（物理电子学专业论文）lhcd微波反馈控制的相位计算与读出系统研究.pdf

摘要 摘要 低杂波电流驱动( l o w e rh y b r i dc u r r e n td r i v e ，l h c d ) 是托卡马克等离子体 非感应电流驱动和改善等离子体约束的一种重要技术。低杂波通过天线辐射不对 称谱的微波能量，通过朗道阻尼与等离子体中的共振电子发生有效作用，对电子 在平行于磁场的方向上加速而形成电流，这就是低杂波电流驱动的原理。低杂波 驱动效果与天线波导间的相位差密切相关，相位角太小，则波不易进入等离子体 芯部；若相位角太大，由于波的相速度较小，则大部分波的能量在外围就被电子 吸收。通过调节波导阵列或者天线阵列的相位，可以获得所要求的波谱形状，以 达到提高驱动效率、改善约束的目的。这是低杂波系统能够实现各种物理实验的 先决条件。 e a s t ( e x p e r i m e n ta d v a n c e ds u p e r - c o n d u c t i n gt o k a m a k ) 托卡马克上的 2 4 5 g h z 低杂波系统采用俄制k u 2 4 5 型微波束调管放大器作为微波源，其输出 相位对束调管阴极负高压的变化比较敏感，1 的阴极负高压波动将引起输出相 位l o o 的变化。为了保证调相精度，要求相位反馈控制的周期远小于束调管阴极 负高压的波动周期( 大约2 m s ) ，所以低杂波的相位反馈控制应该是一套高速的 系统。 考虑到软件反馈控制在整个相位反馈控制过程中相对耗时较多，本论文设计 了一套高速的相位计算和数据读出系统，以便满足整个系统的高速要求。 在e a s t 的低杂波系统中，鉴相仪采用的鉴相器件只能鉴别两路信号在 1 8 0 0 + 1 8 0 0 范围内的相位差大小，而不能区分相位的前后关系，这给带符号的 相位计算造成了很大的难度。同时，鉴相器件在0 0 和1 8 0 0 附近输出的电压一 相位特性需要用高阶多项式描述，高阶多项式的求根运算也会增加相位计算的时 间。 针对相位计算的上述特点，我们设计了专用的硬件电路系统来完成相位计 算。该系统的设计主要采用如下的技术路线： 1 使用高速a d c 将微波相位信号数字化，为使用高速的数字信号处理技术 进行相位计算打下基础。 2 根据鉴相器件的输出特性，使用m a t l a b s i m u l i n k 设计合适的相位算法并 摘要 建立算法模型。 3 使用大容量高性能的f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) 器件，利用其内嵌的 d s p 核及其它丰富的资源，加上针对特殊运算的专用电路，实现相位算法的硬件设计。 4 在单个f p g a 器件中实现多个微波通道相位的并行计算。 该相位计算系统可以快速完成e a s t 低杂波系统的2 0 路微波主波导的相位 计算，并且比采用传统d s p 器件的方案具有更高的性价比。 在此基础上，我们设计了基于p c i 总线的光纤数据传输方案，同时保留了在 h t - 7 托卡马克上具有成功经验的r s 4 8 5 接口。在只使用光纤传输数据的情况下， 整个系统不仅可以提供高速的数据传输通道，还可以有效地将地线与相位计算系 统隔离，避免了在复杂的电磁环境下进行长距离传输时相互之间可能存在的影 响。整个系统在实时操作系统q n x 平台上运行，这样可以获得更快的软件响应 速度。 目前，整个相位计算和读出系统已经设计完成，并经过了一系列测试，即将 与低杂波系统一起在e a s t 托卡马克上安装。 关键字：相位计算，l h c d ，f p g a ，m a t l a b s i m u l i n k ，光纤，p c i ，q n x i i a b s t r a c t l o w e rh y b r i dc u r r e n td r i v e ( l h c d ) i sa ne f f e c t i v em e t h o dt os u s t a i n s t e a d y s t a t eo p e r a t i o ni nt o k a m a k t h ee n e r g yo fl o w e rh y b r i dw a v e s ( l h w ) c a nb e c o u p l e di n t op l a s m at oa c c e l e r a t ee l e c t r o n sb ym e a n so ft h el a n d a ud a m p i n g t h e c u r r e n td r i v ee f f i c i e n c yd e p e n d so nt h ep l a s m ad e n s i t y ，t o r o i d a lm a g n e t i cf i e l da n d l a u n c h e dl h wp o w e rc o u p l i n gs p e c t r u m w i t hv a r i o u sp h a s ed i f f e r e n c e sa