高溫等離子體微波診斷講座匯總

1、高溫等離子體微波診斷講座高溫等離子體微波診斷講座丁玄同核工業(yè)西南物理研究院2007.8.13， 四川 成都2007年等離子體物理暑期講習班高溫等離子體微波診斷綜述高溫等離子體微波診斷綜述_1M.A.Heald， C.B.Wharton “Plasma Diagnostics with Microwave”（1966）2項志遴，俞昌旋 “高溫等離子體診斷”上海科技出版社 (1982)微波干涉微波干涉 Ne電子回旋輻射電子回旋輻射 Te (r,t), Te ( r,t), e e V 微波反射微波反射微波掃頻反射微波掃頻反射 Ne (r,t), Ne (r,t), D , V 微波相關反射微波相關

2、反射 n ( , k) （k 20cm-1）微波散射微波散射微波多勃勒反射微波多勃勒反射 V = E x B , Ne （k 20cm-1）第一課第一課電子回旋輻射診斷技術及其應用電子回旋輻射診斷技術及其應用2007年等離子體物理暑期講習班帶電粒子在磁場中，由于受lorents力（qv x B）的作用而作螺旋運動。作螺旋運動的電子在電子回旋共振層激發(fā)在電子回旋頻率的電磁波在高溫等離子體中，電子回旋輻射如果滿足黑體輻射條件。它的發(fā)射強度和等離子體電子溫度成正比。在托卡馬克中回旋輻射及高次諧波的頻率范圍是：50-500GHz電子回旋輻射（電子回旋輻射（ECE）基本原理）基本原理1 2)()(2ex

3、ceekTcnIecen黑體輻射條件黑體輻射條件Te-Ne (=1)(HL-2A)0.002.004.006.008.0010.0012.0014.0016.0018.0020.000.001.002.003.004.005.006.00Ne (1013cm-3)Te (100eV)B=0.5teslaB=1.0TeslaB=1.5 TeslaB=2.0 TeslaB=2.2 TeslaB=2.5 TeslaB=3.0 TeslaB=3.5 Tesla等離子體的光學厚度由電子溫度、密度及大半徑?jīng)Q定。對于諧波數(shù)n1的電子回旋輻射，在垂直于磁場方向上傳播，X模的光學厚度可以由下面的公式給出:drr

4、dBrBcmrkTrrnnnneecepenceex)()(2)()()()!1()(1222222)(GHznmeneeepe2/12/1020 . 921式中 托卡馬克上電子回旋輻射各次諧波光學厚度分布情況電子回旋輻射電子回旋輻射 截止和共振層的影響截止和共振層的影響托卡馬克典型參數(shù)下的主要共振層和截置.Bt=B0R0/R、ne= n0(1-(r/a)2)ECE的X模二次諧波頻率2避開了等離子體中所有的共振層和截止層。所以在滿足上述條件下，電子回旋輻射強度與局部電子溫度成正比，即，它是ECE測量的基礎。cepeULRce2/1224112cepeceR2/1224112cepeceL2/1

5、22cepeUH截止頻率共振頻率電子回旋輻射的頻譜加寬機制：1） 磁場加寬2） 相對論加寬3） 多勃勒加寬4） 渡越時間加寬5） 碰撞加寬6） 等離子體色散效應加寬7） 自吸收加寬電子回旋輻射基本原理電子回旋輻射基本原理F = e B (r) / m + v/ k/電子回旋輻射測量的主要方法電子回旋輻射測量的主要方法掃頻外差接收機掃頻外差接收機多道外差接收機多道外差接收機邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀法法 彼干涉儀彼干涉儀電子回旋輻射成象電子回旋輻射成象掃頻外差接收機用于電子溫度測量的用于電子溫度測量的2mm2mm掃頻外差接收機掃頻外差接收機 隔離器 前置盒 混頻器 波導開關 100MHz 1F

