CN112702828A - 一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于等离子体加热领域，具体涉及一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置及方法，装置包括由定向耦合器、对数检波器、电压比较器和低通滤波器串联而成若干滤波通道，低通滤波器与或门连接，或门的两个输出端分别依次连接两个计数器、保护信号发射光纤和RS触发器、与门、PIN微波开关；定向耦合器对数检波器实时测量反射微波功率，当微波反射功率超过阀值后，或门输出一个综合反射信号，RS触发器锁存该信号，输出低电平有效的封锁信号，OPEN与封锁信号通过与门，控制执行器件PIN微波开关。解决了托卡马克放电过程中，低杂波系统因等离子体磁流体不稳定性而关闭的问题,可大幅提升低杂波系统投入托卡马克物理实验效率和注入功率。
Description
技术领域
本发明属于等离子体加热领域，具体涉及一种低混杂波电流驱动系统中的主动回避装置及方法。
背景技术
在磁约束受控聚变研究中，低混杂波电流驱动是等离子体电流驱动和维持的主要方法之一，从脉冲放电到稳态运行的发展过程中，低混杂波技术始终扮演着重要角色，在等离子体加热、位形控制、改善约束等方面也发挥着重要作用。在中国环流器二号A(HL-2A)装置上配备有2MW低混杂波电流驱动系统。
低杂波在等离子中的吸收机制与其它射频波不同，波的阻尼过程没有磁共振，只有动力共振。具有高相速度的射频波发射到等离子体，沿磁场方向通过共振作用即朗道阻尼加速快电子，在电子速度分布函数上建立起各向异性的高能尾部。大量理论和实验证明，在现有的各种射频波电流驱动中，低杂波驱动效率最高，特别适于产生长脉冲、中等比压值的先进托卡马克所需要的电流分布，是一种获得等离子体电流全驱的重要方法。未来聚变堆需要稳定、高效的离轴电流驱动系统来维持燃烧等离子体连续运行数月，中间不能出现故障和长期维护，因此选择低杂波电流作为驱动技术非常必要。
但是在托卡马克等离子体放电过程中，磁流体不稳定性、等离子体位移、边界局域模的爆发等多种物理过程都能够引起等离子体边界密度急剧变化，进而影响低杂波与等离子体耦合，常出现高反射。为了防止高功率反射波破坏低杂波系统，必须及时关闭微波输出。低杂波系统关闭后，等离子体因失去加热，参数急剧下降，失去物理实验意义。一般只能等到下一次放电，再重新开展物理实验，这大幅降低了托卡马克物理实验效率。为了解决这个问题，提升低杂波物理实验效率，本发明发展了一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置。
发明内容
本发明的目的是针对托卡马克装置中的低杂波系统因高反射而关闭的问题，提供一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置及方法，大幅提升低杂波系统在托卡马克装置上的物理实验效率。
本发明的技术方案如下：
一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置：
包括由定向耦合器、对数检波器、电压比较器和低通滤波器串联而成滤波通道，将微控制器的输出端与所述的电压比较器的比较端连接；所述的定向耦合器接收天线入口处的微波取样，对数检波器把微波取样并转换为电压信号；电压比较器把电压信号与微控制器发送的阈值信号进行比较，得到数字逻辑信号，所述的低通滤波器对数字逻辑信号进行低通滤波；
所述的阈值信号为微控制器输出的模拟量，其发送到电压比较器；
所述的低通滤波器输出端与或门输入端连接，或门的两个输出端分别依次连接计数器A、计数器B、保护信号发射光纤和RS触发器、与门、PIN微波开关；所述的计数器的一个输出端连接到RS触发器的复位端；所述的与门同时接收系统OPEN信号，所述的微控制器与通信光纤、计数器A、计数器B分别相连；
所述的低通滤波之后的数字逻辑信号送入或门进行“或”运算，得到综合反射信号，综合反射信号被RS触发器锁存，同时，综合反射信号的上升沿触发计数器计时，计数器将溢出信号输出到RS触发器的复位端，从RS触发器的反相输出端,得到一个低电平有效的封锁信号，与门对接收到的封锁信号与OPEN信号进行“与”运算，得到微波激励开启信号发送至PIN微波开关；微波激励开启信号一方面控制执行器件PIN微波开关动作，另一方面，送入计数器，统计在一次等离子体放电中开启信号上升沿的个数，当PIN微波开关动作次数超过计数器的溢出值后，计数器溢出，溢出信号发送至保护信号发射光纤，保护信号发射光纤将护信号输出到相应的低混杂波电流驱动系统；
当存在一路或多路微波反射时，计数器被或门输出的综合反射信号的上升沿触发后，开始计时，溢出后得到解封锁信号，使触发器复位，封锁信号无效，低混杂波电流驱动系统再次开启。
所述的数字逻辑信号为，反射功率超过阈值时，输出高电平，否则，输出低电平。
所述的由定向耦合器、对数检波器、电压比较器和低通滤波器串联而成滤波通道共有4路，4路的低通滤波器输出端均与或门输入端连接。
所述的计数器A的计数周期为3.6ms，计数器B9的溢出值为20次。
所述的PIN微波开关为PIN微波二极管，其工作频率为4～15GHz，关断时间小于2微秒，关断时隔离度为30～50dB。
所述的微控制器型号为PIC16F877A。
所述的阈值信号范围为1.000-5.000V。
所述的低通滤波器的输入信号高电平需持续1～5微秒，时间判定误差小于20纳秒。
所述对数检波器的灵敏度优于-10dBm，工作频率为4～10GHz.