te a c h w a v e g u i d e ，t h ep o w e rc o u p l i n gs p e c t r u m sa r ed i v e r s e i ft h ep h a s ed i f f e r e n c e sa r et o o s m a l l ，s o m eo ft h em i c r o w a v eb e a mc a n n o ta r r i v ea tt h ec e n t e ro fp l a s m aa n dt h e d r i v ee f f i c i e n c yw i l lb eq u i t el o w o t h e r w i s e ，i ft h ed i f f e r e n c ei st o ob i g ，m o s to ft h e l h wp o w e rw i l lb ea b s o r b e db yt h o s eo u t s i d ee l e c t r o n sa n dt h ec o n v e r s i o ne f f i c i e n c y w i l ls t i l lb eu n s a t i s f a c t o r y b yf e e d b a c kc o n t r o lo ft h ep h a s ed i f f e r e n c e sa te a c h w a v e g u i d e ，as p e c i f i cp o w e rc o u p l i n gs p e c t r u mc a nb em a i n t a i n e di np u r p o s eo f i n c r e a s i n gt h ed r i v ee f f i c i e n c ya n di m p r o v i n gt h ep l a s m ac o n f i n e m e n t t h i si s t h e p r e r e q u i s i t et h a tt h el h ws y s t e mc o u l da c h i e v ev a r i o u sg o a l si np h y s i c se x p e r i m e n t s a nl h w s y s t e mw i t hf r e q u e n c yo f2 4 5 g h z ，o fw h i c ht h em i c r o w a v ei sd e d v e d f r o m2 0k u 一2 4 5 k l y s t r o na m p l i f i e r sm a d ei nr u s s i a ，i sa p p l i e do ne a s t ( e x p e r i m e n ta d v a n c e ds u p e r - c o n d u c t i n gt o k a m a k ) s i n c et h ep h a s eo ft h ek l y s t r o n a m p l i f i e r so u t p u tm i c r o w a v ei sq u i t es e n s i t i v et ot h en e g a t i v eh i g hv o l t a g eo ni t s c a t h o d e ，a p p r o x i m a t e l ya10d e g r e e s p h a s em o v e m e n tc a nb eb r o u g h ta b o u tb ya c h a n g eo fl o nt h en e g a t i v eh i g hv o l t a g e ，af e e d b a c kc o n t r o l ，w h i c hs h o u l db e c o m p l e t e dm u c hf a s t e rt h a nt h en e g a t i v eh i g hv o l t a g e sf l u c t u a t i o n s ，m u s tb ea c h i e v e d i no r d e rt om a i n t a i na ne x p e r i m e n tr e q u i r e dp o w e rc o u p l i n gs p e c t r u m c o n s i d e r i n ga b o u te a c hp a r to ft h ew h o l ef e e d b a c kc o n t r o lp r o c e d u r e ，t h e s o f t w a r ee x e c u t i o no ff e e d b a c kc o n t r o lw i l lo c c u p ym o s to ft h et i m ec o s t ，s oa h i g h s p e e dp