CN118098648A - 测量托卡马克中4.6GHz低杂波平行折射率的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置，属于微波技术领域，包括真空侧的RF探针、耐高温稳相同轴电缆、同轴电极和大气侧的隔直器、衰减器、定向耦合器、环形电桥、采集系统。两个射频探针放置在刮削层内，圆环与纵场所在平面平行。由两个射频探针耦合的低杂波经耐高温同轴电缆、同轴电极传出真空室，然后经隔直器、衰减器分别接入环形电桥的第一、第二端口。在接入环形电桥第一、第二端口前的信号与环形电桥第三端口处的信号经定向耦合器、检波器接入采集系统，测量功率P 1、P 2和P 3随时间的演化。本发明为研究低杂波实验中N ||变化提供有力数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体是一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置。
背景技术
未来聚变堆稳态运行需要外部手段提供电流驱动，而低杂波电流驱动（LHCD）是所有非感应电流驱动方式中驱动效率最高的，因此常常在现有托卡马克装置上被用于维持长脉冲稳态运行。平行折射率是影响低杂波在等离子体中传播、吸收、和驱动效率的一个关键参数。平行折射率定义为，是指与托卡马克纵场Bt平行的分量，/>为平行纵场方向的波数，c为真空中光速，/>为低杂波圆频率。一般情况下，平行折射率/>都是通过波与等离子体耦合程序计算模拟得到，缺少实验测量。更重要的是，计算得到的仅仅是天线口发射出来的平行折射率/>，当波在刮削层中传播时，由于波散射和参量衰变等效应，平行折射率/>会发生变化，从而导致低杂波驱动效率比理论值要低很多。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置，可以测量低杂波电流驱动实验中实际的平行折射率，从而为低杂波电流驱动实验中平行折射率的测量和电流驱动效率反常下降机理研究提供有力数据支撑。
为达到上述目的，本发明是采用如下技术方案：
一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置，包括第一RF圆环探针和第二RF圆环探针、耐高温稳相同轴电缆、同轴电极、隔直器、衰减器、定向耦合器、检波器、匹配负载、环形电桥和采集系统；所述耐高温稳相同轴电缆包括外导体和内导体；第一RF圆环探针和第二RF圆环探针具有间距，放置在刮削层等离子体中，通过法拉第感应耦合的低杂波，经过耐高温稳相同轴电缆、同轴电极、隔直器、衰减器后分别接入环形电桥的第一端口和第二端口；在接入环形电桥的第一端口和第二端口前的两路低杂波信号分别经过定向耦合器，同时环形电桥的第三端口处合成的射频信号经过检波器，分别获得三个功率值，最后由采集系统进行数据采集并存储。
进一步地，两个相同的第一RF圆环探针和第二RF圆环探针由耐高温稳相同轴电缆的内导体绕制而成，并焊接在外导体上；第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的绕制方向相同；所述第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的半径均为1 mm，第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的圆环与纵场方向所在平面平行，第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的圆环的圆心间距为6 mm。
进一步地，所述环形电桥具有四个端口，四个端口间产生的相位差满足：第一端口-第三端口间、第三端口-第二端口间、第二端口-第四端口间的电长度为4.6 GHz 射频波波长的1/4，相位差为90度；第一端口-第四端口间的电长度为4.6 GHz 射频波波长的3/4，相位差为270度。
有益效果：
本发明可以测量低杂波电流驱动实验中实际平行折射率值，从而为研究边界等离子体参数，如密度、温度分布及湍流对平行折射率的影响提供有力数据支撑，有助于理解低杂波电流驱动效率反常下降机理。
附图说明
图1为本发明的一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置的结构示意图。
图2为第一RF圆环探针和第二RF圆环探针耦合的低杂波电场在环形电桥端口处的叠加矢量图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明的一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置包括第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b、耐高温稳相同轴电缆、同轴电极4、隔直器5、衰减器6、定向耦合器7、检波器8、匹配负载9、环形电桥10和采集系统11。所述耐高温稳相同轴电缆包括外导体为2和内导体为3。
