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一种测量4.6GHz低杂波平行 磁场方向波数的系统

阅读：1024发布：2020-05-25

专利汇可以提供一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，以实现托卡马克等离子体中自由传播的高频微波的相位测量，进而分析获得低杂波平行磁场方向的波数。包括真空侧和大气侧两大部分。真空侧包括磁探针阵列、耐高温稳相同轴线和同轴Feedthrough。大气侧包括两级降频电路和高速数据采集模块。由固定距离的磁探针阵列耦合低杂波，经同轴Feedthrough传出，然后与两级差频电路混频后，将4.6GHz的高频微波降频至20MHz左右，送入采样率高达100MS/s的多通道同步采集模块，最后通过FFT 数据处理便可获得每一道的相位信息。，下面是一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，其特征在于：包括有磁探针阵列、稳相同轴线、真空同轴电极、两级降频电路和高速数据采集模块；
等离子体中的低杂波信号由磁探针耦合，在真空室内由耐高温的二氧化硅稳相同轴线传送至真空法兰，经真空同轴电极传出托卡马克真空室，然后经同轴线传送至差频电路，与两级本振振荡差频，最后由多通道高速采集模块采集；
所述磁探针阵列中的磁探针结构为：磁探针线圈外面由具有矩形状缝隙的屏蔽桶盖住，所述缝隙开在屏蔽桶顶盖处，且线圈平面与矩形状缝隙严格垂直；所述两级差频电路将
4.6GHz的微波降频至20MHz，且不改变其相位信息。
2.根据权利要求1所述的一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，其特征在于：
所述磁探针结构只对平行缝隙长边的磁扰动敏感，而对其他方向的波磁场具有屏蔽作用。
3.根据权利要求1所述的一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，其特征在于：
所述的两级差频电路包括4.9GHz和280MHz的本振；由磁探针阵列耦合出来的低杂波信号首先与4.9GHz本振差频后，接入中心频率为300MHz，带宽为25MHz带通滤波器，再与
280MHz的本振差频，原始的4.6GHz射频信号便降频为20MHz；此降频电路的输出信号强度由
4.6GHz射频信号决定，且不改变其相位信息。
4.根据权利要求1所述的一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，其特征在于：
高速采集模块为8通道且采样率高达100MS/s的同步采集；从而通过FFT 数据处理获得其相位信息。
5.根据权利1要求所述的一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，其特征在于：
磁探针阵列耦合的低杂波在托卡马克真空室内由稳相同轴线传播，然后通过真空同轴电极传播出真空室，所述稳相同轴线为耐高温稳相二氧化硅同轴线。
6.根据权利1要求所述的一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，其特征在于：
所述的磁探针线圈由二氧化硅半刚性同轴线内导体绕制而成，并焊接在外导体上，线圈外面由不锈钢屏蔽桶盖住。

说明书全文

一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统

技术领域

[0001] 本发明属于微波技术领域，具体涉及一种托卡马克等离子体中低杂波相位测量的系统。

背景技术

[0002] 低杂波电流驱动(LHCD)是托卡马克装置上重要的非感应电流驱动和加热手段。世界上大部分磁约束核聚变装置上都有低杂波系统，比如法国的Tore-Supra，美国的Alcator C-Mod以及我国的EAST托卡马克等。在低杂波物理实验中，低杂波的平行波数k//是决定低杂波在等离子体中传播、吸收以及电流驱动效率的一个关键物理量。在进入等离子体之前的初始k//由低杂波天线相邻波导之间的相位差决定，可以通过电磁波-等离子体耦合软件计算得出，但当低杂波穿过等离子体刮削层时，会受到各种非线性效应的影响，有可能导致其平行波数的变化，从而影响低杂波的驱动效率和加热效果。为了分析低杂波与刮削层等离子体的吸收和传播，需要测量低杂波相位来分析获得平行波数k//信息。

[0003] 在规则波导中传播的微波可以通过定向耦合器来获取相位信息，但微波在等离子体中是自由传播的，这样很难采用传统的定向耦合器来鉴别某一特定方向传播的波相位信息，这是托卡马克等离子体中低杂波相位测量的一个难点。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种托卡马克等离子体中自由传播的4.6GHz高功率低杂波波数的测量系统，从而为低杂波电流驱动及加热物理实验分析提供关键的数据支持。

[0005] 本发明提出一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，包括有磁探针阵列、稳相同轴线、真空同轴电极、两级降频电路和高速数据采集模块；等离子体中的低杂波信号由磁探针耦合，在真空室内由耐高温的二氧化硅稳相同轴线传送至真空法兰，经真空同轴电极传出托卡马克真空室，然后经普通同轴线传送至差频电路，与两级本振振荡差频，最后由多通道高速采集模块采集；

[0006] 所述磁探针阵列中的磁探针结构为：磁探针线圈外面由具有矩形状缝隙的屏蔽桶盖住，所述缝隙开在屏蔽桶顶盖处，且线圈平面与矩形状缝隙严格垂直；所述两级差频电路将4.6GHz的微波降频至20MHz，且不改变其相位信息。

[0007] 进一步的，本发明提供一种带有矩形状缝隙的磁探针来耦合特定方向传播的微波，此探针只对某一方向传播的微波敏感；同时提供了一种降频电路，将探针耦合的高频微波降至20MHz左右。此降频电路通过二级降频实现，其输出的微波信号的幅值和相位只依赖于输入的RF信号，与本振信号无关，因此该降频电路的输出可以准确反映被测量的RF信号的信息。最后由采样率大于2倍微波频率的高速采集系统来采集数据并还原波形。