h a s ec a l c u l a t i n ga n dr e a d o u ts y s t e ma r ed e s i g n e da n di m p l e m e n t e dt o s a t i s f yt h es p e e dr e q u i r e m e n to ft h ee n t i r ef e e d b a c kc o n t r 0 1 i nt h el h ws y s t e mo fe a s t , t h ep h a s ed e t e c t o rc a no n l yd e t e c tt h em a g n i t u d e a b s t r a c t o ft h ep h a s ed i f f e r e n c ei nt h er a n g ef r o m 18 0 。t o + 18 0 。b e t w e e nt h et w oi n p u ts i g n a l s ， b u tc a n n o tr e c o g n i z ew h e t h e rt h ec u r r e n tp h a s ei sp o s i t i v eo rn e g a t i v e 。t h i sm a k e st h e s i g n e dp h a s ec a l c u l a t i o nm o r ed i f f i c u l t a l s o ，s i n c et h ep h a s ev o l m g eo u t p u ta r o u n d0 。 a n d 18 0 0o ft h ep h a s ed e t e c t o rn e e d sah i g h o r d e rp o l y n o m i a lt od e s c r i b e ，t h e h i g h o r d e rr o o to p e r a t i o nw i l li n c r e a s et h et i m ec o s to fp h a s e c a l c u l a t i o n a c c o r d i n gt ot h ed i f f i c u l t i e sm e n t i o n e da b o v e ，ap h a s ec a l c u l a t i n gs y s t e m ，w h i c h i sah a r d w a r ec i r c u i t ，i sd e s i g n e da n di m p l e m e n t e da sas o l u t i o n t h em a i nt e c h n i c a l f e a t u r e so ft h i ss y s t e ma r ea sf o l l o w s ： 1 ah i g h - s p e e da n a l o g d i g i t a lc o n v e r t e rc o n v e y st h ep h a s ev o l t a g ei n t od i g i t a l s i g n a l s ，w h i c hi san e c e s s a r yp r e p a r a t i o nf o rt h eu s eo fh i g h s p e e dd i g i t a ls i g n a l p r o c e s st e c h n i q u e 2 b ya n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep h a s ev o l t a g ea n dt h e p h a s ed i f f e r e n c e s ，ap r o p e rp h a s ec a l c u l a t i n ga l g o r i t h mf o rt h es p e c i f i cp h a s ed e t e c t o r i sd e s i g n e da n dt h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mm o d e li sc o n s t r u c t e di nm a t l a b s i m u l i n k e n v i r o n m e n t 3 al a r g ec a p a c i t ya n dh i g hp e r f o r m a n c ef p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t e a r r a y ) d e v i c e ，b yt a k i n gt h ea d v a n t a g e so fi t se m b e d d e dd s pc o r e sa n do t h e r a b u n d a n tr e s o u