一种测量等离子体4.6GHz低杂波局域频谱的系统

一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统
技术领域
1.本发明属于微波技术领域，具体涉及一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统。


背景技术：

2.低杂波电流驱动(lhcd)是一种托卡马克等离子体中驱动效率非常高的非感应电流驱动方式。east托卡马克利用低杂波加热和电流驱动实现了1000s量级的等离子体放电。但在高密度条件下，低杂波在边界的耗散及波谱展宽会变得很严重，从而导致驱动效率急剧下降，即所谓的“密度极限”问题。高密度下低杂波驱动效率反常下降是限制其在未来iter及其他反应堆上应用的瓶颈。如何提高高密度条件下低杂波驱动效率是低杂波研究领域亟待解决的问题。
3.以往的低杂波实验都是利用铜环天线来测量低杂波的功率和频谱信息，但这种测量技术有一个缺陷就是不能明确测量的信号的来源。也就是说，不管是从等离子体中反射回来的，还是从天线口直接传播出来的低杂波，只要通过铜环天线都会被测量到。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，可以用来测量刮削层中局域的低杂波功率和频谱展宽信息，从而为研究低杂波边界寄生效应，如波散射、参量衰变等过程提供数据支持。由微波源产生的30ghz微波通过喇叭天线以寻常模(o模)发射进入托卡马克等离子体中，在刮削层某一个位置与4.6ghz低杂波因满足共振条件而发生背散射，从而产生一支新微波，其频率为34.6ghz。第二个喇叭天线用来接收这支因背散射产生的34.6ghz微波，然后通过混频器差频后其频率降为3.5ghz，接着再与4.6ghz本振二次差频后降为1.1ghz，信号最终接入频谱分析仪，由频谱分析仪测量出二次降频后的波功率大小和频谱展宽等信息。
5.本发明利用喇叭天线向托卡马克等离子体中辐射特定频率为30ghz的微波，当此微波传播到湍流层时，满足共振条件的微波会和4.6ghz低杂波发生共振，产生新的频率为34.6ghz微波。这里共振条件为ω
sc
＝ω
in
+ω
lh
，其中k和ω分别代表波矢和频率，下标sc、in、lh，分别代表背散射产生的微波、30ghz入射波、4.6ghz的低杂波。新产生的微波通过两次降频后由频谱分析仪测量出其功率和频谱信息。此测量结果反映了低杂波在湍流层的功率和频谱展宽信息，从而能更准确分析低杂波在湍流层发生的寄生效应。
6.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，包括30ghz微波源、31.1ghz微波源、第一喇叭天线、第二喇叭天线、频谱分析仪、放大器、隔离器、隔直器、35ghz低通滤波器、3.5ghz带通滤波器、4.6ghz本振器、1.1ghz带通滤波器；频率为30ghz的微波从30ghz微波源出来后经过放大器后功率变为10dbm，经过隔离器和隔直器后，由第一喇叭天线以o模模式辐射进入等离子体，然后由第二喇叭天线接收背散射产生的微波进行耦合，耦合后的
微波先后经过隔直器和35ghz低通滤波器，通过混频器与31.1ghz的微波混频后产生频率为3.5ghz的微波，然后接入中心频率为3.5ghz，带宽为60mhz的3.5ghz带通滤波器，再与4.6ghz本振器进行本振差频，最终频率降为1.1ghz，最后经过带宽为60mhz的1.1ghz带通滤波器后送入频谱分析仪，最终由频谱分析仪测量其频谱。
8.进一步地，所述频谱分析仪的扫描时间≤20ms，工作频率大于1.2ghz。
9.进一步地，所述隔离器用于防止从等离子体中反射回来的波进入30ghz微波源；所述隔直器用于防止直流电压对30ghz微波源和31.1ghz微波源造成损害。
10.进一步地，当30ghz的微波在等离子体中传播时，满足以下共振条件进一步地，当30ghz的微波在等离子体中传播时，满足以下共振条件ω
sc
＝ω
in
+ω
lh
时，微波与4.6ghz的低杂波发生共振，产生一支新的频率为34.6ghz的散射波；其中k和ω分别代表波矢和频率，下标sc、in、lh，分别代表背散射产生的微波、30ghz入射波、4.6ghz的低杂波。
11.进一步地，所述散射波的频谱宽度δf
