汇总第四章4HT 7上ECEI诊断系统的建立

HT-7是坐落于省合肥市中国等离子体物理的一个具有铁心的R0122cma27cm，环向磁场B2.2T，等离子体电流Ip240kA，等离子体中心弦平均密度en1~6.51013cm3，芯部电子温度Te00.4~4keV，芯部离子温度eTi00.2~1.5keV1秒左右，低杂波电流驱动下放电时237秒。其欧姆(OH)300kW2.45GHz700kW的低杂波（LHW），24-30MHz300kW的离子回旋波（ICW）加热和离子4.2.1HT-7ECEI诊断系统的实验布局图。它独占了一个水平窗口，真空室中心到窗口的距离为86cm，但由于窗口周围空间条件的限制，真空室中心到最前方透镜的最近距离为104cm。整个光路系统（包括成像光路和本振光台上，通过移动一个E-ne透镜，而不是通过移动整个装置，来改变焦平面的位置，从而使系统能够对从-10c（高场侧）到r=26m的等离子体区维持一个紧密的聚焦。这大大简化了装置的支撑结构，降低了系统的复杂程度和造价。系统采用一个97.5Hz40W的unn毫米波源作为本振（O），来测量电子回旋X波辐射的二次谐波(97.5H)，通过扫描纵场的方法来测量不同纵向位置上的等离子体。采用这一方案避免了不同频率下天线/混频器性能不同的影响，简化了系统校准工作量，同时也避免了使用价格高昂且短（约3000小时）的返波管（BO），提高了系统的可靠性并降低了使用成本和造价。但也由于其频率固定，由于新的天线阵列还没有作好，我们在实验中使用的是一个旧的70l间距的CI天线阵列。如图4.3.1所示，它是一个20道的，设计工作在105-125Hz的天线阵列。它的天线单元采用了双偶极天线的结构。细小的梁式引线(b-ad)结构的二极管(Odvceb-ldShokydod,截止频率约1.8h)用环银胶粘在了每个天线单元的正中心(如图3.2.4所示)。在阵列的两边还设计有宽带的不平衡变压器，可以提供一个由DC到12Hz的宽带IF信号。这个天线阵列的-ne和H-ne的道间距分别为70il和40l，即1.78m和1.02m。如图4.3.2所示，天线主瓣的-和H-ne的1e接收角分别约为20°和21°，相应天线侧的束腰大小分别为：1.76m和1.67mm。由于我们工作所用的频率97.5Hz偏离了其设计的工作频率，因此这个天线在97.5GHz如图4.3.3所示，天线阵列的基板被固定在一个加强的金属框上。用高密度聚乙烯(HDPE)材料制成的半径为6cm的介质透镜紧贴着天线的基板，通过HDPE制成的两个螺丝固定在同一个金属框上。然后金属框又被固定在了一个金属盒中。16个低噪声前放(MinicircuitsZFL-500LN)也被安装在了这个金属盒中，为由天线IF0.1-500MHz24dB的放大。放大器由一个外接的+15V的线性电源供电。阵列的直流偏压则由另一个外接的有金属的单同时安装在ECEI成像阵列盒中的还有一个开关和一个LCD电流表。这个电20DC偏置电流(单位微安),20电流表会引人100Hz的尖峰噪声（这是由于它对电流进行的100Hz的采样所造成的），所以在正式做实验数据时，这个开关应当处于断开的状态。为了提高诊断的位置精度，系统采用了远心光学系统（ecentricOpticalSystem）布局。如图4.4.1所示，这种光学系统的入射瞳孔和出射瞳孔都在无穷远高空间分辨要求光束被聚焦在等离子体中形成一个小的束腰，如图3.1.1所示。Hwindows3wE2H3wE(n1)dWwindows3wH

HwindowsWwindows分别是窗口的高和宽，HECEI度，在窗口上约为边缘道的高度，n是天线阵列的通道数，d是ECEI系统的道间距，wE和wH分别是光束在E-ne和H-ne的光束半径。为了避免相邻通道间的窜扰，1/e光斑的直径就应该要小于系统的道间距，也就是2w0d。同时tgw/其中1/e2

tg

w

(n1)d32L(n

其中w0E和w0H分别是E-ne和H-ne上的束腰大小。据此，我们可以画出4.4.2：HT-797.5GHzECEId（也就是空间4.4.2ECEI1cm后，所需的水平窗口的39cm8.6cm宽，对于HT-71697.5GHzECEI是一个合理的选择。这样，中心的104.4.5.b式，同时要求w0