[0008] 所述的磁探针线圈由二氧化硅半刚性同轴线内导体绕制而成，并焊接在外导体上，线圈外面由不锈钢屏蔽桶盖住。所述的不锈钢屏蔽桶的底盖开有矩形状的缝隙，从而使得磁探针只能耦合平行长边方向的磁场扰动。等离子体中传播的低杂波是慢波，其磁场垂直于背景约束磁场，因此矩形裂缝长边垂直于磁场放置的磁探针对此扰动磁场敏感(对其他方向的微波具有很好的屏蔽效果)，从而实现对低杂波微波特性的耦合。

[0009] 所述的两级降频电路由4.9GHz和280MHz的本振构成。由磁探针阵列耦合出来的4.6GHz低杂波信号首先与第一级本振4.9GHz差频，其输出信号频率降为300MHz，该信号再与第二级本振280MHz差频，这样原始的4.6GHz射频信号便降频为20MHz。此降频电路的输出信号强度由4.6GHz射频信号决定，且不改变其相位信息。

[0010] 所述的高速采集模块为8通道采样率高达100MS/s的同步采集。根据奈奎斯特定律，100MS/s的采样率足以还原20MHz信号的波形图，从而通过FFT 数据处理获得其相位信息。

[0011] 本发明的优点是所述的磁探针耦合特性具有很好的方向性，其特点是：磁探针线圈外面由具有矩形状缝隙的屏蔽桶盖住，且线圈平面与矩形状缝隙严格垂直。同时采用降频的方法，将4.6GHz的微波降频至20MHz，从而满足现有采集卡采集能力。本发明采用两级降频，且电路的设计确保了相位信息不失真，实现对低杂波波数的测量。附图说明

[0012] 图1为本发明系统主要结构示意图；

[0013] 图2为二级差频电路示意图；

[0014] 图3为差频电路输出电压(圆点)和相位(三角形)随RF功率的变化图(测试结果)；

[0015] 图4为FFT分析得到的频谱图(CH1，CH2，…….CH8代表8个磁探针每一道的信号)；

[0016] 图5为FFT分析得到的相邻道之间的相位差(CH2-CH1代表第2个磁探针与第1个之间的相位差，CH3-CH2代表第3个磁探针与第2个之间的相位差，依次类推)。

[0017] 图中：磁探针阵列1、第一同轴线2，真空同轴电极(Feedthrough)3，传输线4，第一级本振5，第一八路功分器6，第一混频器7，第二级本振8，第二八路功分器9，第二混频器10，第二同轴线11，采集模块12。

具体实施方式

[0018] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

[0019] 如图1所示，一种测量4.6GHz低杂波平行磁场方向波数的系统，所述系统包括真空侧(托卡马克真空室)和大气侧两大部分。其中真空侧包括垂直背景磁场放置且固定距离(d)的磁探针阵列1、耐高温稳相第一同轴线2和真空同轴电极(Feedthrough)3，大气侧包括两级降频电路和高速数据采集模块12。磁探针阵列1中的磁探针线圈外面由具有矩形状缝隙的屏蔽桶盖住，且线圈与矩形状缝隙严格垂直。

[0020] 4.6GHz低杂波从天线发射出来后经过边界等离子体传播，其磁场方向垂直背景磁场，然后由固定距离的磁探针阵列耦合。由于磁探针屏蔽桶底盖开有矩形状的缝隙，此探针只对垂直背景磁场方向的磁扰动敏感，而对其他方向传播的微波具有很好的屏蔽作用。

[0021] 磁探针阵列耦合的低杂波在托卡马克真空室内由耐高温稳相二氧化硅同轴线2传播，然后通过真空同轴电极3传播出真空室。在大气侧经过二级降频后信号降为20MHz。

[0022] 所述二级降频电路包括两个本振，一个4.9GHz第一级本振5，一个280MHz第二级本振8。两级本振出来的信号分别经过第一、第二八路功分器6和9后分为八路。从真空室出来的4.6GHz低杂波通过传输线4首先与第一级本振4.9GHz混频，经第一混频器7后降为300MHz，然后再与第二级本振280MHz混频，经第二混频器10后降为20MHz，最后由普通第二同轴线11接入采集模块12。由于300MHz信号接入了带宽为25MHz带通滤波器(如图2所示)，此降频电路最终输出的信号为20MHz±12.5MHz。在实际等离子体物理实验中，天线发射的
4.6GHz点频低杂波与等离子体发生相互作用后，比如散射，参量衰变等过程，其频率会发生一定的展开。因此，基于此电路结构，通过FFT分析后不仅可以获得泵波(泵波就是4.6GHz点频低杂波)4.6GHz的相位，还可以获得4.6GHz±12.5MHz频率空间的相位。之所以采用二级降频是因为低杂波与等离子体发生相互作用后会产生频率为4.6GHz±40MHz的子波，如果直接与4.6GHz±20MHz的本振混频，差频后的20MHz微波既有泵波成份，也有低杂波子波成份，达不到低杂波相位测量的目的。

[0023] 如图3所示，此电路的测试结果表明差频电路输出的功率和相位完全由RF输入信号，即4.6GHz低杂波决定。因此降频后的信号准确反映了RF信号的相位信息和相对强度。

[0024] 图4和图5为系统在接4.6GHz信号源输入时测试结果。图5中，CH2-CH1代表第2个磁探针与第1个之间的相位差，CH3-CH2代表第3个磁探针与第2个之间的相位差，依次类推。可以看出每一道FFT分析后所得的频谱都在20MHz处非常峰化，其幅度比噪音高出40db。同时，FFT分析得到的相邻两道之间的相位差非常稳定。由便可获得平行波数值，从而实现低杂波平行磁场方向波数测量目的。

[0025] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

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