CN112992387B - 基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁约束受控核聚变等离子体诊断领域，涉及一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，是测量磁约束等离子体电子密度的重要技术方法。本发明主要包括晶体振荡器，六公分器，点频源，太赫兹倍频器，由二公分器、可编程微波开关、混频器、放大器、检波器和中央处理器组成的集成单元，微波波导，太赫兹相控阵天线和中央处理器。本发明的阵列可以通过在磁约束聚变装置中布置多个可灵活调节发射角度的太赫兹相控阵天线和可编程微波开关实现多个空间位置的分时测量，然后利用快速数值反演算法获取二维测量电子密度剖面，采用的时延方法特别合适用于未来大型磁约束聚变装置。

Description

基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列
技术领域
本发明属于磁约束受控核聚变等离子体诊断领域，涉及一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，是未来大型磁约束聚变装置中测量等离子体电子密度的重要技术。
背景技术
磁约束核聚变被广泛认为是最有希望从根本上解决能源问题的可行途径之一。科学研究表明，当等离子体温度T、电子密度ne和能约约束时间τE的三重积分满足阈值条件(不同种类等离子体反应具有不同阈值)时，聚变反应才能够输出能量并稳定自持下去。因此，电子密度ne是聚变工程最为关注的三个基本参数之一。为了测量电子密度信息，磁约束核聚变领域发展了激光干涉仪、微波反射计和微波干涉仪。激光干涉仪是目前测量电子密度的主流诊断，但其系统结构过于庞大，通常需要占据非常大的空间，不利于在未来大型磁约束聚变装置使用。微波反射计基于微波在等离子体中传播时因折射效应导致相位变化的原理，优点在于能够实现高空间分辨率的径向测量；缺点在于数据处理极其复杂不利于实时反馈。微波干涉仪测量原理与激光干涉仪基本相同，具有对等离子体无扰、结构比较简单及研制成本低等优点，是测量大型磁约束聚变装置等离子体电子密度的主要潜在诊断。未来燃烧等离子体具有能量约束时间长、电子密度高并且处于稳态运行状态的特点，这要求微波干涉仪的工作频率足够大，同时也意味着测量电子密度的时间分辨率可以不是很高。但在大型装置中，不同空间可能会发生不同的物理事件从而导致局域电子密度出现不同的响应，这要求诊断能够提供不同空间的数据信息。为了满足未来燃烧等离子体的测量要求，发展一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列具有重要意义。
发明内容
本发明针未来大型磁约束聚变中燃烧等离子体的特点提供一种基于时延方法测量电子密度剖面的微波干涉阵列的研制方案，其能够快速测量二维电子密度剖面从而揭示不同空间发生的物理事件。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，包括晶体振荡器1、六公分器2、点频源3、太赫兹倍频器4、集成单元5、微波波导6、太赫兹相控阵天线7和中央处理器8，其中集成单元5包括第一二公分器51和第二二公分器54、第一可编程微波开关52i和第二可编程微波开关52ii、太赫兹混频器53、放大器55、检波器56和采集器57，第一二公分器51和第二二公分器54两个输出端口记为i和ii。
晶体振荡器1的输出端与六公分器2的输入端连接，六公分器2的输出端与点频源3的输入端连接，点频源3的输出端与太赫兹倍频器4的输入端连接，太赫兹倍频器4的输出端与第一二公分器51输入端连接、第一二公分器51输出端i与第一可编程微波开关52i输入端连接，第一可编程微波开关52i输出端与太赫兹混频器53本振端相连，太赫兹混频器53输出端与放大器55输入端相连，放大器55输出端与检波器56输入端相连，检波器56输出端与采集器57相连；太赫兹混频器53射频端与第二二公分器54的输出端i连接，第二二公分器54的输入端与微波波导6连接，微波波导6另外一端与太赫兹相控阵天线7连接，太赫兹相控阵天线7与中央处理器8连接；同时，中央处理器8与第一可编程微波开关52i和第二可编程微波开关52ii及采集器57相连；第一二公分器51输出端ii和第二二公分器54输出端ii通过第二可编程微波开关52ii直接连接。