一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避方法，包括如下步骤：
1)将天线入口处的若干路高功率微波取样，功率范围为1kW-250kW，中心频率3.7GHz，带宽10MHz；
2)每路微波取样分别转换为电压信号，再同设定的阈值进行比较，得到数字逻辑信号，即反射功率超过阈值时，输出高电平，否则，输出低电平；
3)对所述的数字逻辑信号进行低通滤波，要求输入信号高电平持续1～5微秒；
4)把滤波后的四路信号送入或门进行“或”运算，得到一路综合反射信号，并通过RS触发器锁存，同时利用计数器A对综合反射信号的上升沿进行计数，将计数反馈至RS触发器的反相输出端,得到封锁信号；
5)利用与门将所述封锁信号和系统开通信号进行“与”运算，得到微波激励开启信号发送至PIN微波开关，同时利用计数器统计在一次等离子体放电中开启信号上升沿的个数；当PIN微波开关动作次数超过计数器的溢出值后，输出溢出信号，关闭低混杂波电流驱动系统；
6)计数器被或门输出的综合反射信号的上升沿触发后，利用计数器开始计时，使计数器溢出，溢出信号作为解封锁信号，送到RS触发器的异步复位端，使RS触发器复位，从RS触发器的反相输出端得到的封锁信号变为高电平，此时，与门的输出信号等于OPEN信号，在一次等离子体放电中，OPEN信号一直给出高电平，低混杂波电流驱动系统再次开启。
本发明的显著效果如下：
解决了在一次托卡马克放电过程中，低杂波系统因等离子体磁流体不稳定性而关闭的问题,可大幅提升低杂波系统投入托卡马克物理实验效率和注入功率，为开展磁约束等离子体输运研究、等离子体全无感电流驱动、高约束模式等前沿实验奠定了基础。
为实现上述效果，使用定向耦合器对数检波器实时测量反射微波功率，当有一路或多路微波反射功率超过阀值后，或门输出一个综合反射信号。使用一个RS触发器锁存该信号，输出一个低电平有效的封锁信号。把开通信号(OPEN)与封锁信号通过与门，然后控制执行器件PIN微波开关。实现发生微波高反射时，关断微波输出的功能。为了实现微波关断一段时间后，重新开启的功能，使用计数器A从微波关断后开始计时，溢出后解除封锁信号，重新开始投入。
附图说明
图1为低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置示意图；
图2为低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置实验波形图；
图中：1.定向耦合器；2.对数检波器；3.电压比较器；4.低通滤波器；5.或门；6.计数器A；7.RS触发器；8.与门；9.计数器B；10.保护信号发射光纤；11.PIN微波开关；12.微控制器；13.通信光纤。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
该主动回避装置由定向耦合器1、对数检波器2、电压比较器3、低筒滤波器4、或门5、计数器6、RS触发器7、与门8、PIN微波开关11和相应光纤组成。
在低杂波系统中，二维相控阵列发射天线的同一列子波导一般由同一个微波源驱动。即，一个高功率速调管输出的微波，需经过多个功分器后，再送入发射天线，任何一路发生高反射都需要及时切断微波源，以保护微波系统安全。
如图1所示CH1、CH2、CH3、CH4分别代表天线入口处的4路高功率微波取样，分别输入到定向耦合器1中，定向耦合器1的输出端依次连接对数检波器2、电压比较器3和低通滤波器4，4个低通滤波器4输出端均与或门5输入端连接。同时或门5的两个输出端分别依次连接计数器A6、计数器B9、保护信号发射光纤10，和RS触发器7、与门8、PIN微波开关11。
其中与门8接收系统开通信号OPEN，并且与门8打输出端分别连接计数器9和PIN微波开关11。
其中，计数器A6的一个输出端连接到RS触发器7的复位端；
还包括微控制器12和通信光纤13。
微控制器12的输出端分别与上述的4个电压比较器3的其中一个输入端连接，同时微控制器12通过数据总线与通信光纤13、计数器A6、计数器B9分别相连。
定向耦合器1和对数检波器2把天线入口处的4路高功率微波取样并转换为4路电压信号；然后每一路上的电压比较器3分别把电压信号与阈值进行比较，反射功率超过阈值时，输出高电平，否则，输出低电平；