2.9cm系统的道间距d确定了。根据天线阵列的E-ne道间距h，成像光学系统TMAGEh/ 将来为HT-7专门设计的ECEI天线阵列的E-ne道间距为85mil，约0.216cm,TMAGE＝0.18ECEI70mil0.178cmTMAGE＝0.180.99cm从图3.1.1可以看出，ECEI需要一个水平的在垂直方向上扩展的窗还可以与其共用同一个窗口。周围通常挤满了诊断。因此，由于ECEI是在HT-7上，我们使用了原来弹丸注入所使用的水平窗口，在大半径方向上有为了减少垂直相邻道之间的串扰，就需要减少来自边缘衍射的旁瓣，光学元件的尺寸要大于两倍它上面的光束的直径[1]。同时这也将减少光学的功率损耗。但这样要求的透镜小就有点大了一般择大于1.5倍的光束直径，也4.4.1选用的透镜，当然也就更容易使系统满足窗口周围的空间限制。但是，采用的透镜越多，系统也就越复杂越难以调试。同时，如图4.4.3所示，采用的透镜越多，系统的传输损耗也就越大，从而降低了系统的灵敏度。幸运的是在H-7上，我们有足够的空间来安排EI诊断系统，从而可以最大限度上减少所需的透镜数量，从而提高系统的稳定性和灵敏度。基于以上的考虑，我们选择了有四个透镜组成的远心光学系统。透镜系统由高密度聚乙烯(HDP)制成，它包括一个介质透镜，两个-ne柱面镜，一个H-ne柱面镜。如图4.4.4所示。（1）介质透镜是用于和天线紧密贴合，来减少表面波效应，从而提高天线的接收效率的。这实际上是属于天线的一部分。为了避免介质透镜对于光学系统主要参数的影响，它被设计成了如图3.2.6所示的拥有固定放大倍率的一个超半球面（hyprhesphrc）镜，其近轴放大倍率正好等于其折射率的平方。（2）相互独立的E平面和H平面聚焦柱面镜可以用来分别调节H-ne和-ne的光斑大小的。这是由天线在-ne和H-ne接收角的不同，同时诊断窗口在这两个方向上的大小也不相同，为了使光束的能量能够顺利通过窗口而设计的。同时，成像光学系统就可以完全采用柱面透镜来搭建，这可以大大降低成像光学系统的加工难度和费用。-ne和H-ne独立聚焦的设计设计过程中我们采用了LambdaResearchCorporation的光学设计和优化软OSLO来帮助完成设计任务。具体设计过程如下：把如图4.4.4所示的光路系统的基本布局输入到OSLO中。为了方便分析系统的性能，以天线阵列作为物端，等离子体侧作为像端。这时原来要求的TMAG在OSLO中就变成了倒数。EFL（effectivefocallength：有效焦距）>5000mm（近似满足远心系统的条件），PTZ3最小(也就是场曲最小，使成像的边缘道尽量与中心道在同一个平面上，这样可以减少中心道与边缘道的光斑大小的差距)。先使H-ne透镜设为平面。调整AST（ApertureStop:孔经光栅）的位置，使得由天线阵列出来的平行光在AST处聚焦。Lens2让OSO根据约束条件去寻找一个合适ns3OSO没有找到一个合适的值，表现为给出一个不符合约束条件的方案，这就要手动调节一下透镜间的距离和其焦距，使其大致回到约束条件上来，然后重新开始寻找。检查系统的成像距离是否满足窗口的可近性条件。对于HT-7来说，就是要求成像距离约为96cm。Lens2的焦距（也就是其曲率半径）Lens25步。若成像距离基本符合，就进PTZ3约束的权重，然后回到第5步。调整Lens1的曲率和位置，使光斑能够通过窗口，聚焦在E-ne的焦平面4.4.1式。再调节透镜的厚度，使其满足可以制造的条件，即边缘厚度不能为负值。再次用OSLO优化透镜间距离。再次检查成像距离，若不满足要求，就再调整Lens2的曲率，并把H-ne5步。通过光线追踪来计算每一道的道间距和光斑大成像光路系统设计的最终结果列在表4.4.1中。在设计过程中，我们也发现可以通过移动lens2的位置，调节图4.4.4中间距d的大小，可以改变E-ne焦平面的位置。最后，OSLO计算出来的系统的性能如图4.4.5所示。TEXTOR70milECEI阵列，在使用时，我们对于透镜间距作了些小小的修改(如表4.4.2所示)，这时的光学性能如图4.4.6所示。曲率半径厚度高×宽SubstrateLens-0LensLensECE曲率半径厚度高×宽SubstrateLens-0LensLensECE系统透镜加工所使用的材料是由镇维塑料电器专门为我们的一块21米宽14厘米厚的HDP。由于我们目前还没有合适的毫米波测试备，我们仅用12Hz的微波对此HDPE材料进行了简单的测试，以供参考。实验的安排如图4.4.7所示。由微波矢量网络分析仪Agnt8700所提供的固定功率的12Hz的微波信号经天线1发射后，由天线2所接收。通过测量插入260mm宽140mmHDPE212GHz12GHz112的反射回波信号间的延时，就可以知道HDPE材料中12GHz微波的速度，近而可以知道其在12GHz下的折射率。