r c e s ，p l u ss o m es p e c i f i cc i r c u i tm o d u l e sf o rs p e c i a lc a l c u l a t i o n s ，i s p r e s e n tt oi m p l e m e n tt h ep h a s ea l g o r i t h mm o d e li nh a r d w a r e 4 p a r a l l e lp r o c e s so fp h a s ec a l c u l a t i n gf o rm u l t i c h a n n e l si si m p l e m e n t e di na s i n g l ef p g ad e v i c e a sar e s u l to ft h ea p p l i c a t i o n so ft h e s et e c h n o l o g i e s ，t h ep h a s ec a l c u l a t i n gs y s t e m h a st h ea b i l i t yt oc o m p l e t et h ec a l c u l a t i o no fa l lp h a s ed i f f e r e n c e sa t2 0w a v e g u i d e si n t h ee a s tl h w s y s t e mi nac o n s i d e r a b l es h o r tt i m e ，a n dh a sb e a e rp r c e p e f f o r m a n c e r a t i ot h a nt r a d i t i o n a ld s ps o l u t i o n s o nt h eb a s i so ft h ea c c o m p l i s h m e n to ft h ep h a s ec a l c u l a t i n gs y s t e m ，ad a t a r e a d o u ts y s t e mi st h e nd e s i g n e da n di m p l e m e n t e db a s e do np c ib u sa n df i b e rc h a n n e l ， w i t har s - 4 8 5i n t e r f a c et h a th a ss u c c e s s f u le x p e r i e n c eo nt h eh t - 7t o k a m a k w h e n t h ec o n n e c t i o nb e t w e e nt h er e a d o u ts y s t e ma n dt h ep h a s ec a l c u l a t i n gs y s t e mi s c o n s t r u c t e do n l yt h r o u g ht h ef i b e rc h a n n e l ，i tc a nn o to n l yp r o v i d eah i g hs p e e dd a t a a b s t r a c t t r a n s m i s s i o np a t hb u ta l s oi s o l a t et h eg r o u n do ft h et w os y s t e m s t h er e a d o u ts y s t e m i sr u n n i n go nq n x p l a t f o r m ，ar e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，s ot h es o f t w a r er e s p o n s ei s e n h a n c e d k e y w o r d s ：p h a s ec a l c u l a t i n g ，l h c d ，f p g a ，m a t l a b s i m u l i n k ，f i b e r , p c i ， q n x 图目录 图目录 图1 1 不同相位角对应的天线辐射谱5 图l - 2 相控多结波导阵天线结构6 图1 3e a s t 低杂波计算机i 监控网络架构图7 图1 4 a l c a t o r c m o d 的相位和幅度控制系统8 图1 5a l c a t o r c m o d 的l h 耦合器前端及正视图一8 图1 6a l c a t o rc m o d 的l h 传输线及n ，与相位关系。9 图1 7h t - 7l h c d 系统组成示意图1 0 图2 1e a s t 低杂波天线主视图1 3 图2 2 等离子体位形。1 4 图2 3 锁相环路组成方框图1 4 图2 4h t - 7l h c d 用的p t s 8 型1 2 路微波鉴相系统方框图15 图2 5 正交鉴相示意图1 5 图2 。