6、 1.5GHz 1F 視探 視放 AD1 模數(shù)/數(shù)模接口 PC計算機 DA2 隔離器 頻率校準源 法蘭轉換 2mm3cm 過渡波導 3cm 波導 電隔離器 接收天線 極化硼 HL-2A窗口 等離子體 本振源（BWO）117GHz-181GHz 控制單元 TTL(5V) 觸發(fā)信號 主要部件：主要部件：寬帶微波掃頻源（返波管BWO）2mm 混頻器寬帶中頻放大器（1.5-3 GHz）極化器接收天線檢波器視頻放大器空間分辨和測量靈敏度主要由中頻放大器確定時間分辨主要由掃頻源確定掃頻外差和多道外差接收機實物圖掃頻外差和多道外差接收機實物圖寬帶微波掃頻源（返波管BWO）2mm 混頻器寬帶中頻放大器（1.5

7、-3 GHz）檢波器視頻放大器多道外差接收機多道外差接收機主要部件：主要部件：單邊帶寬帶微波濾波器2mm 1級混頻器寬帶微波放大器（1。5 24 GHz）16道功率分配器16道2級混頻器16到中頻放大器和視頻放大器Amp 20.1-24.2Att 20.1-24.1Amp 20.3-24.3Sw 20.1-24.1Bpf 20.1-24.1Bpf 20.2-24.2Sw 20.2-24.2G 20.1-24.1Det 20.1-24.1Amp 20.5-24.5Lpf 20.1-24.1Amp 20.3-24.6Amp 20.7-24.7Power connector 15VMix20.1-2

8、4.1Rejector 20.1-24.1Amp20.1-24.1多道外差接收機多道外差接收機邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀動鏡定鏡分光柵接收器液氦杜瓦InSb探測器邁克爾遜干涉儀的構造邁克爾遜干涉儀的構造一個完整的邁克爾遜測量系統(tǒng)需由以下各部分組成：1）干涉儀系統(tǒng)（機械部分）由一個分光器和兩塊反射鏡組成，其中一塊反射鏡的位置固定，稱為靜鏡，另一塊反射鏡位置可平行移動，稱為動鏡。 ；2）探測器（包括液氦液氮冷卻系統(tǒng)）；3）莫爾條紋測距系統(tǒng)；4）計算機接口電路；5）邁克爾遜干涉儀調(diào)試、運行控制系統(tǒng)。邁克爾干涉儀向計算機輸進兩個主要數(shù)據(jù)，一個是干涉儀的干涉信號，另一個是動鏡的位移。前者是由一個銻化銦

9、探測器接收到的，后者可用一個莫爾光柵條進行測量，亦可用另一路He-Ne激光干涉儀來測距。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀的基本原理邁克爾遜干涉儀的基本原理 在邁克爾遜干涉儀中, 當一束波通過分光器后，即分成強度相同的兩束波，分別射向動鏡M1和靜鏡M2，反射后通過分束器由探測器接收。如果入射波被分成兩束強度為S的波，而這路波的程差為，那么在探測器上可以得到這兩束波的總強度為： I (y) =S ()1+cos ( 2y )/c其中為入射波頻率，若在上式中用波數(shù) k = 2 /c 代為, 得： I (y) = S () 1+cos (k y)如果入射波不是單色的，則得： I (y) =

10、這兒是當兩路程差為零時的強度。 I (y)是一個偶函數(shù)，由付氏理論的余弦變換以上方程可變換為： S(k) =這個式子就是付氏譜儀的基本關系。a0k y)d(k cos1 (k) Sa0y (ky)d cos I(0)/2 - (y) 4I 實際上不可能測到有無窮大 y 值的干涉譜，干涉儀的動鏡總是在一個有限范圍內(nèi)移動的，設它的最大移動 幅度為ymax。可以得到一個實際條件下的近似的頻譜： S(k) = 有限掃描幅度對于譜的頻率分辨率有影響，一般可以認為： = 1/ y max 儀器的頻率分辨和其他參數(shù)，比如入射孔徑、入射波長也有關。由（4）式可知，對輻射波的干涉信號進行付氏變換即可獲得輻射頻譜

11、。但由于干涉信號是不規(guī)則的復雜的波形，所以這種變換必須用計算機來實現(xiàn)。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀max0y (ky)d cos1 I(0)/2 - (y) 4Iy液氦杜瓦InSb探測器固定柵網(wǎng)聚焦鏡波導波導振動機構振動柵網(wǎng)反射鏡法布里 坡羅干涉儀是基于多波束干涉。 微波法布里 坡羅干涉儀由兩塊柵網(wǎng)組成。其中一塊是固定柵網(wǎng)，另一塊是可以動的柵網(wǎng)。波進入柵網(wǎng)后，在其間反復多次反射。在固定柵網(wǎng)每反射一次，就有一部分波透過，從而形成多束透射波的干涉信號。接收和信號分析原理和邁克爾遜干涉儀相同。法法 彼干涉儀彼干涉儀電子回旋輻射成象電子回旋輻射成象電子回旋輻射成像系統(tǒng)是當前最先進的等離子體診斷之一，該

