CN110108950A - 测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列 - Google Patents

测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，包括有垂直于背景磁场放置的磁探针阵列a和平行于磁场放置的固定距离磁探针阵列b，分别用来测量在等离子体中传播的低杂波相位和极化特性。每个磁探针包括二氧化硅半刚性同轴线，不锈钢套，不锈钢屏蔽桶及陶瓷片。磁探针线圈由二氧化硅半刚性同轴线的内导体绕制而成，并焊接在外导体上，线圈外面由不锈钢屏蔽桶盖住，不锈钢屏蔽桶的底盖开有矩形状的缝隙，底盖与线圈之间放置有陶瓷片。本发明采用具有矩形状缝的屏蔽结构，从而使得磁探针具有对特定方向传播的微波耦合能力，可以用来测量自由空间传播的微波相位，尤其是等离子体中传播的低杂波相位及极化特性。

Description

测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列
技术领域
本发明涉及托卡马克中微波测量装置领域，具体是一种测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列。
背景技术
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AlcatorC-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。
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，但托卡马克装置是一种高温真空的环境，且微波在等离子体中自由传播，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。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，以解决现有技术定向耦合器难以鉴别特定方向传播的波相位的问题。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：包括磁探针阵列a和磁探针阵列b，磁探针阵列a和磁探针阵列b分别各自由多个磁探针按阵列排列构成，磁探针阵列a和磁探针阵列b中的磁探针结构相同，每个磁探针均包括不锈钢屏蔽桶、二氧化硅半刚性同轴线，不锈钢屏蔽桶轴向一端桶口同轴盖合连接有底盖，底盖中心开有矩形状的缝隙，二氧化硅半刚性同轴线由内、外导体以及二氧化硅介质构成，其中外导体同轴设于不锈钢屏蔽桶内并从不锈钢屏蔽桶轴向另一端桶口穿出，内导体同轴设置在外导体中，二氧化硅介质填充于内、外导体之间，内导体一端伸入外导体与底盖之间并绕制成磁探针线圈后再连接至外导体外表面，且磁探针线圈所在平面严格垂直于底盖中心的缝隙所呈现的矩形，所述磁探针阵列a中各个磁探针底盖的缝隙长边均垂直于背景磁场，磁探针阵列b中各个磁探针底盖的缝隙长边均平行于背景磁场，由磁探伤阵列a测量等离子体中传播的低杂波相位，由磁探伤阵列b测量等离子体中的极化特性。
所述的测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：每个磁探针中，不锈钢屏蔽桶内壁与二氧化硅半刚性同轴线的外导体之间同轴设有不锈钢套，不锈钢套与不锈钢屏蔽桶焊接为一体，并由不锈钢套夹持固定外导体。
所述的测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：二氧化硅半刚性同轴线的外导体从不锈钢屏蔽桶穿出的一端连接有SMA接头，内导体另一端沿外导体延伸至与SMA接头连接。
所述的测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：磁探针线圈与底盖之间设有陶瓷片，陶瓷片与底盖同轴，且陶瓷片分别与底盖和磁探针线圈接触。
本发明包括有垂直于背景磁场(即托卡马克纵场)放置的磁探针阵列a和平行于背景磁场放置的磁探针阵列b，分别用来测量在等离子体中传播的低杂波相位和极化特性。每个磁探针均包括二氧化硅半刚性同轴线，不锈钢套，不锈钢屏蔽桶及陶瓷片。
磁探针线圈由二氧化硅半刚性同轴线的内导体绕制而成，并焊接在二氧化硅半刚性同轴线的外导体上，二氧化硅半刚性同轴线由不锈钢屏蔽桶盖住，不锈钢屏蔽桶与二氧化硅半刚性同轴线的外导体之间由不锈钢套焊接在一起。不锈钢屏蔽桶不仅可以保护线圈免受等离子体的轰击，还可以屏蔽其他电磁波的干扰。二氧化硅半刚性同轴线具有耐高温稳相特性，从而满足托卡马克真空室高温高真空特性要求。
