CN114945238B - 一种多功能太赫兹集成诊断系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能太赫兹集成诊断系统，主要由晶体振荡器、点频源、太赫兹倍频器、单通道太赫兹谐波混频器、四通道太赫兹谐波混频器、功分器、放大器、混频器、太赫兹天线、聚焦透镜组、极化器、分光板、正交解调器组成。本发明的优点在于通过共用的发射系统有效地将干涉仪、散射仪和偏振仪集成起来，同时具备电子密度、密度扰动和法拉第旋转角的测量功能，既可以满足平衡参数的测量又可以满足不同尺度扰动量的测量，特别适用于磁约束聚变等离子体领域。

Description

一种多功能太赫兹集成诊断系统
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，涉及一种多功能太赫兹集成诊断系统，其将干涉仪、散射仪和偏振仪有效结合起来，能够同时测量电子密度，法拉第旋转角及不同尺度湍流导致的电子密度扰动，是测量等离子体参数的重要技术方法。
背景技术
等离子体中存在大量不同类型的磁流体不稳定性，根据它们的特征长度可分为宏观不稳定性(特征长度与聚变装置小半径处于同一量级)、介观不稳定性(特征长度与高能量粒子拉莫尔回旋半径处于同一量级)和微观不稳定性(特征长度通常小于热离子拉莫尔回旋半径)。宏观不稳定性和介观不稳定性通常可以利用磁探针、软X射线阵列、微波/激光干涉仪，反射计，重离子探针及电子回旋辐射计等多种手段测量；微观不稳定性主要利用多普勒反射计、束光谱仪及微波/激光散射仪测量。磁流体不稳定性可分为电流驱动和压强驱动。因此，电流分布的测量对开展磁流体不稳定性研究至关重要。目前用于测量电流分布诊断主要是激光偏振仪，其工作原理是通过将线偏振光分成左旋和右旋两部分并分别求取振幅或者相位，通过比较振幅或者相位获取法拉第旋转角，然后通过法拉第旋转角与电流的关系确定电流信息。微波和激光都具备同时测量不同尺度不稳定性的能力，在世界范围内已有多个聚变装置利用不同的诊断测量不同测度的磁流体不稳定性，但是目前尚未有能够同时测量不同尺度的诊断。随着太赫兹技术的发现，固态源的频率越来越高，这使得太赫兹微波具备测量法拉第旋转角的能力。在未来聚变堆中，诊断窗口非常有效，这要求多套诊断系统集成在一起。
发明内容
为解决上述问题，本发明基于磁约束聚变等离子体物理测量需求，提供一种多功能太赫兹集成诊断系统。
本发明采用的技术方案如下：
一种多功能太赫兹集成诊断系统，包括晶体振荡器1、第一点频源2、太赫兹倍频器3、第一太赫兹天线4、分光板5、第二太赫兹天线6、第一单通道太赫兹谐波混频器7、放大器8、第二点频源9、第一混频器10、第一倍频器11、正交解调器12、第二混频器13、第二倍频器14、第一四功分器15、正交解调器阵列16、第二四功分器17、四通道太赫兹谐波混频器18、太赫兹天线阵列19、聚焦透镜组20、第三点频源21、极化器22、第三太赫兹天线23、第二单通道太赫兹谐波混频器24、第四太赫兹天线25、第三单通道太赫兹谐波混频器26、二功分器27和实时振幅处理器28，具体连接方式如下：
晶体振荡器1的输出端a与第一点频源2输入端连接，第一点频源2输出端a与太赫兹倍频器3输入端连接，太赫兹倍频器3输出端与第一太赫兹天线4连接；第一太赫兹天线4发射的太赫兹波，一部分直接穿透等离子体进入分光板5，一部分被等离子体散射后进入聚焦透镜组20；分光板5位于第一太赫兹天线4和第二太赫兹天线6之间，不与两者直接相连，经分光板5反射的太赫兹波由第二太赫兹天线6接收，第二太赫兹天线6与第一单通道太赫兹谐波混频器7输入端连接，第一单通道太赫兹谐波混频器7输出端与放大器8输入端连接，放大器8输出端与正交解调器12射频端连接；
晶体振荡器1的输出端b与第二点频源9输入端连接，第一点频源2的输出端口b和第二点频源9输出端b分别与第一混频器10的本振端和射频端连接，第一混频器10的输出端与第一倍频器11的输入端连接，第一倍频器11的输出端与正交解调器12的本振端连接；
晶体振荡器1的输出端c与第三点频源21输入端连接，第三点频源21的输出端a和第一点频源2输出端c分别与第二混频器13的本振端和射频端连接，第二混频器13的输出端与第二倍频器14的输入端连接，第二倍频器14的输出端与第一四功分器15的输入端连接，第一四功分器15的四个输出端与正交解调阵列16的本振端连接，正交解调阵列16的射频端与第二四功分器17的输出端连接，第二四功分器17的输入端与四通道太赫兹谐波混频器18输出端连接，四通道太赫兹谐波混频器18的本振端和射频端分别与第三点频源21的输出端b和太赫兹天线阵列19连接，太赫兹天线阵列19前端是聚焦透镜组20，两者不直接相连，聚焦透镜组20接收第一太赫兹天线4发出的太赫兹波经过等离子体散射后产生的前向散射信号；