12、系統(tǒng)可以分為四個大部件：準光學聚焦系統(tǒng)，天線和混頻器陣列，反波管掃頻微波源，中頻和視頻放大系統(tǒng)。它的基本構造如下圖所示。其中準光學聚焦系統(tǒng)由3個大型的聚焦透鏡組成可以將一條垂直弦上的各點的ECE輻射聚焦到天線陣列上，要求使用高密度聚乙烯材料進行加工。 電子回旋輻射成象電子回旋輻射成象 ECEI ECE診斷可以通過測量ECE輻射的頻譜分布來獲得電子溫度在大半徑R方向上的分布，但是在垂直方向上的電子溫度分布卻無法獲得。所以ECER診斷是一個一維的診斷。ECEI成像診斷通過使用垂直排列的肖特基二極管混頻天線接受陣列和成像光學系統(tǒng)來實現(xiàn)了這一垂直方向上的分辨，實現(xiàn)了由一維診斷到二維診斷的飛躍，并獲得較

13、高的空間分辨（約1cm)。通過改變本振頻率或者托卡馬克的縱場就可以使取樣點掃過等離子體的橫截面，從而可以獲得電子溫度極其漲落的一個二維分布。等離子體芯部的極向與徑向波數(shù)及電子溫度漲落的相關長度也都可以通過恰當?shù)匕才懦上裣到y(tǒng)平面的位置來獲得。由于這些優(yōu)點，ECEI診斷就成為了電子溫度漲落測量的一個理想的工具。電子回旋輻射成象電子回旋輻射成象ZMixer/Receiver ArrayTo Thomson ScatteringBWOImaging Lenses 電子回旋輻射成像系統(tǒng)基本構造E 天線和混頻器陣列結構電子回旋輻射成象電子回旋輻射成象0.811.21.41.6336.6337.2337.8

14、338.4Te (keV)Time (ms)電子回旋輻射成像系統(tǒng)得到的時間變化（左圖）和二維的空間分布圖（右圖）在在 TEXTR上的上的ECE I 2D ECE Imaging at TEXTOR High resolution electron temperature measurements128 channels (16 x 8)Spatial resolution (1 cm x 1 cm)Time resolution = 5 msec.Sampling matrix can be positioned at various locations in the plasma by ch

15、anging LO frequencyV. Udintsev et al., Plasma Phys. Control. Fusion47 (2005) 1111.各種方法的使用范圍 儀器儀器掃頻外差機掃頻外差機多道外差機多道外差機邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀法法 彼干涉儀彼干涉儀時間分辨時間分辨1 3 ms 5s10-20ms (掃頻掃頻) 10-20ms (掃頻掃頻) 5s頻率分辨頻率分辨1 3GHz100MHz15GHz15GHz空間分辨空間分辨 2cm 8cm 8cm頻率范圍頻率范圍 180 GHz 180GHz60 600 GHz120-180 GHz接收器件接收器件肖特基二極管肖特

16、基二極管肖特基二極管肖特基二極管InSbInSb性能性能掃頻外差接收機掃頻外差接收機 中等時間和空間分辨，中等頻率范圍。 適用于中小裝置穩(wěn)態(tài)及大型裝置局部的電子溫度時空分布測量。多道外差接收機多道外差接收機 高時間分辨和空間分辨， 中等頻率范圍。 適用于電子溫度擾動時空分布測量，比如溫度鋸齒，MHD振蕩，熱脈沖傳播等。也適用于局部電子溫度時空分布測量，比如ITB。邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀 較低的時間和空間分辨， 寬的頻率范圍。 適用于大型裝置穩(wěn)態(tài)的電子溫度時空分布測量。ECE高次波譜分析法法 彼干涉儀彼干涉儀 較低的時間和空間分辨。 適用于大型裝置穩(wěn)態(tài)的電子溫度局部時空分布測量電子回旋輻射