不锈钢屏蔽桶的底盖开有矩形状的缝，从而使得磁探针只能耦合平行长边方向的磁场扰动。矩形的长宽比值越大，磁探针对平行长边方向的磁场扰动分量越敏感，对波极化测量越精确；但矩形的长边受限于探针尺寸大小，探针尺寸大小影响到相邻探针之间的中心距离(d)，这个距离决定了磁探针阵列所能分辨的低杂波平行波数上限(d<λ///2)(λ//为低杂波平行磁场方向的波长)。同时矩形的窄边不能太小，矩形的面积影响到探针的耦合能力。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，探针阵列a对此扰动磁场敏感(对其它方向的微波具有很好的屏蔽效果)，从而实现对低杂波相位信息测量。由于磁探针之间的距离是固定且已知的，根据便可获得平行波数值(为相邻磁探针所测量的低杂波相位差)。在高密度等离子体实验中，慢波激发的低杂波会发生模式转换变成快波。快波不能驱动电流，实验上要尽量避免这种模式转换发生。快波的磁场扰动方向平行于背景磁场，从而可以采用探针阵列b来确认快波是否存在，即低杂波极化特性鉴别。
底盖与线圈之间放置有陶瓷片，其作用是保护线圈免受高温等离子体的损害。
磁探针线圈所在的平面严格垂直于屏蔽桶底盖矩形状的缝隙，这样可以最大化探针的耦合能力。
与现有技术相比，本发明提供一种带有矩形状缝隙的磁探针，可以耦合特定方向传播的微波，从而可以测量等离子体中4.6GHz低杂波平行波数及波极化特性。
附图说明
图1为磁探针阵列原理示意图。
图2为单个磁探针结构图。
图3为磁探针屏蔽桶底盖结构图。
图4为磁探针耦合强度(S21)随扰动磁场与线圈平面法线夹角(α)的变化图(测试结果)。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2、图3所示，测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，包括磁探针阵列a和磁探针阵列b，磁探针阵列a和磁探针阵列b分别各自由多个磁探针按阵列排列构成，磁探针阵列a和磁探针阵列b中的磁探针结构相同，每个磁探针均包括不锈钢屏蔽桶5、二氧化硅半刚性同轴线，不锈钢屏蔽桶5轴向一端桶口同轴盖合连接有底盖6，底盖6中心开有矩形状的缝隙9，二氧化硅半刚性同轴线由内、外导体2、1以及二氧化硅介质3构成，其中外导体1同轴设于不锈钢屏蔽桶5内并从不锈钢屏蔽桶5轴向另一端桶口穿出，内导体2同轴设置在外导体1中，二氧化硅介质3填充于内、外导体2、1之间，内导体2一端伸入外导体1与底盖6之间并绕制成磁探针线圈后再连接至外导体1外表面，且磁探针线圈所在平面严格垂直于底盖6中心的缝隙9所呈现的矩形，磁探针阵列a中各个磁探针底盖的缝隙长边均垂直于背景磁场，磁探针阵列b中各个磁探针底盖的缝隙长边均平行于背景磁场，由磁探伤阵列a测量等离子体中传播的低杂波相位，由磁探伤阵列b测量等离子体中的极化特性。
每个磁探针中，不锈钢屏蔽桶5内壁与二氧化硅半刚性同轴线的外导体1之间同轴设有不锈钢套4，不锈钢套4与不锈钢屏蔽桶5焊接为一体，并由不锈钢套4夹持固定外导体1。
二氧化硅半刚性同轴线的外导体1从不锈钢屏蔽桶5穿出的一端连接有SMA接头8，内导体2另一端沿外导体1延伸至与SMA接头8连接。
磁探针线圈与底盖6之间设有陶瓷片7，陶瓷片7与底盖6同轴，且陶瓷片7分别与底盖6和磁探针线圈接触。
如图1所示，本发明包括有垂直于背景磁场放置的磁探针阵列a和平行于磁场放置的磁探针阵列b，分别用来测量在等离子体中传播的低杂波相位和极化特性。相邻磁探针之间的距离d＝6.6mm，因此，在实际测量中探针阵列可以分辨的平行折射率N//＝k//c/ω高达5.0(c是光速、ω是低杂波的圆频率)。
单个磁探针结构如图2所示，磁探针线圈由耐高温的二氧化硅介质3半刚性同轴线内导体2绕制而成，并焊接在外导体1上，线圈半径为r＝0.6mm。整个线圈由不锈钢屏蔽桶5盖住，不锈钢屏蔽桶的外径为5.6mm，即整个磁探针的外径。不锈钢屏蔽桶与同轴线之间由不锈钢套4焊接在一起。不锈钢屏蔽桶的底盖6开有矩形状的缝隙9，兼顾磁探针的耦合性能(与缝隙的面积有关)和极化鉴别能力(与缝隙的长宽比值有关)，缝隙的尺寸为4mm×0.5mm。底盖与线圈之间放置有陶瓷片7，以保护线圈免受高温等离子体的轰击，同轴线的另一端焊接SMA接头8。
磁探针线圈所在的平面严格垂直于屏蔽桶底盖矩形状的缝隙，这样既可以最大化探针的耦合强度，也可以使得探针对某一特定方向的磁场扰动最敏感。如图4所示，当扰动磁场与线圈平面法线夹角为0度时(即扰动磁场与缝隙长边平行)，探针的耦合强度最大，而探针几乎测量不到夹角为90度的情况，即扰动磁场与缝隙长边垂直的微波。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，垂于放置的探针阵列a对此扰动磁场最为敏感，从而实现对低杂波微波属性测量。相反，平行放置的探针阵列b对平行背景磁场方向的扰动磁场最为敏感，可以用来测量快波成份，从而达到极化鉴别目的。

