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1、高温等离子体微波诊断讲座丁玄同核工业西南物理研究院2007.8.13， 四川 成都2007年等离子体物理暑期讲习班高温等离子体微波诊断综述 _1M.A.Heald， C.B.Wharton “Plasma Diagnostics with Microwave”（1966）2项志遴，俞昌旋 “高温等离子体诊断”上海科技出版社 (1982)微波干涉 Ne电子回旋辐射 Te (r,t), Te ( r,t), e V 微波反射 微波扫频反射 Ne (r,t), Ne (r,t), D , V 微波相关反射 n ( , k) （k 20cm-1）第一课电子回旋辐射诊断技术及其应用2007年等离子体物理
2、暑期讲习班带电粒子在磁场中，由于受lorents力（qv x B）的作用而作螺旋运动。 作螺旋运动的电子在电子回旋共振层激发 在电子回旋频率的电磁波在高温等离子体中，电子回旋辐射如果满 足黑体辐射条件。它的发射强度和等离子 体电子温度成正比。在托卡马克中回旋辐射及高次谐波的频率 范围是：50-500GHz电子回旋辐射（ECE）基本原理黑体辐射条件等离子体的光学厚度由电子温度、密度及大半径决定。对于谐波数n1的电子回旋辐射，在垂直于磁场方向上传播，X模的光学厚度可以由下面的公式给出:式中 托卡马克上电子回旋辐射各次谐波光学厚度分布情况电子回旋辐射 截止和共振层的影响托卡马克典型参数下的主要共振层
3、和截置. Bt=B0R0/R、ne= n0(1-(r/a)2)ECE的X模二次谐波频率2避开了 等离子体中所有的共振层和截止 层。所以在满足上述条件下，电 子回旋辐射强度与局部电子温度 成正比，即，它是ECE测量的基 础。截止频率共振频率电子回旋辐射的频谱加宽机制： 1） 磁场加宽 2） 相对论加宽 3） 多勃勒加宽 4） 渡越时间加宽 5） 碰撞加宽 6） 等离子体色散效应加宽 7） 自吸收加宽电子回旋辐射基本原理F = e B (r) / m + v/ k/电子回旋辐射测量的主要方法扫频外差接收机 多道外差接收机 迈克尔逊干涉仪 法 彼干涉仪 电子回旋辐射成象扫频外差接收机用于电子温度测量
4、的2mm扫频外差接收机主要部件： 宽带微波扫频源（返波管 BWO） 2mm 混频器 宽带中频放大器（1.5-3 GHz） 极化器 接收天线 检波器 视频放大器空间分辨和测量灵敏度主要由中频放大器确定 时间分辨主要由扫频源确定扫频外差和多道外差接收机实物图宽带微波扫频源 （返波管BWO）2mm 混频器宽带中频放大器（1.5-3 GHz） 检波器 视频放大器多道外差接收机主要部件： 单边带宽带微波滤波器 2mm 1级混频器 宽带微波放大器（1。5 24 GHz） 16道功率分配器 16道2级混频器 16到中频放大器和视频放大器Amp 20.1 -24.2 Att 20.1 -24.1 Amp 20
5、.3 -24.3 Sw 20.1 -24.1 Bpf 20.1 -24.1 Bpf 20.2 -24.2 Sw 20.2 -24.2G 20.1- 24.1Det 20.1- 24.1 Amp 20.5- 24.5 Lpf 20.1- 24.1 Amp 20.3- 24.6 Amp 20.7- 24.7Power connector 15VMix 20.1- 24.1Rejecto r 20.1- 24.1Amp 20.1- 24.1多道外差接收机迈克尔逊干涉仪动镜定镜分光栅接收器液氦杜瓦InSb探测器迈克尔逊干涉仪的构造一个完整的迈克尔逊测量系统需由以下各部 分组成：1）干涉仪系统（机械部分