17、成象電子回旋輻射成象 高的時間分辨 ， 二維溫度測量 適用于二維溫度時空分布測量，電子溫度擾動時空分布測量，比如溫度鋸齒，MHD振蕩，熱脈沖傳播等各種方法的使用范圍溫度測量的絕對和相對標定溫度測量的絕對和相對標定 由于ECE系統(tǒng)本振源在不同輸出頻率下有不同的輸出功率，且系統(tǒng)對在不同頻率下的輻射強度增益也是不相同的，所以必須對系統(tǒng)進行標定。標定實驗主要包括頻幅特性校準（雙溫度法）、頻率校準和傳輸系統(tǒng)衰減特性測量等。雙溫度標定法雙溫度標定法 ECE系統(tǒng)測量的溫度可利用微波噪聲管作為標準管進行絕對的標定，但這樣的絕對標定一般是比較困難的。因此，一般是利用該測量來測定的相對分布隨時間的變化，而其溫度絕

18、對值則是通過與湯姆遜散射或軟X射線輻射能譜等診斷測量的絕對溫度相比較而獲得的。Ih = Sh + nIL = SL + nIh IL = Sh SL ShECE 在物理實驗中的應用在物理實驗中的應用電子溫度及時空分布測量電子溫度及時空分布測量電子熱輸運研究電子熱輸運研究磁流體不穩(wěn)定性研究磁流體不穩(wěn)定性研究高能電子物理研究高能電子物理研究HL-1MHL-2A電子溫度及時空分布測量電子溫度及時空分布測量 電子溫度剖面不變性電子溫度剖面不變性1eTeeTeTLTRL與裝置及等離子體參數(shù)無關312(),():1()ieexeee ceeITBDETGKETGStreamerETGRRC TRTTTTe

19、在某些內(nèi)部輸運壘和均降到新經(jīng)典值仍是反常的可能的湍流模電子溫度梯度模動力學模擬表明存在徑向拉長的湍流渦旋不穩(wěn)定性存在閾值電子溫度及時空分布測量電子溫度及時空分布測量 內(nèi)部運輸壘內(nèi)部運輸壘 電子內(nèi)部運輸壘的形成的原因是由于某種對反常運輸起主要作用的不穩(wěn)定性被抑制，從而使電子（離子）溫度梯度增大。對內(nèi)部運輸壘的研究也是在未來實驗反應堆中的一個重要課題。在未來實驗反應堆中，不再需要輸入很大的加熱和電流驅(qū)動功率，因此，研究內(nèi)部運輸壘的形成機制，盡可能地減少產(chǎn)生內(nèi)部運輸壘ITB的功率域值及實時控制產(chǎn)生內(nèi)部運輸壘的條件都是非常重要的。2003年來，這方面開展的主要研究有：穩(wěn)態(tài)ITB的形成條件ITB的實時控

20、制：控制值（靴帶電流份額），邊界條件（雜質(zhì)控制）， 溫度分布（加熱功率分布）高三角變形對ITB的影響反剪切條件下ITB的形成1Statistical analysis of interal transport barriers” P.Maget, et.al Plasma Physics & Control. Fusion 45 (2003) 13852”O(jiān)n the link between q- profile and ITBs” Yu. F. Baranov , et.al privet report (2003) 3”Effect of q profile modificati

21、on by LHCD on ITB in JET” C.D. Challis, et.al Plasma Physics & Control. Fusion 43 (2001) 8614”Electron heated ITB in JET” G.M.D.Hogowij, et.al Plasma Physics & Control. Fusion 44 (2002) 11555”Progress in ITB plasma with LHCD and heating in JET” J.Mailloux, et.al Physics of Plasmas Vol.9, No.