Claims (4)

1.测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：包括磁探针阵列a和磁探针阵列b，磁探针阵列a和磁探针阵列b分别各自由多个磁探针按阵列排列构成，磁探针阵列a和磁探针阵列b中的磁探针结构相同，每个磁探针均包括不锈钢屏蔽桶、二氧化硅半刚性同轴线，不锈钢屏蔽桶轴向一端桶口同轴盖合连接有底盖，底盖中心开有矩形状的缝隙，二氧化硅半刚性同轴线由内、外导体以及二氧化硅介质构成，其中外导体同轴设于不锈钢屏蔽桶内并从不锈钢屏蔽桶轴向另一端桶口穿出，内导体同轴设置在外导体中，二氧化硅介质填充于内、外导体之间，内导体一端伸入外导体与底盖之间并绕制成磁探针线圈后再连接至外导体外表面，且磁探针线圈所在平面严格垂直于底盖中心的缝隙所呈现的矩形，所述磁探针阵列a中各个磁探针底盖的缝隙长边均垂直于背景磁场，磁探针阵列b中各个磁探针底盖的缝隙长边均平行于背景磁场，由磁探伤阵列a测量等离子体中传播的低杂波相位，由磁探伤阵列b测量等离子体中的极化特性。
2.根据权利要求1所述的测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：每个磁探针中，不锈钢屏蔽桶内壁与二氧化硅半刚性同轴线的外导体之间同轴设有不锈钢套，不锈钢套与不锈钢屏蔽桶焊接为一体，并由不锈钢套夹持固定外导体。
3.根据权利要求1所述的测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：二氧化硅半刚性同轴线的外导体从不锈钢屏蔽桶穿出的一端连接有SMA接头，内导体另一端沿外导体延伸至与SMA接头连接。
4.根据权利要求1所述的测量等离子体中低杂波平行波数及波极化的磁探针阵列，其特征在于：磁探针线圈与底盖之间设有陶瓷片，陶瓷片与底盖同轴，且陶瓷片分别与底盖和磁探针线圈接触。
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