定向耦合器1和对数检波器2把天线入口处的四路高功率微波取样并转换为四路电压信号；然后四个电压比较器3分别把电压信号与微控制器12发送的阈值信号进行比较，得到四路数字逻辑信号，接着对这四路数字逻辑信号和一路系统开通信号(OPNE)进行处理。
首先使用低通滤波器4对四路数字逻辑信号进行低通滤波，要求高电平持续1微秒才有效，把滤波后的四路信号送入或门5进行“或”运算，得到一路综合反射信号。该综合反射信号被RS触发器7锁存，同时，综合反射信号的上升沿触发计数器6计时，计数器6将溢出信号输出到RS触发器7的复位端，从RS触发器7的反相输出端，得到一个低电平有效的封锁信号。与门8对接收到的封锁信号与系统开通信号(图中的OPEN)进行“与”运算，得到微波激励开启信号发送至PIN微波开关11。微波激励开启信号一方面控制执行器件PIN微波开关11动作，另一方面，送入计数器9，用于统计在一次等离子体放电中开启信号上升沿的个数。当PIN微波开关11动作次数超过计数器9的溢出值后，计数器9溢出，溢出信号发送至保护信号发射光纤10，保护信号发射光纤10输出一路脉宽为1毫秒的保护信号到相应的低混杂波电流驱动系统(该系统属于与该屏蔽装置相连接的实施对象，不属于保护内容)，关闭低混杂波电流驱动系统，结束本次放电，系统重置。
计数器6被或门5输出的综合反射信号的上升沿触发后，开始计时。计数器6溢出信号作为解封锁信号，送到触发器7的异步复位端，使触发器7复位，从RS触发器7的反相输出端得到的封锁信号变为高电平，此时，与门8的输出信号等于系统开通信号(OPEN)，在一次等离子体放电中，OPEN信号一直给出高电平，低混杂波电流驱动系统再次开启。微控制器12通过数据总线与通信光纤13、计数器A6、计数器B 9相连，实现与低杂波控制系统通信和设置计数器的溢出值。微控制器12送出四路模拟量到四个电压比较器3，作为其阈值。
根据HL-2A托卡马克等离子体放电特点，设置计数器A6的计数周期为3.6ms，计数器B9的溢出值为20次。即，探测到高反射后，微波输出暂停3.6ms。然后重新开始输出，在一次放电中，最多允许20次尝试，大幅提升低杂波系统的效率。
图2为低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置实验波形图。LHP_B41通道为HL-2A装置低杂波系统四号管天线端的一路反射信号。LHP_F41通道为该路微波传输功率信号，正常工作时，传输功率为100kW，主动回避时，传输功率为零。在放电过程中，等离子体发生不稳定性，反射微波功率逐渐上升，在970ms时，超过阈值4.0V，触发主动回避，微波输出关闭3.6ms。然后，重新启动微波，10ms后，反射再次超过阈值，触发微波主动回避。如此往复，尝试四次后，等离子体不稳定性消失，低杂波系统成功投入，开展托卡马克物理实验。
Claims (10)
1.一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：
包括由定向耦合器(1)、对数检波器(2)、电压比较器(3)和低通滤波器(4)串联而成滤波通道，将微控制器(12)的输出端与所述的电压比较器的比较端连接；所述的定向耦合器(1)接收天线入口处的微波取样，对数检波器(2)把微波取样并转换为电压信号；电压比较器(3)把电压信号与微控制器(12)发送的阈值信号进行比较，得到数字逻辑信号，所述的低通滤波器(4)对数字逻辑信号进行低通滤波；
所述的阈值信号为微控制器(12)输出的模拟量，其发送到电压比较器(3)；
所述的低通滤波器(4)输出端与或门(5)输入端连接，或门(5)的两个输出端分别依次连接计数器A(6)、计数器B(9)、保护信号发射光纤(10)，和RS触发器(7)、与门(8)、PIN微波开关(11)；所述的计数器(6)的一个输出端连接到RS触发器(7)的复位端；所述的与门(8)同时接收系统OPEN信号，所述的微控制器(12)与通信光纤(13)、计数器A(6)、计数器B(9)分别相连；