所述的点频源3、太赫兹倍频器4、集成单元5、微波波导6和太赫兹相控阵天线7均由六个子单元构成，并依次与六公分器2的六个输出端连接。
本发明利用一个晶体振荡器1、一个六公分器2和一个中央采集器8构建六个太赫兹微波干涉阵列，通过中央处理器8控制第一可编程微波开关52i和第二可编程微波开关52ii的开关状态及太赫兹相控阵天线7的发射角度并进行二维电子密度剖面的反演。
本发明的有益效果：本发明提供了一种结构简单、研制成本低太赫兹微波干涉阵列的研制方案。本发明能够分时地测量不同空间位置的电子线平均密度，并利用反演算法获取二维电子密度剖面。
附图说明
图1是本发明的一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列示意图。
图中：1晶体振荡器；2六公分器；3点频源；4太赫兹倍频器；5集成单元；6微波波导；7太赫兹相控阵天线；8中央处理器；
图2是本发明的一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列示意图中集成单元的子结构。
图中：51第一二公分器；52i第一可编程微波开关；52ii第二可编程微波开关；3太赫兹混频器；54第二二公分器；55放大器；56检波器；57采集器；
图3是a和d阵列发射微波在没有等离子体的D型真空室传播示意图。
具体实施方式
下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明的一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列组成如图1和图2所示，包括晶体振荡器1、六公分器2、点频源3、太赫兹倍频器4、集成单元5、微波波导6、太赫兹相控阵天线7和中央处理器8，其中集成单元5包括第一二公分器51和第二二公分器54、第一可编程微波开关52i和第二可编程微波开关52ii、太赫兹混频器53、放大器55、检波器56和采集器57。其中六公分器2六个输出端口分别记为a,b,c,d,e,f；第一二公分器51和第二二公分器54两个输出端口记为i和ii；点频源3、太赫兹倍频器4、集成单元5、微波波导6和太赫兹相控阵天线7均由六个子单元构成，并依次与六公分器2六个输出端连接；每个子单元中，六个点频源3分别记点频源3a～点频源3f；六个太赫兹倍频器4分别记为太赫兹倍频器4a～太赫兹倍频器4f；六个集成单元5分别记为集成单元5a～集成单元5f(其中，六个可编程微波开关52i分别记为可编程微波开关52ia～可编程微波开关52if；六个可编程微波开关52ii分别记为可编程微波开关52iia～可编程微波开关52iif，以此类推)；六个微波波导6分别记为微波波导6a～微波波导6f；六个太赫兹相控阵天线7分别记为太赫兹相控阵天线7a～太赫兹相控阵天线7f。
本实施例以a阵列(太赫兹相控阵天线7a作为发射，其他天线作接收)和d阵列(太赫兹相控阵天线7d作为发射，其他天线作接收)为例，具体如下：
第一步在没有等离子体的真空进行数据标定：
晶体振荡器1输出频率为100MHz的低频微波，经过六公分器2后分为六路。a路微波经过点频源3a后激发微波ωa，微波ωa经过太赫兹倍频器4a倍频至太赫兹波段微波，记为ωTa。中央处理器8给第二可编程微波开关52iia发送闭合指令，同时给第一可编程微波开关52ia发送断开指令(此时，同时给其他阵列的第一可编程微波开关52i发送闭合指令，但是给其他阵列的第二可编程微波开关52ii发送断开指令)，全部微波ωa经过微波波导6a和太赫兹相控阵天线7a后射入等离子体。中央处理器8给太赫兹天线相控阵天线7a发送改变发射角度指令(每1ms改变一个角度)，使得太赫兹天线相控阵天线7a发射角度依次对准其他五个太赫兹相控阵天线7(b-f)，其他五个相控阵天线接收到微波ωTa后，将此送入太赫兹混频器53(b-f)进行解调，其中频信号依次送入放大器54(b-f)、检波器55(b-f)和采集器57(b-f)，最后送入中央处理器8进行阈值检测，当采集的信号大于阈值时，认定为有效值，并分别记下测量时间t0a(五个阵列的时间分别记为tba,tca,tda,tea,tfa)。
