高时空分辨电子回旋辐射成像诊断技术的研究

摘要

本论文主要研究了具有高时空分辨特性以及二维大尺度直接测量优势的电子回旋辐射成像(ECEI)诊断的技术实现及其在国际上数个中型托卡马克装置上的应用。工作重点是集成国际上最新的微波诊断技术成果，在东方超环(EAST)装置上设计集成可调变焦前端耦合光路以及新型宽带电子学系统的新一代384道ECEI诊断系统，并实现对该装置内电子温度的大尺度、高精度和高时间分辨的实时二维测量。
　　射电天文学领域中已较为成熟的毫米波天线混频阵列以及准光学技术应用于微波等离子体诊断后即成为ECEI诊断系统的雏形，其中准光学技术的应用在保证成像的灵活性以及毫米波波段的宽带处理能力的同时大大降低了建造难度和成本，。上世纪末基于微带和印刷电路技术以及二次下混频思路的宽带电子学系统的集成则进一步将ECEI诊断拓展为实时二维测量。标准多通道高速同步数据采集系统的应用该系统其与MDSplus服务器的高速通信能力则在提升系统最大时间分辨率的同时降低了国际交流合作的门槛。本文重点讨论EAST装置上新一代384道ECEI系统的研制，该系统集成了近年来微波诊断技术的最新结果。具体从准光学耦合，宽带电子学以及多通道高速同步数据采集这三个子系统的角度展开讨论。
　　EAST装置上的384道ECEI系统中电子学部分中预期将同时输出的384路、最高400kHz带宽的模拟电压信号，为了实现对384道视频信号的实时高速数据采集和处理，研制了一套384道高速数据采集子系统。采集系统硬件方面首先通过12块定制的具备高共模抑制比的高速数模转换器模块以及大容量板载存储的的采集卡实现了384通道的高速连续数据数据采集，接着通过多道高精度触发和时钟信号分路器解决了全部384通道的时序同步难题，配套光隔后可直接接入EAST装置的外触发和时钟信号;另外高速传输内网的搭建使得每次放电后至少高达7.6GB的总数据量仅需半分钟即可传输到数据服务器。同时软件方面通过对基本命令的脚本集成实现了多种采集模式的快速切换以及全自动无人值守采集，其中多种远程监控方式以及异常处理能力也充分保证了系统的稳定度和连续工作能力。最后该套384道高速数据采集子系统成功用于EAST装置上的384道ECEI系统中，满足了EAST装置上常规10s放电以及30s长脉冲放电的采集需求，并取得了多种放电参数下具有高采样深度，高采样率，且时序同步的384道数据。
　　为实现二维温度测量中径向的大尺度连续覆盖，为EAST装置上的384道ECEI系统开发了一套新型宽带中频电子学子系统，其带宽是国际上其他ECEI系统的2倍以上，对应托卡马克小截面上超过两倍的径向覆盖范围;另外其视频带宽可达400kHz，能够分辨快离子引发的一些高频模式。该套新型宽带中频电子学子系统已于2011年年底完成了测试，并作为EAST装置上384道ECEI系统的关键组成部分成功应用于2012年EAST装置的物理实验中，其中高带宽带来的径向大范围连续采样能力为大尺度现象的研究提供了平台。
　　本文最后重点讨论在超导托卡马克装置的毫米波成像诊断中准光学技术的应用。具体为EAST装置上的384道ECEI系统设计了一套可调变焦的毫米波准光学成像子系统。光路设计中克服了真空窗口到等离子体区达2m以上的长距离带来一系列问题，仍实现了垂直方向达1.1cm的最小空间分辨率;同时还集成了远程可控的调变焦特性:光路在托卡马克等离子体端的焦平面在具备达80cm的大尺度径向调节能力，且变焦后垂直方向覆盖能力最大达80cm。经过多次平台实验的检验后，该套成像光路已经应用于2012年的EAST装置的物理实验中，实验中光路可以分辨磁流体动力学模式演化的空间精细结构，且焦平面可跟随EAST装置上各种纵场配置情况下取样区的变化，另外垂直方向覆盖范围也可满足空间大尺度物理对象的研究需求。
　　新一代384道ECEI系统搭建完成后成功应用于EAST装置并得到了初步的成像结果，应用中各子系统的优势得到了对应体现，也为在未来EAST更高参数运行以及更复杂辅助加热及诊断布局的情况下ECEI系统的运行提供了经验。