所述的低通滤波之后的数字逻辑信号送入或门(5)进行“或”运算，得到综合反射信号，综合反射信号被RS触发器(7)锁存，同时，综合反射信号的上升沿触发计数器(6)计时，计数器(6)将溢出信号输出到RS触发器(7)的复位端，从RS触发器(7)的反相输出端,得到一个低电平有效的封锁信号，与门(8)对接收到的封锁信号与OPEN信号进行“与”运算，得到微波激励开启信号发送至PIN微波开关(11)；微波激励开启信号一方面控制执行器件PIN微波开关(11)动作，另一方面，送入计数器(9)，统计在一次等离子体放电中开启信号上升沿的个数，当PIN微波开关(11)动作次数超过计数器(9)的溢出值后，计数器(9)溢出，溢出信号发送至保护信号发射光纤(10)，保护信号发射光纤(10)将护信号输出到相应的低混杂波电流驱动系统；
当存在一路或多路微波反射时，计数器(6)被或门(5)输出的综合反射信号的上升沿触发后，开始计时，溢出后得到解封锁信号，使触发器(7)复位，封锁信号无效，低混杂波电流驱动系统再次开启。
2.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的数字逻辑信号为，反射功率超过阈值时，输出高电平，否则，输出低电平。
3.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的由定向耦合器(1)、对数检波器(2)、电压比较器(3)和低通滤波器(4)串联而成滤波通道共有4路，4路的低通滤波器(4)输出端均与或门(5)输入端连接。
4.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的计数器A(6)的计数周期为3.6ms，计数器B(9)的溢出值为20次。
5.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的PIN微波开关(11)为PIN微波二极管，其工作频率为4～15GHz，关断时间小于2微秒，关断时隔离度为30～50dB。
6.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的微控制器(12)型号为PIC16F877A。
7.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的阈值信号范围为1.000-5.000V。
8.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述的低通滤波器(4)的输入信号高电平需持续1～5微秒，时间判定误差小于20纳秒。
9.如权利要求1所述的一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避装置，其特征在于：所述对数检波器(2)的灵敏度优于-10dBm，工作频率为4～10GHz。
10.一种低混杂波电流驱动系统高反射主动回避方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将天线入口处的若干路高功率微波取样，功率范围为1kW-250kW，中心频率3.7GHz，带宽10MHz；
2)每路微波取样分别转换为电压信号，再同设定的阈值进行比较，得到数字逻辑信号，即反射功率超过阈值时，输出高电平，否则，输出低电平；
3)对所述的数字逻辑信号进行低通滤波，要求输入信号高电平持续1～5微秒；
4)把滤波后的四路信号送入或门(5)进行“或”运算，得到一路综合反射信号，并通过RS触发器(7)锁存，同时利用计数器A(6)对综合反射信号的上升沿进行计数，将计数反馈至RS触发器(7)的反相输出端,得到封锁信号；
5)利用与门(8)将所述封锁信号和系统开通信号进行“与”运算，得到微波激励开启信号发送至PIN微波开关(11)，同时利用计数器(9)统计在一次等离子体放电中开启信号上升沿的个数；当PIN微波开关(11)动作次数超过计数器的溢出值后，输出溢出信号，关闭低混杂波电流驱动系统；
6)计数器(6)被或门(5)输出的综合反射信号的上升沿触发后，利用计数器开始计时，使计数器(6)溢出，溢出信号作为解封锁信号，送到RS触发器(7)的异步复位端，使RS触发器(7)复位，从RS触发器(7)的反相输出端得到的封锁信号变为高电平，此时，与门(8)的输出信号等于OPEN信号，在一次等离子体放电中，OPEN信号一直给出高电平，低混杂波电流驱动系统再次开启。
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