1、 中国科学技术大学 硕士学位论文 电子回旋辐射成像诊断 的远程信号调理系统 作者姓名 学科专业 等离子体物理 导师姓名 完成时间 University of Science and Technology of China A dissertation for masters degree The Signal Regulation System of Electron Cyclotron Emission Imaging Diagnostic Authors Name: Speciality: Plasma Physics Supervisor: Finished time: 摘 要 摘 要
2、本论文主要阐述了 EAST 上电子回旋辐射成像诊断（ Electron Cyclotron Emission Imaging， ECEI）的硬件系统升级与优化工作，包括 ECEI 系统的屏蔽 优化以及信号远程调理系统的研制，除此之外还尝 试了高速宽频电磁谱仪的研制。 随着 EAST 全超导托卡马克运行参数的不断提高，实验大厅内电磁辐射以及有害射线等问题越来越突出，这对 ECEI 系统的运行提出了更高的要求。一方面电磁辐射强度的增加尤其是低杂波电流驱动辅助加热功率的提升，对 ECEI 系统的屏蔽提出了更高的要求；另一方面大厅进入条件的限制使得 ECEI 系统有必要发展远程控制，提高系统信号的信噪
3、比以及工作效率，针对这两个要求在论文工作期间对于 ECEI 系统硬件进行了升级和优化，主要包括两部分内容。第一部分，对于高功率低杂波加热对 ECEI 系统造成干扰的问题，以原有屏蔽系统为基础进一步确认了干扰来源以及干扰途径，并针对特定的干扰源和干扰途径进一步加强了屏蔽措施，如使用吸波材料等，提高了 ECEI 系统的屏蔽效能。目前在 2.45GHz 和 4.6GHz 低杂波加热功率为 2MW 的情况下， ECEI 系统仍然能获得良好的数据。同时屏蔽系统的优化还进一步提高了屏蔽层的稳定性和快速可恢复性，保证了 ECEI 在 EAST 上长期实验的稳定并提高了工作效率。第二部分，在论文工作期间针对
4、ECEI 系统硬件控制进行了升级，完成了手动控制到远程控制的改 造工作，实现了 ECEI 系统供电的远程开关控制与监测、毫米波本振源的远程调节和 ECEI 信号远程调理等远程控制功能。系统供电和本振源的远程控制提高了 ECEI 系统的工作效率，无需进入实验大厅即可完成系统的开关机和本振源的调节。 ECEI 信号远程调理系统使得在 EAST 放电条件发生变化时，电子学系统的输出信号依然在采集卡的量程范围内，充分利用了采集系统的动态范围，提高了 ECEI 系统采集到数据的有效性。信号远程调理系统在 450s 的时间内即可对所有电子学模块输出完成一次衰减调节，对 ECEI 系统的工作效率有很大的提升
5、。 在论文工作期间还尝试研制了快速宽频电磁谱仪诊断，该诊断可以实时监测等离子体中由于各种快物理过程，如磁重联或者快速 MHD 不稳定性等引起的电磁辐射，通过装置周围环境的电磁频谱可以间接地分析等离子体内的物理过程演化。 关键词 ：电子回旋辐射成像 电磁屏蔽 信号调理 电磁辐射频谱 I Abstract ABSTRACT This paper mainly introduces the hardware improvement of Electron C yclotron Emission Imaging(ECEI), which includes two parts. On the one h
6、and, we optimize the set of ECEI shielding and improve the shielding effectiveness. On the other hand, we have designed the remote control system which regulate the radio frequency input attenuator remotely. Besides, we developed a kind of radio frequency spectrometer, which can detect the frequency
7、 distribution of the plasma devices surrounding. The shielding box protect the ECEI system from the electromagnetic interference of Lower Hybrid Current Drive(LHCD). Through the experiment on EAST, we have affirmed the LHCD interference come from the EAST port. The shielding effectiveness is improve
8、d by using the absorbing material and new shielding box. The absorbing material is fixed on the surface of shielding box, which can reduce the ECEI system ambient noise level. The shielding optimization improves the signal to noise ratio and the ECEI can work normally even the LHCD injection power i