目录

声明

摘要

第一章 序言

1．1 能源问题和受控聚变

1．2 托卡马克装置应用于磁约束聚变研究

1．3 本论文主要内容提要

第二章 电子回旋辐射诊断和电子回旋辐射成像诊断

2．1 电子回旋辐射诊断

2．1．1 从单电子回旋辐射谱到温度诊断

2．1．2 聚变领域ECE诊断的早期理论和实验工作

2．1．3 ECE诊断的硬件发展和技术进步

2．1．4 ECE诊断和汤姆逊散射得到的温度之间的分歧

2．1．5 ECE诊断的近期发展

2．2 电子回旋辐射成像诊断

2．2．1 ECEI系统的硬件组成

2．2．2 ECEI系统应用中的关键技术发展

2．2．3 国际各大装置上的ECEI系统的准光学设计格局

第三章 384道高速数据采集子系统的研制

3．1 高性能数据采集系统的设计需求

3．1．1 对采集时序同步的要求

3．1．2 数字采样的参数需求

3．1．3 传输线、差分输入、共模抑制比的参数需求

3．1．4 数据传输和存储方面的需求

3．2 384道高性能数据采集系统的硬件配置

3．2．1 高性能数据采集系统的硬件单元

3．2．2 时序同步相关组件

3．2．3 数据传输网络及存储相关组件

3．3 384道高性能采集系统的实现机制及应用

3．3．1 单张采集卡的工作模式及基本应用

3．3．2 384道时钟和触发同步

3．3．3 384道高速同步数据采集系统的命令脚本配置

3．3．4 384道高速同步数据采集系统的其他特性

3．3．5 384道高速同步数据采集系统在EAST装置上的应用

第四章 新型宽带中频电子学子系统的开发

4．1 ECEI系统中频电子学技术的发展

4．1．1 TEXT-U装置上ECEI系统采用的直接检波方案

4．1．2 TEXTOR装置上的ECEI宽带中频电子学

4．1．3 TEXTOR装置上的第二代ECEI宽带中频电子学

4．1．4 DⅢ-D装置上的第三代ECEI宽带中频电子学

4．2 EAST装置上的384道ECEI系统的电子学设计

4．2．1 中频带宽拓展方案

4．3 新型宽带电子学的性能测试

4．3．1 ECEI系统电子学测试的一般方法

4．3．2 DⅢ-D装置上ECEI系统的电子学测试

4．3．3 EAST装置上384道ECEI系统的电子学测试

第五章 可调变焦准光学成像技术在EAST装置上的应用

5．1 384道ECEI系统成像准光学的设计思路

5．1．1 ECEI系统成像准光学设计的第一步

5．1．2 EAST装置上384道ECEI系统成像光学的设计流程

5．2 EAST装置上384道ECEI系统的窗口需求

5．2．1 ABCD传输矩阵方法

5．2．2 不同面上的束半径和总阵列高度的比值

5．2．3 ECEI系统光阑面参数的选取

5．2．4 EAST装置上384道ECEI系统的窗口需求

5．3 EAST装置上384道ECEI系统的前端光路设计

5．3．1 径向焦平面调节特性的设计实现

5．3．2 垂直方向变焦特性的设计实现

5．3．3 H-Plane上聚焦和准直的设计实现

5．4 EAST装置上384道ECEI系统的本振光路设计

5．4．1 本振光路设计的出发点

5．4．2 本振光路的具体设计方案

5．5 EAST装置上384道ECEI系统光路设计的性能分析

5．5．1 射线追迹分析

5．5．2 高斯束追迹分析

5．5．3 衍射束传输分析

5．6 成像准光学子系统的搭建和测试

5．6．1 光路平台测试实验组件

5．6．2 光路平台测试实验布局及结果

5．7 成像准光学子系统的应用

5．7．1 窗口和诊断平台布局

5．7．2 利用大口径成像数据获得锯齿反转面位置

5．7．3 锯齿前兆振荡空间结构演化的研究

5．7．4 利用二维温度变化率判断ICRF功率沉积位置

第六章 总结和展望

6．1 微波成像诊断相关工作总结

6．1．1 数据采集子系统的相关工作总结

6．1．2 宽带电子学子系统的相关工作总结

6．1．3 成像光学子系统的相关工作总结

6．2 微波成像诊断的未来工作

6．2．1 EAST装置上384道ECEI系统的可能系统升级方案

6．2．2 J-TEXT装置上的3D-ECEI系统

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

个人简历