6e a s t 低杂波相位检测方法l7 图2 7 相位计算和读出系统框图1 9 图2 8 鉴相仪输出相位信号特性曲线1 9 图3 1 相位计算电路总体框图2 2 图3 2 a d s 5 2 7 7 功能框图2 3 图3 3a d s 5 2 7 7 内部参考电压连接图2 4 图3 4 a d s 5 2 7 7 模拟输入端的偏置电路2 4 图3 5 简化的全差分运放结构2 5 图3 6 全差分运放分析电路2 5 图3 7t h s 4 5 0 3 与a d s 5 2 7 7 连接图2 6 图3 8 全差分运放的偏置电压电路2 7 图3 9a d s 5 2 7 7 串行控制接口工作时序2 7 图3 1 0 a d s 5 2 7 7 的l v d s 串行输出时序2 9 图3 1 1 简单的a d s 5 2 7 7 串行数据接收方法2 9 图3 1 2 改进的a d s 5 2 7 7 串行数据接收方法3 0 图3 1 3 c y c l o n e i i i o e 的i o 配置结构3 i 图3 1 4 数据控制状态转换图。3 3 图3 1 5u a r t 串行数据帧格式3 5 图3 16u a r t 发送器状态机3 5 图3 1 7u a r t 接收器状态机3 6 图3 1 8 各种电平标准的信号传输速率与传输距离的关系3 7 图3 1 9r s 4 8 5 驱动和接收电路3 7 图3 2 0t l k l 5 0 1 初始化和同步过程3 9 图3 2 1m a x 7 2 2 1 结构框图4 0 图3 2 2m a x 7 2 2 ls p i 接口时序4 0 图3 2 3p i n 开关控制信号驱动电路4 2 图3 2 4 电源设计拓扑结构一4 3 图3 2 5c y c l o n ef p g a 的a s 与j t a g 混合配置4 5 图3 2 6 信号输入端过压保护4 6 图3 2 7m c 7 4 l v x 4 2 4 5 的逻辑结构及与7 4 系列4 2 5 的兼容性一4 6 v 图目录 图4 1a d 8 3 0 2 功能框图4 9 图4 2a d 8 3 0 2 输出级结构图5 0 图4 3a d 8 3 0 2 理想的鉴相特性曲线5 0 图4 4 输入2 2 0 0 m h z 信号时a d 8 3 0 2 的一些特性曲线5 1 图4 5 鉴相仪内部结构图5 2 图4 6a d 8 3 0 2 特性曲线测量装置5 3 图4 7 个鉴相通道2 5 0 次测量的相位曲线。5 4 图4 8 拟合的电压( a d c 代码) 相位曲线5 7 图4 9 相位符号判断5 8 图4 1 0 相位符号判断和位置判断流程图5 8 图4 1 1c y c l o n ei if p g a 的l e 结构6 0 图4 1 2c y c l o n ei i 系歹t j f p g a 内嵌的乘法器6 0 图4 1 3d s pb u i l d e r 设计流程6 l 图4 1 4 底部非线性区相位计算的s i m u l i n k 模型6 3 图4 1 5 相位计算的s i m u l i n k 项层模型6 4 图4 1 6s i m u l i n k 模型的仿真结果6 5 图4 1 7f p g a 内用硬件乘法器实现乘法运算6 5 图4 1 8 相位计算的m o d e l s i m 仿真结果6 6 图5 1 数据读出系统硬件架构6 9 图5 2 q n x 微内核7 0 图5 3 串口通讯软件界面7 4 图5 4p c i 卡整体结构框图7 9 图5 5p c i 9 0 5 4 内部框图7 9 图5 6p c i 9 0 5 4 的e e p r o m 连接8 0 图5 7e e p r o m 与p c i 9 0 5 4 内部寄存器的映射8 l 图5 8cm o d ep c i t a r g e ts i n g l er e a d ( 3 2 b i tl o c a lb u s ) 8 3 图5 9cm o d ep c it a r g e tb u r s tw r j t e ( 3 2 b i tl o c a lb u s ) 8 3 图5 1 0p c i 总线5 v 与3 3 v 系统连接示意图8 5 图5 1 lo o 类型的p c i 配置头区间8 6 图6 1a d c 和前级运放线性刻度测试电路框图9 1 图6 2 鉴相仪b 的相位计算系统1 0 个通道a d c 变换的线性测试结果9 3 图6 3 软件测试光纤误码率方案9 5 图6 4 硬件测试光纤误码率方案9 6 图6 5 线性反馈移位寄存器示意图9 6 图6 6 鉴相仪相位曲线测量方案9 7 图6 7 鉴相仪各通道的相位曲线9 9 表目录 表目录 表3 1a d s 5 2 7 7 主要性能指标2 4 表3 2a d s 5 2 7 7 控制码2 8 表3 1 3a d s 5 2 7 7 测试数据模式2 8 表3 4c y c l o n ei i 的i o e 可编程延时设置3l 表3 5 相位计算系统的软件控制命令3 4 表3 6t l k l 5 0 1 发送端控制信号3 8 表3 7t l k l 5 0 1 接收端状态指示信号3 8 表3 8m a x 7 2 2 ls p i 接口数据格式4 0 表3 9m a x 7 2 2 1 s p i 接口的地址映射4 l 表3 1 0 相位显示方式。