9、s higher than 2 megawatts. Besides the optimization of shielding, we also design the remote control system for ECEI. The remote control system includes three parts, RF attenuator remote control system, the control software design of microwave oscillator and the remote control of ECEI systems power s
10、upply. The main part of remote control system is the attenuator remote control system, which insures the availability of ECEI system output signal. The remote regulation system of attenuator uses the Arduino single chip microcomputer incept the control signal from computer software and output the se
11、rial signal to the conversion circuits, which transform the serial signal to parallel signal. Because the attenuators power supply voltage and control voltage is 0 or -5 and the parallel signal is +5 or 0, the paralle l signal need to be converted. The circuits use the zener diodes and the 74HC04 ch
12、ips realize the voltage convert. The attenuator remote regulation system help the ECEI system acquire more valid data on EAST and the remote control system is more effective than manual control. At last this paper introduce a kind of RF spectrometer. This diagnostic can detect the level and distribu
13、tion of radio frequency radiation in the surrounding of plasma device, which is caused by the magnetic reconnection or other physical process. Key worlds: Electron Cyclotron Emission Imaging, ECEI shielding, signal optimization, fast RF spectrometer II 目 录 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 背景介绍 . 1 1.2 ECEI 微波成像诊断
14、介绍 . . 2 1.3 本论文研究内容与意义 . 5 第二章 ECEI 系统屏蔽优化 . 7 2.1 电磁兼容与屏蔽技术 . 7 2.2 原有屏蔽层介绍 . 8 2.2.1 屏蔽的设置和结果 . 8 2.2.2 屏蔽存在的缺陷 . 12 2.3 优化方案以及实验验证 . 13 2.3.1 提高屏蔽效能 . 13 2.3.2 提高系统稳定性和可恢复性 . 23 2.4 屏蔽的下一步计划 . 25 2.5 ECEI 屏蔽总结 . 26 第三章 ECEI 远程控制系统 . 29 3.1 ECEI 系统在 EAST 实验面临的问题 . 29 3.1.1 实验大厅的限制 . 29 3.1.2 现有手动
15、控制 . 30 3.2 ECEI 本振源和系统供电的远程控制 . 31 3.3 电子学模块远程信号调理系统 . 35 3.3.1 电子学模块原理简介 . 35 3.3.2 衰减调节的原理 . 37 3.3.3 远程信号调理系统设计 . 40 3.3.4 远程信号调理系统的集成和测试 . 57 3.4 远程控制系统总结 . 63 第四章 高速宽频电磁谱仪 . 65 III 目 录 4.1 背景介绍 . 65 4.2 系统结构以及实现方式 . 67 4.2.1 碟形天线仿真 . 67 4.2.2 射频电路的设计 . 69 4.3 高速宽频电磁谱仪总结 . . 77 第五章 总结与展望 . 79 5
16、.1 工作总结 . 79 5.2 工作展望 . 80 参考文献 . 81 附录 1 Arduino UNO 单片机程序设计 . 83 附录 2 在上位机实现数字合并运算时 Arduino 的程序 . 88 附录 3 衰减远程控制程序上位机程序 . 90 附录 4 BWO 源的 LabVIEW 控制程序详细结构图 . 91 致 谢 . 95 在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 . 97 III 第 1 章 绪 论 第一章 绪论 1.1 背景介绍 聚变反应是使用氢或者其同位素氘或者氚为原料发生的一种物理反应，其反应过程是两个原子核通过外界的触发融合在一起，形成一个氦原子同时释放中子的过程。
