统评述

4．1．1．电子回旋辐射成像ECEI光路设计评估及升级方案

4．1．2．微波成像反射计MIR光路设计评估及升级方案

4．2 应用于HL-2A的电子回旋辐射成像光学系统评估

4．2．1．使用双曲面透镜Hyperbolic lens方案

4．2．2．弯月形FCA透镜组方案

4．3 应用于NSTX-U的微波成像反射计MIR光学系统评估

4．4 应用于J-TEXT的电子回旋辐射成像ECEI光学系统评估

4．4．1．介质透镜天线阵列成像系统

4．4．2．minilens天线阵列成像系统

4．5 应用于EAST的微波成像反射计MIR光学系统评估

4．6 本章小结

第五章 毫米波频率选择性表面

5．1 高通滤波板Dichroic plate

5．2 分束片Beam Splitter

5．3 陷波滤波器Notch Filter

5．4 本章小结

第六章 微带电路集成设计

6．1 应用于ECEI微带线电路

6．2 应用于MIR微带线电路

6．3 本章小结

第七章 海量数据采集系统

7．1 系统的基本部件及参数

7．2 系统搭建及优化设计

7．3 系统故障排查手册

7．4 脚本附录

7．5 本章小结

第八章 总结与展望

参考文献

致谢