4 2 表3 1 lc y c l o n ei if p g a i g 置方式选择4 5 表3 1 2c y c l o n e i if p g a a s 配置模式d c l k 频率4 5 表4 1a d 8 3 0 2 的线性范围与输入信号频率的关系5 l 表4 2 一个a d 8 3 0 2 通道的测试数据平均值5 5 表4 3 拟合电压相位曲线的参数5 7 表4 4e p 2 c 3 5 资源列表5 9 表5 1t e r m i o s 结构变量成员7 3 表5 2t c g e t a t i r 可设置常量7 3 表5 3p c i 9 0 5 4 长加载模式e e p r o m 与寄存器映射一8 1 表5 4p c i 9 0 5 4 超长加载模式e e p r o m 与寄存器映射一8 2 表5 5p c i 9 0 5 4 本地总线工作模式( p q f p l 7 6 ) 一8 2 表5 6p c i 卡本地地址与板内缓冲映射关系8 4 表6 1 鉴相仪a 各通道的相位计算参数9 9 表6 2 鉴相仪b 各通道的相位计算参数1 0 0 中国科学技术大学学位论文原创性和授权使用声明 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。 本人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。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：啦 即8 年sas 日 致谢 首先，我要衷心的感谢我的导师周永钊教授和梁吴副教授。从大学时代进实 验室练习开始，到完成本科论文，保送攻读研究生，一直到现在完成博士论文的 写作，我在两位老师的悉心指导和亲切关怀下，度过了七年的快乐时光。周老师 严谨求实的科研作风、一丝不苟的治学态度、广阔渊博的学识经验和孜孜不倦的 追求精神给我树立了很好的榜样。他以清晰的理论思维、高屋建瓴的系统指导和 丰富的实践经验，给我的学习工作提供了极大的帮助，培养了我独立钻研的精神， 带我进入了一个极有意义的领域。梁老师敏捷的思维、求实的态度和极其专业的 技术功底，给了我很多启发和技术指导，帮助我解决了不少问题。从两位老师的 身上，我不仅学到了大量的专业知识，更学到了许多做人的道理，在今后的生活 和工作中，这必将使我受益终生。再次向两位老师表示深深的感谢。 另外，我要感谢已经毕业的师兄陈一新、薛俊东和李超，他们给了我很多帮 助，带我跨过了实验室工作的门槛。同时要感谢虞孝麒教授和金革教授，他们帮 助我解决了很多疑难问题。 感谢周雷同学，他总是与我展开技术问题的激烈讨论，并帮助我完成了许多 测试工作。感谢中科院等离子体物理研究所的单家方老师，徐辉同学和杨永同学， 他们在我的博士论文设计过程中，给了我很多帮助并积极配合我的工作，为我测 试了许多低杂波的数据。感谢王传芳小姐，她任劳任怨地为整个实验室提供后勤 支持，并为我完成了器件订货、电路焊接和一些测试工作。 感谢实验室的杨珩、谢树欣、黄隆锦、袁苑和张雄等同学以及钱泽银老师， 感谓十刘小桦、蔡辉山等同学，有了你们，生活才会如此多姿多彩。 我要深深地感谢我的父母。虽然远在千里之外，但是这么多年你们一直坚定 地支持我，鼓励我，为我做着一切你们能做的事情，使我能够安心而顺利的完成 学业。谢谢你们，你们永远是我的骄傲。感谢我的姐姐和姐夫，谢谢你们对我的 支持，谢谢你们对父母的照顾。 最后，向所有关心和支持我的人表示诚挚的谢意，祝大家永远幸福快乐! 第l 章引言 第1 章引言 1 1 未来能源 能源是人类文明得以维持和发展的基础 1 】。而且，随着文明的发展，人类 对能源的需求有增无减【z 】。自从1 7 8 1 年英国人瓦特发明蒸汽机以来，煤炭和石 油等化石燃料成为人类的主要能源【3j 。随着地球上人口增长、寿命延长，人均 能源消费越来越大，作为不可再生资源的化石燃料将在未来几十到一百多年的时 间内消耗殆尽。自第一次石油危机以来，世界各国为了争夺石油资源而不可避免 的发生国家间的冲突甚至战争。同时，化石燃料的使用，还带来了温室气体增加 引起全球气候变化等一系列的环境问题。 为了解决能源问题，科学家们将目光投向了核能。2 0 世纪后半叶，各种类 型的核电站在世界范围内得到了异常迅速的发展。他们都是利用铀等大原子量的 原子核裂变，释放巨大的能量，这就是通常所说的重核裂变，简称核裂变。然而 不幸的是，裂变反应堆要产生放射性废物，切尔诺贝利核电站放射性物质泄露事 故的阴影依然笼罩在人们心中，核废料的埋藏处理也可能会给人类带来巨大的安 全隐患。因此，人类又将索求的目光投向了热核聚变反应能源。 “聚变”是较轻的原子核合成较重的原子核的反应。聚变能只产生很小的些 由中子活化而产生的感生放射性，而且它的发生条件需要近亿度高温，一旦某一 环节出现问题，燃料温度下降，反应堆会自动停止反应，没有失控的危险。热核 聚变所用的主要核原料是氘。