第二点频源9的端口c与二功分器27的输入点连接，二功分器27的两个输出端分别与第二单通道太赫兹谐波混频器24和第三单通道太赫兹谐波混频器26的本振端连接，第二单通道太赫兹谐波混频器24的射频端和第三太赫兹天线23连接，第三单通道太赫兹谐波混频器26射频端与第四太赫兹天线25连接，第三太赫兹天线23和第四太赫兹天线25前端是极化器22(三者不直接相连)，极化器22前端是分光板5(两者不直接相连)，经分光板5透射的太赫兹波进入极化器22，第二单通道太赫兹谐波混频器24和第三单通道太赫兹谐波混频器26的中频端分别与实时振幅处理器28连接。
本发明的有益效果：本发明通过共用的发射系统有效地将干涉仪、散射仪和偏振仪集成起来，同时具备电子密度、密度扰动和法拉第旋转角的测量功能，既可以满足平衡参数的测量又可以满足不同尺度扰动量的测量，特别适用于磁约束等离子体物理研究。
附图说明
图1是本发明的一种多功能太赫兹集成诊断系统的示意图。
图中：1晶体振荡器；2第一点频源；3太赫兹倍频器；4第一太赫兹天线；5分光板；6第二太赫兹天线；7第一单通道太赫兹谐波混频器；8放大器；9第二点频源；10第一混频器；11第一倍频器；12正交解调器；13第二混频器；14第二倍频器；15第一四功分器；16正交解调器阵列；17第二四功分器；18四通道太赫兹谐波混频器；19太赫兹天线阵列；20聚焦透镜组；21第三点频源；22极化器；23第三太赫兹天线；24第二单通道太赫兹谐波混频器；25第四太赫兹天线；26第三单通道太赫兹谐波混频器；27二功分器；28实时振幅处理器。
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。
本发明的一种多功能太赫兹集成诊断系统组成如图1所示，可视为干涉仪、散射仪和偏振仪的有机集合，其中干涉仪由晶体振荡器1、第一点频源2、太赫兹倍频器3、第一太赫兹天线4、分光板5、第二太赫兹天线6、第一单通道太赫兹谐波混频器7、放大器8、第二点频源9、第一混频器10、第一倍频器11和正交解调器12组成，主要用于测量电子密度和大尺度不稳定性；散射仪由晶体振荡器1、第一点频源2、太赫兹倍频器3、第一太赫兹天线4、第二混频器13、第二倍频器14、第一四公分器15、正交解调器阵列16、第二四功分器17、四通道太赫兹谐波混频器18、太赫兹天线阵列19、聚焦透镜组20和第三点频源21组成，主要用于测量小尺度不稳定性；偏振仪由晶体振荡器1、第一点频源2、太赫兹倍频器3、第一太赫兹天线4、分光板5、第二点频源9、极化器22、第三太赫兹天线23、第二单通道太赫兹谐波混频器24、第四太赫兹天线25、第三单通道太赫兹谐波混频器26、二公分器27和实时振幅处理器28组成，主要用于测量法拉第旋转角。所述干涉仪、散射仪和偏振仪共用一套发射系统，包括晶体振荡器1、第一点频源2、太赫兹倍频器3、第一太赫兹天线4，从而实现高度集成。
所述晶体振荡器1主要用于三套系统的测量信号和参考信号锁相从而保证集成诊断不受初始相位的影响，要求输出功率足够高；
所述第一点频源2、第二点频源9和第三点频源21主要用于驱动太赫兹倍频器3、四通道太赫兹谐波混频器18和第一单通道太赫兹谐波混频器7，其输出频率和功率具有严格要求，保证不能烧坏前端器件；
所述太赫兹倍频器3主要用于扩展微波频率，使得集成诊断工作在太赫兹频率范围内，要求其输出功率不小于20W；
所述第一太赫兹天线4、第二太赫兹天线6、第三太赫兹天线23、第四太赫兹天线25和太赫兹天线阵列19主要用于发射和接收太赫兹波，要求具有增益高，方向性好；其中，第一太赫兹天线4发射的太赫兹波，可以直接穿透等离子体，此时可用于干涉仪和偏振仪的测量，也可以被等离子体散射，通过光学优化可用于散射仪测量，即通过聚焦透镜组20进行汇聚进入散射仪；
所述分光板5将太赫兹波分为反射和透射两部分，其中反射一路经过第二太赫兹天线6分配给干涉仪，透射一路经过极化器22分配给偏振仪，要求保证分化的两路太赫兹波具有相同的强度；
所述正交解调器12主要用于获取干涉仪的正交信号，为相位提取和电子密度测量提供数据；