6、）由一个分光器和两块反射镜组成，其中一块反射 镜的位置固定，称为静镜，另一块反射镜位 置可平行移动，称为动镜。 ；2）探测器（ 包括液氦液氮冷却系统）；3）莫尔条纹测 距系统；4）计算机接口电路；5）迈克尔逊干涉仪调试、运行控制系统。 迈克尔干涉仪向计算机输进两个主要数据， 一个是干涉仪的干涉信号，另一个是动镜的 位移。前者是由一个锑化铟探测器接收到的 ，后者可用一个莫尔光栅条进行测量，亦可 用另一路He-Ne激光干涉仪来测距。迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪的基本原理在迈克尔逊干涉仪中, 当一束波通过分光器后，即分成强度相同的两束波，分别射 向动镜M1和静镜M2，反射后通过分束器由探测器接收。如
7、果入射波被分成两束强度为S 的波，而这路波的程差为，那么在探测器上可以得到这两束波的总强度为：I (y) =S ()1+cos ( 2y )/c其中为入射波频率，若在上式中用波数 k = 2 /c 代为, 得：I (y) = S () 1+cos (k y)如果入射波不是单色的，则得：I (y) = 这儿是当两路程差为零时的强度。 I (y)是一个偶函数，由付氏理论的余弦变换以上方程 可变换为：S(k) =这个式子就是付氏谱仪的基本关系。实际上不可能测到有无穷大 y 值的干涉谱，干涉仪的动镜总是在一个有限范围内移动的，设它的最大移动 幅度为ymax。可以得到一个实际条件下的近似的频谱：S(k)
8、 = 有限扫描幅度对于谱的频率分辨率有影响，一般可以认为： = 1/ y max仪器的频率分辨和其他参数，比如入射孔径、入射波长也有关。由（4）式可知，对辐射波的干涉信号进行付氏变换即可获得辐射频谱。但由于干涉信号是不规则的复杂的波形，所以这种变换必须用计算机来实现。迈克尔逊干涉仪液氦杜瓦 InSb探测器固定栅网聚焦镜波导波导振动机构振动栅网反射镜法布里 坡罗干涉仪是基于多波束干涉。 微波法布里 坡罗干涉仪由两块栅网组成。其中一块是固定栅网，另一块是可以动的栅网。波进入栅网后，在其间反复多 次反射。在固定栅网每反射一次，就有一部分波透过， 从而形成多束透射波的干涉信号。接收和信号分析原理 和迈
9、克尔逊干涉仪相同。法 彼干涉仪电子回旋辐射成象电子回旋辐射成像系统是当前最先进的等离子体诊断之一，该系统可 以分为四个大部件：准光学聚焦系统， 天线和混频器阵列， 反波管扫频微波源， 中频和视频放大系统。它的基本构造如下图所示。其中准光学聚焦系统由3个大型的聚焦透镜 组成可以将一条垂直弦上的各点的ECE辐射聚焦到天线阵列上，要求使用高密度聚乙烯材料进行加工。 电子回旋辐射成象 ECEIECE诊断可以通过测量ECE辐射的频谱分布来获得电子温度在大半径R方向上 的分布，但是在垂直方向上的电子温度分布却无法获得。所以ECER诊断是一个 一维的诊断。ECEI成像诊断通过使用垂直排列的肖特基二极管混频天
10、线接受阵 列和成像光学系统来实现了这一垂直方向上的分辨，实现了由一维诊断到二维诊 断的飞跃，并获得较高的空间分辨（约1cm)。通过改变本振频率或者托卡马克的 纵场就可以使取样点扫过等离子体的横截面，从而可以获得电子温度极其涨落的 一个二维分布。等离子体芯部的极向与径向波数及电子温度涨落的相关长度也都 可以通过恰当地安排成像系统平面的位置来获得。由于这些优点，ECEI诊断就 成为了电子温度涨落测量的一个理想的工具。电子回旋辐射成象电子回旋辐射成像系统基本构造天线和混频器阵列结构电子回旋辐射成象0.811.21.41.6336.6337.2337.8338.4Te(keV)Time (ms)电子回
11、旋辐射成像系统得到的时间变化（左图）和 二维的空间分布图（右图）在 TEXTR上的ECE I 2D ECE Imaging at TEXTOR High resolution electron temperature measurements128 channels (16 x 8) Spatial resolution (1 cm x 1 cm) Time resolution = 5 msec. Sampling matrix can be positioned at various locations in the plasma by changing LO frequencyV. Ud
