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 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文 ,是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： _ 签字日期： _ 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定
2、向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入 中国学位论文全文数据库等 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 公开 保密（ _年） 作者签名： _ 导师签名： _ 签字日期： _ 签字日期： _ 摘 要 I 摘 要 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
3、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
4、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 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
5、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 450 s 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。 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
6、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 Abstract II ABSTRACT This paper mainly introduces the hardware improvement of Electron Cyclotron Emission Imaging(ECEI), which includes two parts. On the one hand, we optimize the set of ECEI shielding and im
7、prove 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 distribution of the plasma devices surrounding.
8、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 improved by using the absorbing material and new shieldi
9、ng 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 is higher than 2 megawatts. Besides the optimizati
10、on 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 supply. The main part of remote control system is
11、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 serial signal to the conversion circuits, which tra
12、nsform 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 parallel signal need to be converted. The circuits use the zener diodes and the 74HC04 chips realize the voltage convert. The attenuator re
13、mote 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 distribution of radio frequency radiation in the surroundi
14、ng 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 目 录 III 目 录 第一章 绪论 . 1 1.1 背景介绍 . 1 1.2 ECEI微波成像诊断介绍 . 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
15、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
16、. 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 目 录 III 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 5.1 工作总结 . 79 5.2 工作展望 . 80 参考文献 . 81 附录 1 Arduino UNO 单
17、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 第 1 章 绪 论 1 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。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。
18、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
19、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 Superco
20、nducting 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 第 1 章 绪 论 2 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
21、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 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
22、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 调第 1 章 绪 论 3
23、 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 1.8-2.6 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
24、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
25、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第 1 章 绪 论 4 起的噪声。
26、 高通滤波器的 作用主要有两方面，一个是实现单边带混频测量，另外一个是配合光学系统实现测量位置的调节。要实现超外差混频测量必须实现本振只和本振频率高的信号进行混频，因此选择高通滤波板对来自托卡马克的辐射信号进行滤波；同时电子回旋辐射的频率与托卡马克的纵场强度和观测位置都有关，因此在实验过程中需要光路的调焦系统和滤波板同时配合， 实现测量位置的调节。在经过滤波后毫米波信号经椭球透镜聚焦被天线接收，并在天线上的混频二极管上与来自另外一个方向的本振信号进行混频，最后经 30dB 放大器放大后由射频线缆传输到中频电子学。 中频电子学 由 两部分组成 中频模块和供电电源，中频模块的作用是对来自天线的信号
27、进行进一步的处理，主要有放大、衰减、功分、滤波、混频、检波和放大 等处理单元 。 中频模块分为高频和低频两部分，将来自天线的一道信号分为 16 道，每 8 道是一个高频模块（ 9-17GHz）和低频模块（ 2-9GHz）。在每个模块中先对信号进行放大和衰减调节信号的幅度在合适范围内，之后经过Wilkenson 功分器和滤波器件将一道极向信号分为 8 道信号到达混频器，同时在电路上有不同频率的的 压控振荡器（ VCO, Voltage-controlled oscillator）经传输线到达混频器后与功分后的信号混频。低频模块的 VCO 有两种选择，一种是900MHz 的频率间隔，由 2.5GHz 到 8.8GHz；另外一种是 600MHz,从 3.4GHz 到7.6GHz。高频模块的 VCO 频率间隔不可调为 900MHz，从 9.7GHz 到 16GHz。混频之后的信号到大模块内另外一块电路实现检波和放大，最后经过视频滤波再输出。视频滤波是通过两个低通滤波器组合来实现的，一个为固定频率低通滤波器，另一个是可调低通滤波器，调节信号为供电电源提供的方波信号。通过组合调节滤波器的带宽，可以实现视频带宽在 50/100/200/400 之间切换 1。