测量显示，对于这块HDPE材料，不同位置上的透过率在87%~90%112的反射回波间的时2.69nsHDPE12GHz1.55，这个值与在文献[2]中所提供在毫米波下的折射率1.52基本一致。在安装之前，我们初步在测量了采样70mil天线阵列的ECEI成像光路系统的性能。由于时间和经费的问题，我们没有作一个采用HT-7实际窗口尺寸的仿制品来安装在被测的ECEI系统前，而是简单地测试了系统在真空窗口以外的那部分。图4.4.8就是一张台面实验安排的，显示了透镜、成像阵列和移动平台之间的相对位置。窗口对于系统的影响，由OSLO软件估计，主要会使焦平面延伸由于在实验过程中我们发现，步进电机启停的冲击，加上移动平台与导轨之间的间隙，会使反射杆晃来晃去。为了避免这一晃动的影响，我们没有采样原定的如图3.3.2所示的实验方案，而改用如图4.4.9所示的实验方案：用一个1642B1型函数信号来输出一个25.6kHz的固定频率的脉冲信号给128细分的步进驱器(汉特公司的S-MD604)，驱动混合步进电机57HB16（1.8°步）以每秒1转的速度带动一个导程为1.0m的丝杠，来带动一个升降平台和反射杆以1.0s的速度匀速上升，时用以1kHz的采率，记下16道CI系统的响应。虽然这样做不能得到每一道对应的确切高度，最重要的，道间距和光斑我们首先初步测量中心两道在不同位置上的光斑大小和道间距，找出光斑最小的束腰位置，确定面的位置。其结果如图4.4.10所示。然后再详细测量在面上的波束图。其结果如图4.4.1所示。结果显示，在d＝640m时，在-ne上，道间距约为1.1m，光斑直径约为1.5-1.8cm，比设计值略大，面的位置也近了约9cm。这与OSO的模拟结果有些差异。这可能是由于系统完全采用了圆柱透镜，-ne和H-ne上的光斑大小差异甚大（H-ne的光斑直径达4.0），导致-ne和H-ne面重合得不太好造成的。另外测量也存在较大误，上得光大仅其的小1-2。天线阵列，介质透镜，Lens1，lens2lens3都沿垂直于窗口的中轴线被固定在一块光学平板上。系统在经过测试之后，在系统拆卸搬到HT-7上之前，元件之间的相对位置已经仔细标记过了。系统元件在HT-7上按照标记的相对位置作为系统平台安装调整的基准。由于透镜都比较大，准直不太。系统采用了一个固定的Gunn来作为本振源。这个Gunn是由一家德国公司(RadiometerPhysicsGmbH)制造的。其频率为97.5GHz，持续输出功率40mW，工作电压10.44V。4.2.1所示，Gunn25dBW-Band号角天线辐射HDPE6cm10cmHDPEW-Band号角天线来的输出转一般在加上本振功率后，每道天线的偏置电流会增加5~20μA，且本振功率越大，增加的偏置电流就越多。通常，每道偏置电流要增加8μA以上，天线单元才会有每道天线的偏置状态可以通过天线阵列上的D形25针的接口来测量，测量电路参见图3.2.10。未加本振功率前，每道的电压为1.1V左右；加了本振功率后，1.03~1.07V1.07V就说明这道的本振功率没有加上。图3.2.114.5.1此外在调节本振光路时，有时会出现各道信号输出满偏的情况，这是由于出现了本振驻波所造成的。为了解决这个问题，需要把柱面镜水平倾斜一个小的角度，采用轻微离轴的照射就可以破坏这一本振驻波，得到良好的本振功率耦合。IF信号处理系统的电子学框图如图4.6.1所示。从混频阵列出来的每一道信号MiniCircuits的低噪声放大器预先放大(~45dB)82-297MHz的带通滤波后由MeicsCorporation的MSS20000系列零偏压检波二极管转化为了信号。具体的IF检波电路如图4.6.2所示，二极管检波器，放大器和低通滤波器集成在一起成为了一个紧凑的低成本IF检波器。它们被集中放进了一个7.6×6.3×3.8cm大小的铝盒中。放大的增益为66倍，带宽为1MHz，灵敏度约为40mV/W，线性范围约0.5V。4.6.116IF机箱中，从混频器出来的信号通过16根SMA电缆馈入IF机箱中，共16道输出信号通过双芯线(约1m长)连到器上。成像阵列和IF机箱与支撑框架间是绝缘的，通过双芯线的地连到器的地上。系统用的是位于苏格兰的D-TACQ公司的4块ACQ16PCI卡组成的64通道高速同步系统。它采用了差分输入，有完善的输入保护电路，输入动态范围-2.5V到+2.5V，精度14bit，最高采样率达每通道10MSPS，但受到缓冲器传输速度的影响，在16道同步时仅能达到每通6MSPS641.7MSPS。但这对于目前的实验应用的来说，在实验前，我们对系统的同步性能进行了一个简单的测试：让所有的通道都对同一个信号大小为4V峰峰100kHz的正弦信号以1.7MHz的采样率进行同步。得到的数据，用根据yAsn(btc)d进行拟和，最后得到每道信号的测量相位。根据这个拟和得到的相位c就可以知道每道之间的相位差，也就知道了64通道同步的同步精度。最后的测量结果显示最大的同步误差在20ns以内。软件方面，在L