两个相同的第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b由二氧化硅同轴线内导体3（不锈钢材质）绕制而成，并焊接在外导体2上（同样为不锈钢材质），其半径为1 mm。圆环的大小决定耦合信号强弱，但太大会增加圆环之间距离，从而降低平行折射率测量的上限值。第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b的绕制方向相同，以确保耦合的低杂波相位差来自圆环之间的距离。第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b的圆心间距为d = 6 mm，可以分辨平行方向波长大于2d = 12 mm的低杂波相位差，对应可测量的上限平行折射率/>约为5.4。由于低杂波为准静电波，其扰动电场/>平行于纵场方向，扰动磁场/>垂直于纵场方向，因此，圆环应与纵场方向所在平面平行，这样扰动磁场穿过圆环产生的磁通才会最大。
第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b放置在刮削层等离子体中，第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b的半径均为r。低杂波从波导阵列天线发射出来后，首先经过刮削层，然后传播进入主等离子体区域。通过第一RF圆环探针1a和第二RF圆环探针1b耦合的低杂波，经过真空侧的耐高温稳相同轴电缆、同轴电极 4、大气侧的隔直器5、衰减器6后分别接入环形电桥10的第一端口和第二端口。在接入环形电桥10的第一端口和第二端口前的两路低杂波信号，及环形电桥10的第三端口处合成的射频信号，分别经定向耦合器7、检波器8，分别获得的功率值为P1、P1、P3，最后由采集系统11进行数据采集并存储。由于环形电桥10的四个端口间产生的相位差满足：第一端口-第三端口间、第三端口-第二端口间、第二端口-第四端口间的相位差为90度，第一端口-第四端口间的相位差为270度，因此，第三端口处合成的射频波电场矢量与第一端口和第二端口处输入的射频波电场矢量/>和/>有如下关系，如图2所示：
(1)
其中，E1、E2、E3分别为电场矢量、/>、/>的幅值，/>为电场矢量/>和电场矢量/>之间的相位差。由于测量的功率P正比于电场幅值E的平方，即/>，，/>，这里P1、P2、P3为采集系统11采集的测量值。因此，可以通过以下表达式计算得到环形电桥10的第一端口和第二端口处的射频波相位差/>：
(2)
由于此公式只能给出环形电桥10的第一端口和第二端口处的射频波相位差，并不能确定哪一支波的相位超前或滞后。因此，第一RF圆环探针1a到环形电桥10的第一端口之间的本底相位与第二RF圆环探针1b到环形电桥10的第二端口之间的本底相位务必相同。这种情况下通过公式（2）求得的射频波相位差即为第一RF圆环探针1a、第二RF圆环探针1b处的低杂波相位差。最后通过以下公式便可以得到低杂波的平行折射率N||：
(3)
其中， 为低杂波平行波数，c = 3 × 108 ms-1为光速，为低杂波圆频率，d = 6 mm，/>为采集系统11采集的测量值P1、P1、P3的函数。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置，其特征在于，包括第一RF圆环探针和第二RF圆环探针、耐高温稳相同轴电缆、同轴电极、隔直器、衰减器、定向耦合器、检波器、匹配负载、环形电桥和采集系统；所述耐高温稳相同轴电缆包括外导体和内导体；第一RF圆环探针和第二RF圆环探针具有间距，放置在刮削层等离子体中，通过法拉第感应耦合的低杂波，经过耐高温稳相同轴电缆、同轴电极、隔直器、衰减器后分别接入环形电桥的第一端口和第二端口；在接入环形电桥的第一端口和第二端口前的两路低杂波信号分别经过定向耦合器，同时环形电桥的第三端口处合成的射频信号经过检波器，分别获得三个功率值，最后由采集系统进行数据采集并存储。
2.根据权利要求1所述的一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置，其特征在于，两个相同的第一RF圆环探针和第二RF圆环探针由耐高温稳相同轴电缆的内导体绕制而成，并焊接在外导体上；第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的绕制方向相同；所述第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的半径均为1 mm，第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的圆环与纵场方向所在平面平行，第一RF圆环探针和第二RF圆环探针的圆环的圆心间距为6 mm。
3.根据权利要求1所述的一种测量托卡马克中4.6 GHz低杂波平行折射率的装置，其特征在于，所述环形电桥具有四个端口，四个端口间产生的相位差满足：第一端口-第三端口间、第三端口-第二端口间、第二端口-第四端口间的电长度为4.6 GHz 射频波波长的1/4，相位差为90度；第一端口-第四端口间的电长度为4.6 GHz 射频波波长的3/4，相位差为270度。
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