22、5(2002)2156電子溫度及時空分布測量電子溫度及時空分布測量 穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)ITB的形成的形成電子溫度及時空分布測量電子溫度及時空分布測量等離子體輸運研究的意義和內(nèi)容 內(nèi)部輸運壘內(nèi)部輸運壘電子熱運輸研究的意義和內(nèi)容 電子熱運輸問題是未來的實驗聚變反應堆的主要課題之一。在聚變反應堆，比如ITER中等離子體要達到燃燒的狀態(tài)，產(chǎn)生自持的熱核反應。釋放的熱量是由阿爾法粒子帶的。阿爾法粒子首先和電子產(chǎn)生熱交換，把熱能交給電子，然后通過電子和離子的碰撞再將熱能傳給離子。所以電子的熱輸運決定著在反應堆中是否能進行自持的熱核反應?，F(xiàn)在的大型托卡馬克中，一般是以離子加熱為主，離子溫度一般大于電子溫度。因此在熱離

23、子狀態(tài)下的運輸研究的比較多。而對于在熱電子狀態(tài)下的運輸問題還未開展足夠的研究。因此近幾年來，這方面的研究成為和聚變研究中的一個熱點。已經(jīng)有多篇綜述性的文章總結了這方面的研究進展和成果。主要有：1”Experimental studies of Electron Transport” F.Ryter,et.al Plasma Physics &Control Fusion 43 (2001)A3232”Energy and Particle Transport in Plasma with Transport Barriers” V.V. Parail, Plasma Physics 電

24、子熱輸運研究電子熱輸運研究 熱擴散特性熱擴散特性00022xtixUeUUUxUVxUDtUtiexUU)(01V令22xUDtU22_)()(xxUDxU)2(20)(xDtixDeeUxU)(0kxtixeeUdDd2DkV2 i 電子熱輸運研究電子熱輸運研究 熱對流特性熱對流特性01V令22xUDtU22_)()(xxUDxU)2(20)(xDtixDeeUxU)(0kxtixeeUdDd2DkV2 i 電子熱輸運研究電子熱輸運研究令 01D0)()(xxUVtxUV tixVtixeeUeeUUV00222VDxDVd V電子熱輸運研究電子熱輸運研究 擾動源：擾動源：鋸齒不穩(wěn)定性，鋸齒

25、不穩(wěn)定性，調(diào)制調(diào)制ECHECH，調(diào)制送氣調(diào)制送氣彈丸注入，彈丸注入，激光燒蝕雜質(zhì)注入激光燒蝕雜質(zhì)注入Plasma Phys. Control. Fusion Plasma Phys. Control. Fusion 3737(1995), 799-852(1995), 799-852熱脈沖傳播方法對診斷的要求：熱脈沖傳播方法對診斷的要求： 要有好的空間定域性要有好的空間定域性 要有較好的空間分辨率要有較好的空間分辨率 3 厘米厘米 要有好的時間分辨率要有好的時間分辨率 5 微秒微秒熱脈沖傳播方法熱脈沖傳播方法調(diào)制ECRH期間電子溫度電子熱輸運研究電子熱輸運研究 熱脈沖傳播方法熱脈沖傳播方法05

26、1015012345Shot # 33962Line density051015012345Ne reflectomtryt(s)PLHPICRHICRH and LH Modulation Experiments in Tore SupraX.L. ZOU (DRFC, CEA Cadarache)電子熱輸運研究電子熱輸運研究傅立葉變換法傅立葉變換法Te （t）TRTIA = （TR2+ TI2）1/2Pha =tg-1（TR/TI）熱脈沖傳播方法熱脈沖傳播方法電子熱輸運研究電子熱輸運研究 熱脈沖傳播方法熱脈沖傳播方法磁流體不穩(wěn)定性研究磁流體不穩(wěn)定性研究 鋸齒特性研究鋸齒特性研究磁流體不穩(wěn)定

27、性研究磁流體不穩(wěn)定性研究 鋸齒特性研究鋸齒特性研究用用ECEI觀察在觀察在MHD磁島磁島x點的熱流點的熱流用用ECEI觀察在觀察在MHD磁島磁島x點的熱流點的熱流Crash is local in poloidal plane (10 cm opening) Crash is observed everywhere in high field side A few attempts (pointed Te contours near the mid-plane) are made before the final puncture (#6 & #7)Radial speed (4 cm/15 msec=2.7 x105 cm/sec)高能電子物理研究高能電子物理研究 為了保證反應堆的自燃條件，快離子（Mev）和帶電聚變產(chǎn)物（高能離子和高能電子）必須很好地約束住，并把它們的能量和動量傳給熱等離子體。和高能粒子相關模的激發(fā)及它們的非線性動力學行