所述正交解调阵列16主要用于获取散射仪的正交信号，为小尺度不稳定性测量提供数据；
所述聚焦透镜组20主要用于汇聚来自不同角度的散射信号并使得散射信号能够被太赫兹天线阵列接收，可以由多组透镜构成，要求具有四个聚焦点，具体参数可根据需要设计，形成四束聚焦光束后分别输入太赫兹天线阵列19；但是聚焦透镜组20部分特征取决于太赫兹天线阵列19，聚焦透镜组20主要用于接收第一太赫兹天线4发出的太赫兹波经过等离子体散射后产生前向散射信号；
所述极化器22主要用于将线偏振太赫兹波分解为左旋波和右旋波，并使得左旋波反射，右旋波透射，要求损耗不能高于3dB，其中反射光路输入第三太赫兹天线23，透射光路输入第四太赫兹天线25；
所述振幅实时处理器28主要用于提取左旋波和右旋波的振幅，并对两个振幅进行比较，为偏振仪测量法拉第旋转角提供数据。

Claims (1)

1.一种多功能太赫兹集成诊断系统，其特征在于，所述的系统包括晶体振荡器（1）、第一点频源（2）、太赫兹倍频器（3）、第一太赫兹天线（4）、分光板（5）、第二太赫兹天线（6）、第一单通道太赫兹谐波混频器（7）、放大器（8）、第二点频源（9）、第一混频器（10）、第一倍频器（11）、正交解调器（12）、第二混频器（13）、第二倍频器（14）、第一四功分器（15）、正交解调器阵列（16）、第二四功分器（17）、四通道太赫兹谐波混频器（18）、太赫兹天线阵列（19）、聚焦透镜组（20）、第三点频源（21）、极化器（22）、第三太赫兹天线（23）、第二单通道太赫兹谐波混频器（24）、第四太赫兹天线（25）、第三单通道太赫兹谐波混频器（26）、二功分器（27）和实时振幅处理器（28），具体连接方式如下：
晶体振荡器（1）的输出端a与第一点频源（2）输入端连接，第一点频源（2）输出端a与太赫兹倍频器（3）输入端连接，太赫兹倍频器（3）输出端与第一太赫兹天线（4）连接；第一太赫兹天线（4）发射的太赫兹波，一部分直接穿透等离子体进入分光板（5），一部分被等离子体散射后进入聚焦透镜组（20）；分光板（5）位于第一太赫兹天线（4）和第二太赫兹天线（6）之间，经分光板（5）反射的太赫兹波由第二太赫兹天线（6）接收，第二太赫兹天线（6）与第一单通道太赫兹谐波混频器（7）输入端连接，第一单通道太赫兹谐波混频器（7）输出端与放大器（8）输入端连接，放大器（8）输出端与正交解调器（12）射频端连接；
晶体振荡器（1）的输出端b与第二点频源（9）输入端连接，第一点频源（2）的输出端口b和第二点频源（9）输出端b分别与第一混频器（10）的本振端和射频端连接，第一混频器（10）的输出端与第一倍频器（11）的输入端连接，第一倍频器（11）的输出端与正交解调器（12）的本振端连接；
晶体振荡器（1）的输出端c与第三点频源（21）输入端连接，第三点频源（21）的输出端a和第一点频源（2）输出端c分别与第二混频器（13）的本振端和射频端连接，第二混频器（13）的输出端与第二倍频器（14）的输入端连接，第二倍频器（14）的输出端与第一四功分器（15）的输入端连接，第一四功分器（15）的四个输出端与正交解调器阵列（16）的本振端连接，正交解调器阵列（16）的射频端与第二四功分器（17）的输出端连接，第二四功分器（17）的输入端与四通道太赫兹谐波混频器（18）输出端连接，四通道太赫兹谐波混频器（18）的本振端和射频端分别与第三点频源（21）的输出端b和太赫兹天线阵列（19）连接，太赫兹天线阵列（19）前端是聚焦透镜组（20），两者不直接相连，聚焦透镜组（20）接收第一太赫兹天线（4）发出的太赫兹波经过等离子体散射后产生的前向散射信号；
第二点频源（9）的端口c与二功分器（27）的输入点连接，二功分器（27）的两个输出端分别与第二单通道太赫兹谐波混频器（24）和第三单通道太赫兹谐波混频器（26）的本振端连接，第二单通道太赫兹谐波混频器（24）的射频端和第三太赫兹天线（23）连接，第三单通道太赫兹谐波混频器（26）射频端与第四太赫兹天线（25）连接，第三太赫兹天线（23）和第四太赫兹天线（25）前端是极化器（22），极化器（22）前端是分光板（5），经分光板（5）透射的太赫兹波进入极化器（22），第二单通道太赫兹谐波混频器（24）和第三单通道太赫兹谐波混频器（26）的中频端分别与实时振幅处理器（28）连接。
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