根据测算，每l 升海水中约含3 0 毫克氘，3 0 毫克 的氘聚变产生的能量大约相当于3 0 0 升汽油燃烧产生的能量，即“l 升海水约等 于3 0 0 升汽油”。地球上的海水中大约有4 5 万亿吨氘，如果通过聚变转化为能量， 足够人类使用一百亿年【3 1 。一座1 0 0 万千瓦的核聚变电站，每年消耗的氘只需要 3 0 4 千克。这就是人类真正无限、清洁卫生、成本低廉和安全可靠的新能源。 1 2 核聚变装置 核聚变主要有磁约束聚变( m c f ) 和惯性约束聚变( i c f ) 两种并行的研究 途径。其中磁约束聚变所用的实验装置按照磁场是否构成环形而分为闭合磁位形 中国科学技术大学博士论文 装置和开端装置两类。在闭合磁位形装置中，最为成功的是托卡马克。 托卡马克( t o k a m a k ) 的名字t o k a m a k 来源于环形( t o r o i d a l ) 、真空室 ( k a m e r a ) 、磁( m a g n i t ) 、线圈( k o t u s h k a ) 。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰 托夫研究所的阿齐莫维齐等人在2 0 世纪5 0 年代发明的。托卡马克的中央是一个 环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺 旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。相比其 他方式的受控核聚变，托卡马克拥有不少优势。1 9 6 8 年8 月在苏联新西伯利亚 召开的第三届等离子体物理和受控核聚变研究国际会议上，阿齐莫维齐宣布在苏 联的 i - 3 托卡马克上实现了电子温度lk e v ，质子温度0 5k e v ，n l ：= 1 0 幅m - 3 0 s ， 这是受控核聚变研究的重大突破，在国际上掀起了一股托卡马克的热潮，各国相 继建造或改建了一批大型托卡马克装置。其中比较著名的有：美国普林斯顿大学 由仿星器c 改建成的s t t o k a m a k ，美国橡树岭国家实验室的奥尔马克( o r m a r k ) ， 法国冯克奈一奥罗兹研究所的t f rt o k a m a k ，英国卡拉姆实验室的克利奥( c l e o ) ， 西德马克斯普朗克研究所的p u l s a t o r t o k a m a k 。 e a s t ( e x p e r i m e n t a d v a n c e ds u p e r - c o n d u c t i n gt o k a m a k ) 托卡马克是我国自 行设计，自主建造的世界上第一个全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置。由 于采用了先进的非圆截面和全超导技术，e a s t 将成为迄今为止世界上等离子体 运行时间最长的试验装置。e a s t 的科学目标是通过实验研究为未来建造稳态、 高效、安全的托卡马克类型的聚变反应堆提供重要的工程技术和物理基础。e a s t 为世界上最大的国际间科技合作项目i t e r 可控核聚变实验反应堆计划提供了工 程和物理上的预研，无论从人才培养和奠定工程技术及物理基础的角度上说， e a s t 都做出了重要的实质性的贡献，并进而为人类开发和最终使用核聚变能量 做出重要贡献。 1 3 低杂波系统 1 3 1 低杂波系统在核聚变装置中的作用 目前，国际上正在深入研究的受控热核聚变要解决的两个主要问题是：第一， 如何将等离子体加热到足够高的反应温度；第二，如何将有充分高密度的高温等 离子体约束足够长的时间。低杂波( l o wh y b r i dw a v e ) 是目前用来进行非感应 2 第1 章引言 电流驱动和加热的有效手段之一。 为了实现受控热核聚变，需要将等离子体加热到足够高的反应温度。对聚变 反应堆来说，等离子体产生和初步加热的主要方法是欧姆加热和波加热。这两种 方法都可以将大体积的气体电离后加热到k e v 量级，为进一步加热提供好的靶 体。初期的托卡马克只采用欧姆加热，这种方法直接加热电子，而不是参与反应 的离子，随着温度的提高，等离子体的电阻率越来越低，加热到效率也变得更低。 因此，仅用欧姆加热不能达到反应堆的温度，必须采用其他的加热方法，这些方 法统称为辅助加热。进一步的辅助加热的方法包括强流高能中性束注入加热、离 子回旋频段的波加热、低杂频段的波加热以及电子回旋共振加热，在某些装置中 还可以采用绝热压缩加热。最后，在反应堆中，主要依靠仪粒子的加热来维持自 持燃烧。 传统的托卡马克装置依靠变压器产生的环电压来建立等离子体电流”】，该 环向电流是维持平衡位形不可或缺的成分。这种用变压器产生的磁通变化来驱动 电流，虽然原理和方法简单，但是变压器能够提供的磁通变化量有限，因而靠感 应维持的电流其时间长度和电流大小也有限，故托卡马克的运行总是脉冲型的。 为了延长放电时间或者做到稳态运行，必须寻找非感应电流的驱动方法。 事实上，所有用于加热的射频波都可以用于非感应式的电流驱动，其中以低 杂波电流驱动( l o wh y b r i dc u r r e n td r i v e ，l h c d ) 最为成功，驱