17、在聚变反应的过程中会向外辐射大量的能量，理论上氘和氚发生的聚变 反应会释放 17.6MeV 的能量，而 1 千克的该种燃料发生的反应会释放 108kWh 的能量 1。氘氚聚变反应的方程如下所示 D + T 4 + + 17.6 在宇宙中聚变反应是普遍存在的，在地球上核聚变的原料也很丰富，比如氘元素在海水中储量丰富，而氚元素虽然具有放射性寿命较短自然界中几乎不存在但是氚可用中子和锂原子反应获得，锂在地球上的储量也十分巨大，所以说聚变能是取之不尽的能源。同时在聚变反应过程中只产生了氦和能量，氦元素无毒无放射性并可广泛用于工业以及科学实验中，所以聚变反应相对于裂变反应堆是十 分安全清洁的 1。 由于
18、能量较低的情况下，因为反应截面很小热核 聚变反应很难发生，所以理论上必须先将聚变的燃料加热到很高的温度增大反应界面即反应的概率。目前世界上正在进行的受控核聚变反应实验主要分为两类，一类是磁约束聚变反应，该类型的实验通过特定的磁场位型和一些加热将燃料使加入的燃料变为高温等离子体，由于特定的磁场约束使等离子体在很小的范围内温度以及密度较高，以此来实现增大反应截面维持反应进行；另一类聚变反应装置是激光聚变反应，该反应方式是使用高能量密度的激光器从各特定方向轰击燃料靶丸使靶丸吸收能量后由向心聚爆效应迅速压缩增加内部燃料的温度密度，当激光的脉冲能量合适时， 核心区域将会发生聚变反应。目前这两种聚变实现方
19、式在世界范围内均在不断发 展之中，国内目前也有许多装置在运行中其中磁约束聚变装置有 EAST （ Experiment Advanced Superconducting Tolamak）全超导托卡马克、 HL-2A 托卡马克、 J-TEXT 托卡马克以及中国科学技术大学的 KTX(Keda Torus eXperiment) 反场箍缩磁约束聚变试验装置。而惯性约束聚变装置有神光 I 和神光 II 实验装置。下图是位于中科院等离子体物理研究所的 EAST 实验装置俯视 图 1 第 1 章 绪 论 图 1.1 等离子体物理研究所 EAST 全超导托卡马克 随着大型聚变实验装置的发展，人类正在向聚变
20、的成功不断探索者前进。在装置发展的同时与高温等离子体相关的技术也在不断的进步，无论是材料科学 、诊断技术还是低温技术都在取得长足的进步，其中诊断技术是等离子体科学必不可少的部分，等离子体装置的诊断方法从最早的探针到现在已经发展为数百种多种多样的诊断。等离子体诊断可以分为主动诊断和被动诊断，其中主动诊断是先主动发射信号 到等离子体中，然后收集与等离子体发生作用的返回信号，通过分析收集到的数据来分析等离子体的参数或者变化过程；而被动诊断是通过接收器接收来自等等离子体的信号对收集到的信号进行分析。主动诊断代表性的有微波 反射仪、激光干涉仪和汤姆孙散射仪等，而被动诊断有电子回旋辐射成像（ ECEI）和
21、光谱仪等诊断方式。而其中的被动诊断方式 电子回旋辐射成像，是电子温度涨落诊断的重要手段。 1.2 ECEI 微波成像诊断介绍 对聚变的研究离不开高温等离子体内部状态的诊断和实验，而电子回旋辐射 成像作为被动毫米波成像技术 被广泛用于托卡马克电子温度诊断。在 EAST 全超导托卡马克上的 ECEI 诊断于 2012 年春季首次成功运行，至今已运行将近五年，下面简要介绍该 ECEI 系统的基本组成结构。 EAST 上的电子回旋辐射成像系统主要包括两部分，前端光学系统和电子学系统 2-7。其中前段光学系统的作用类似于照相机的镜头，主要功能是收集来自于托卡马克的电子回旋辐射并实现点对点的成像，将托卡马
22、克内部的对应位置成 像在接收天线上。目前 ECEI 的光学系统有两部分的可调功能，一个是 Zoom 调 2 第 1 章 绪 论 节，即调节成像范围的大小改变纵向高度；另外一个功能是焦距调节功能实现成像位置的调节，同时这两种功能的调节是解耦的即互不干涉 2-8。光学系统的透 镜选择了适用于 90-140G 波段微波的高密度聚乙烯 (HDPE, High Density Polyethlene)作为材料制作透镜，完整的光学系统总长度为 3.8 米，极向分辨率为 1 厘米，径向分辨率为 3 厘米，光路的通光孔径就是托卡马克的窗口孔径，在极 向的成像范围最大是 70.5 厘米，焦距可调范围是 1.8-
23、2.6 米，可 实现由低场侧边 界调到高场侧 1。 图 1.2 电子回旋辐射系统成像光路 前端光路将微波辐射点对点地成像在接收天线上，接收天线也是电子学的一 部分。电子学系统的作用就相当于相机的 CCD 以及其他电子器件， ECEI 的电子学系统包括三部分 接收天线、中频电子学和采集系统。 接收天线是整个 ECEI 系统的核心部分，其功能只要是实现信号的接收和放大。天线工作频段为 F 波段（ 90-140GHz），这是 EAST 托卡马克内等离子体电子回旋辐射的频率范围 ,根 据成像范围的不同接收到的信号频率也不同。探测器 的检测功率是 -90dBm，基本为纳瓦量级的毫米波辐射检测，同时由于高
24、频信号的传输和处理采集难度较大，所以 ECEI 系统的天线采用了单边带超外差混频的方式对接收到的低功率毫米波信号进行降频，降频后的信号频率为 2-18GHz1。 天线的组成部分毫米波频率选择表面、分束片、椭球介质透镜、天线阵列和供电系统等 1。光学系统的是点对点成像在天线上，在极向共 24 道，通过光学系统成像到天线的毫米波信号首先通过频率选择表面，频率选择表面主要有两部 分 陷 波滤波器（ Notch Filter）和高通滤波版（ Dichroic Plate），陷波滤波器的作用是衰减 EAST 上的电子回旋共振加热（ ECRH, Electron-cyclotron-resonance heating）发射的 140GHz 毫米波，防止该辅助加热对系统造成损坏并减小可能引 3