12、intsev et al., Plasma Phys. Control. Fusion 47 (2005) 1111.各种方法的使用范围仪器扫频外差机多道外差机迈克尔逊干涉仪法 彼干涉仪时间分辨1 3 ms 8cm 8cm频率范围 180 GHz 180GHz60 600 GHz120-180 GHz接收器件肖特基二极管肖特基二极管InSbInSb性能扫频外差接收机 中等时间和空间分辨，中等频率范围。适用于中小装置稳态及大型装置局部的电子温度时空分布测量。 多道外差接收机 高时间分辨和空间分辨， 中等频率范围。适用于电子温度扰动时空分布测量，比如温度锯齿，MHD振荡，热脉冲传播等。也适用于局部
13、电子温度时空分布测量，比如ITB。 迈克尔逊干涉仪 较低的时间和空间分辨， 宽的频率范围。适用于大型装置稳态的电子温度时空分布测量。ECE高次波谱分析 法 彼干涉仪 较低的时间和空间分辨。适用于大型装置稳态的电子温度局部时空分布测量 电子回旋辐射成象 高的时间分辨 ， 二维温度测量适用于二维温度时空分布测量，电子温度扰动时空分布测量，比如温度锯齿，MHD振荡，热脉冲传播等各种方法的使用范围温度测量的绝对和相对标定 由于ECE系统本振源在不同输出频率下有不同的输出功率，且系 统对在不同频率下的辐射强度增益也是不相同的，所以必须对系统进行 标定。标定实验主要包括频幅特性校准（双温度法）、频率校准和
14、传输 系统衰减特性测量等。双温度标定法 ECE系统测量的温度可利用微波噪声管作为标准管进行绝对的标 定，但这样的绝对标定一般是比较困难的。因此，一般是利用该测量来 测定的相对分布随时间的变化，而其温度绝对值则是通过与汤姆逊散射 或软X射线辐射能谱等诊断测量的绝对温度相比较而获得的。Ih = Sh + n IL = SL + nIh IL = Sh SL ShECE 在物理实验中的应用电子温度及时空分布测量 电子热输运研究 磁流体不稳定性研究 高能电子物理研究HL-1MHL-2A电子温度及时空分布测量 电子温度剖面不变性电子温度及时空分布测量 内部运输垒电子内部运输垒的形成的原因是由于某种对反常
15、运输起主要作用的不稳 定性被抑制，从而使电子（离子）温度梯度增大。对内部运输垒的研究也是 在未来实验反应堆中的一个重要课题。在未来实验反应堆中，不再需要输入 很大的加热和电流驱动功率，因此，研究内部运输垒的形成机制，尽可能地 减少产生内部运输垒ITB的功率域值及实时控制产生内部运输垒的条件都是 非常重要的。2003年来，这方面开展的主要研究有：稳态ITB的形成条件 ITB的实时控制：控制值（靴带电流份额），边界条件（杂质控制）， 温度分布 （加热功率分布） 高三角变形对ITB的影响 反剪切条件下ITB的形成1Statistical analysis of interal transport b
16、arriers” P.Maget, et.al Plasma Physics & Control. Fusion 45 (2003) 1385 2”On the link between q- profile and ITBs” Yu. F. Baranov , et.al privet report (2003) 3”Effect of q profile modification by LHCD on ITB in JET” C.D. Challis, et.al Plasma Physics & Control. Fusion 43 (2001) 861 4”Electron heated ITB in JET” G.M.D.Hogowij, et.al Plas