sc
与30ghz的入射波、4.6ghz的低杂波频谱宽度之间有如下关系：
[0012][0013]
由于入射波的频谱宽度δf
in
相对于低杂波的频谱宽度δf
lh
要小很多，因此，散射波的频谱宽度可以近似为低杂波频谱宽度；所述频谱宽度的定义为波功率降为一半时的全宽度。
[0014]
有益效果：
[0015]
与以往的铜环天线测量的频谱不同，本发明的测量结果可以反映局域的低杂波功率和频谱信息，从而能更准确分析低杂波在刮削层发生的寄生效应。从而为高密度条件下低杂波电流驱动及加热物理实验分析提供关键的数据支持。
附图说明
[0016]
图1为本发明的一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统的主要结构示意图。
[0017]
图2a为频率30ghz的入射微波频谱图。
[0018]
图2b为两种不同频谱宽度(δf)的低杂波频谱图。
[0019]
图2c为理论计算得到的散射波频谱图。
具体实施方式
[0020]
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。
[0021]
如图1所示，本发明的一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统包括30ghz微波源、31.1ghz微波源、第一喇叭天线、第二喇叭天线、频谱分析仪、放大器、隔离器、隔直器、混频器、35ghz低通滤波器、3.5ghz带通滤波器、4.6ghz本振器、1.1ghz带通滤波器。
[0022]
频率为30ghz的微波从30ghz微波源出来后经过放大器后功率变为10dbm，经过隔
离器和隔直器后，由一个喇叭天线以o模(即电场与托卡马克纵场平行)模式辐射进入等离子体，然后由另外一个喇叭天线接收背散射产生的微波，经过两级降频电路的降频后最终由频谱分析仪测量其频谱。
[0023]
所述两级降频电路由31.1ghz微波源和4.6ghz本振器构成。第二个喇叭天线接收的微波信号首先与31.1ghz微波源进行本振差频后，接入中心频率为3.5ghz，带宽为60mhz的3.5ghz带通滤波器，再与4.6ghz本振器进行本振差频，最终频率降为1.1ghz。
[0024]
所述频谱分析仪的扫描时间≤20ms，工作频率应大于1.2ghz。
[0025]
所述隔离器用于防止从等离子体中反射回来的波进入30ghz微波源。所述隔直器用于防止直流电压对30ghz和31.1ghz微波源造成损害。
[0026]
当30ghz的微波在等离子体中传播时，当满足以下共振条件ω
sc
＝ω
in
+ω
lh
的时候，此微波就会与4.6ghz的低杂波发生共振，产生一支新的频率为34.6ghz的散射波。其中k和ω分别代表波矢和频率，下标sc、in、lh，分别代表背散射产生的微波、30ghz入射波、4.6ghz的低杂波。
[0027]
理论上，这支散射波的频谱宽度δf
sc
与30ghz的入射波、4.6ghz的低杂波频谱宽度之间有如下关系：
[0028][0029]
由于入射波的频谱宽度δf
in
相对于低杂波的频谱宽度δf
lh
要小很多，因此，散射波的频谱宽度可以近似为低杂波频谱宽度。这里频谱宽度的定义为波功率降为一半时的全宽度。
[0030]
当散射波从等离子体中传播出来后由第二个喇叭天线耦合，先后经过隔直器和35ghz低通滤波器，通过混频器与31.1ghz的微波混频后产生频率为3.5ghz的微波。然后经过一个中心频率为3.5ghz、带宽为60mhz的3.5ghz带通滤波器、放大器后与4.6ghz本振器再次混频后，频率降为1.1ghz。最后经过一个带宽为60mhz的为1.1ghz带通滤波器后送入频谱分析仪，由频谱分析仪测量其功率和频谱宽度。
[0031]
图2a为功率10dbm、频谱宽度0.2mhz的入射波频谱。图2b为假设的功率25dbm、频谱宽度分别为0.5mhz和1.0mhz的低杂波频谱。图2c为理论计算得到的经过两次降频后的散射波频谱图，可以看出，散射波的频谱宽度分别为0.54mhz和1.02mhz，非常接近低杂波的频谱宽度。
[0032]
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。