d路微波经过点频源3d后激发微波ωd，微波ωd经过太赫兹倍频器4d倍频至太赫兹波段微波，记为ωTa。中央处理器8给第二可编程微波开关52iid发送闭合指令，同时给第一可编程微波开关52id发送断开指令(此时，同时给其他阵列的第一可编程微波开关52i发送闭合指令，但是给其他阵列的第二可编程微波开关52ii发送断开指令)，全部微波ωd经过微波波导6d和太赫兹相控阵天线7d后射入等离子体。中央处理器8给太赫兹天线相控阵天线7d发送改变发射角度指令(每1ms改变一个角度)，使得太赫兹天线相控阵天线7d发射角度依次对准其他五个相控阵天线7(a-c,e-f)，其他五个相控阵天线接收到微波ωTd后，将此送入太赫兹混频器53(a-c,e-f)进行解调，其中频信号依次送入放大器54(a-c,e-f)、检波器55(a-c,e-f)和采集器57(a-c,e-f)，最后送入中央处理器8进行阈值检测，当采集的信号大于阈值时，认定为有效值，并分别记下测量时间t0d(五个阵列的时间分别记为tad,tbd,tcd,ted,tfd)。
第二步在有等离子体的真空进行实验测量，其操作方式与第一步完全相同。但是由于微波在等离子体传播时具有折射效应，导致其传播路径与第一步不同，因而传播时间也不一样，a阵列的测量时间tpa记为tbap,tcap,tdap,teap,tfap；d阵列的测量时间tpd记为tadp,tbdp,tcdp,tedp,tfdp。第二部记录的时间与第一步记录的时间差dt＝tp-t0与入射微波对应的截止密度nc及电子线平均密度ne密切相关，三者关系为ne＝2nc/(1+t0/(tp-t0))。因此，可以根据两次测量的时间获取电子线平均密度信息。图3为a和d阵列实施效果示意图，不难发现两者阵列获得十个测量弦，即十个空间位置的电子线平均密度。中央处理器8利用层析数值算法对两个阵列的数据进行反演计算即可获取二维电子密度剖面。本发明为中央处理器8通过对六个阵列的数据(30个空间点，时间分辨率为30ms)同时进行计算，可获取高空间分辨率的二维电子密度信息。

Claims (1)

1.一种基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列，其特征在于，所述的基于时延法测量二维电子密度剖面的太赫兹微波干涉阵列包括晶体振荡器(1)、六公分器(2)、点频源(3)、太赫兹倍频器(4)、集成单元(5)、微波波导(6)、太赫兹相控阵天线(7)和中央处理器(8)，其中集成单元(5)包括第一二公分器(51)和第二二公分器(54)、第一可编程微波开关(52i)和第二可编程微波开关(52ii)、太赫兹混频器(53)、放大器(55)、检波器(56)和采集器(57)，第一二公分器(51)和第二二公分器(54)两个输出端口记为i和ii；
晶体振荡器(1)的输出端与六公分器(2)的输入端连接，六公分器(2)的输出端与点频源(3)的输入端连接，点频源(3)的输出端与太赫兹倍频器(4)的输入端连接，太赫兹倍频器(4)的输出端与第一二公分器(51)输入端连接、第一二公分器(51)输出端i与第一可编程微波开关(52i)输入端连接，第一可编程微波开关(52i)输出端与太赫兹混频器(53)本振端相连，太赫兹混频器(53)输出端与放大器(55)输入端相连，放大器(55)输出端与检波器(56)输入端相连，检波器(56)输出端与采集器(57)相连；太赫兹混频器(53)射频端与第二二公分器(54)的输出端i连接，第二二公分器(54)的输入端与微波波导(6)连接，微波波导(6)另外一端与太赫兹相控阵天线(7)连接，太赫兹相控阵天线(7)与中央处理器(8)连接；同时，中央处理器(8)与第一可编程微波开关(52i)和第二可编程微波开关(52ii)及采集器(57)相连；第一二公分器(51)输出端ii和第二二公分器(54)输出端ii通过第二可编程微波开关(52ii)直接连接；
所述的点频源(3)、太赫兹倍频器(4)、集成单元(5)、微波波导(6)和太赫兹相控阵天线(7)均由六个子单元构成，并依次与六公分器(2)的六个输出端连接。
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