技术特征：
1.一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，其特征在于，包括30ghz微波源、31.1ghz微波源、第一喇叭天线、第二喇叭天线、频谱分析仪、放大器、隔离器、隔直器、35ghz低通滤波器、3.5ghz带通滤波器、4.6ghz本振器、1.1ghz带通滤波器；频率为30ghz的微波从30ghz微波源出来后经过放大器后功率变为10dbm，经过隔离器和隔直器后，由第一喇叭天线以o模模式辐射进入等离子体，然后由第二喇叭天线接收背散射产生的微波进行耦合，耦合后的微波先后经过隔直器和35ghz低通滤波器，通过混频器与31.1ghz的微波混频后产生频率为3.5ghz的微波，然后接入中心频率为3.5ghz，带宽为60mhz的3.5ghz带通滤波器，再与4.6ghz本振器进行本振差频，最终频率降为1.1ghz，最后经过带宽为60mhz的1.1ghz带通滤波器后送入频谱分析仪，最终由频谱分析仪测量其频谱。2.根据权利要求1所述的一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，其特征在于，所述频谱分析仪的扫描时间≤20ms，工作频率大于1.2ghz。3.根据权利要求1所述的一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，其特征在于，所述隔离器用于防止从等离子体中反射回来的波进入30ghz微波源；所述隔直器用于防止直流电压对30ghz微波源和31.1ghz微波源造成损害。4.根据权利要求1所述的一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，其特征在于，当30ghz的微波在等离子体中传播时，满足以下共振条件ω
sc
＝ω
in
+ω
lh
时，微波与4.6ghz的低杂波发生共振，产生一支新的频率为34.6ghz的散射波；其中k和ω分别代表波矢和频率，下标sc、in、lh，分别代表背散射产生的微波、30ghz入射波、4.6ghz的低杂波。5.根据权利要求4所述的一种测量等离子体4.6ghz低杂波局域频谱的系统，其特征在于，所述散射波的频谱宽度δf
sc
与30ghz的入射波、4.6ghz的低杂波频谱宽度之间有如下关系：由于入射波的频谱宽度δf
in
相对于低杂波的频谱宽度δf
lh
要小很多，因此，散射波的频谱宽度可以近似为低杂波频谱宽度；所述频谱宽度的定义为波功率降为一半时的全宽度。

技术总结
本发明公开了一种测量等离子体4.6GHz低杂波局域频谱的系统，用来测量刮削层中局域的低杂波功率和频谱展宽信息。微波源产生的30GHz微波通过喇叭天线以寻常模发射进入托卡马克等离子体中，在刮削层某一个位置与4.6GHz低杂波发生背散射，从而产生一支新微波，其频率为34.6GHz。第二个喇叭天线用来接收这支因背散射产生的34.6GHz微波，然后通过混频器差频后其频率降为3.5GHz，接着再与4.6GHz本振二次差频后降为1.1GHz，信号最终接入频谱分析仪。与以往的铜环天线测量的频谱不同，本系统测量结果可以反映局域的低杂波功率和频谱信息，从而能更准确分析低杂波在刮削层发生的寄生效应。生效应。生效应。


技术研发人员：李妙辉 吴则革 王茂 丁伯江
受保护的技术使用者：中国科学院合肥物质科学研究院
技术研发日：2023.05.09
技术公布日：2023/7/21