J-TEXT等离子体电子密度诊断系统的建立

论文摘要

J-TEXT托卡马克装置（前身为美国德克萨斯大学的TEXT-U装置）于2004年底在华中科技大学开始重建，J-TEXT装置的主要设计参数为：大环半径R=1．05m，等离子体小圆截面半径r=0．27m，纵场中心场强Bt=3T，典型等离子体电流值Ip=350kA，等离子体中心线平均密度ne=3×109m-3。J-TEXT装置重建完成之后，首要任务就是实现第一等离子体放电，相应地，我们需要一定的手段监测氢气被电离、等离子体产生的过程，因此，Hα辐射观测系统的建立首先被纳入J-TEXT装置上诊断系统的发展规划中；同时，为了更直观地获得等离子体放电信息，观测等离子体可见光辐射图像，我们建立了CCD可见光等离子体成像系统；而后，当装置等离子体放电成功，为研究J-TEXT等离子体的基本特性，一些与等离子体基本参数有关的诊断的建立被提上日程，电子密度是高温等离子体的重要参数之一，在托卡马克装置上一般用微波或远红外激光干涉仪测量等离子体密度。微波干涉仪成本相对较低，可以在比较短的时间内建立起来，拟用于装置运行初期等离子体中心线平均密度的测量，随着装置运行参数的提高，我们建立了更适应装置密度测量需求的多道远红外激光干涉仪，本论文即来源于J-TEXT装置上这四个诊断系统的建立需求。本论文所完成的诊断系统均为和电磁波测量相关的系统，它们可以分为两类：一类是辐射电磁波信号的测量，属被动诊断，它不需要外界电磁波的参与，例如Hα辐射观测系统，CCD可见光成像系统；一类是主动测量，采用电磁波作为探针，使之与等离子体发生作用，由电磁波的变化而得出等离子体相关信息，例如微波干涉仪和远红外激光干涉仪。本文的主要工作内容如下：建立了一套Hα辐射观测系统，用于探测工作气体氢气击穿瞬间的Hα辐射，进而为欧姆加热场电源控制系统提供一个Hα辐射判据，用以判定是否进入等离子体电流爬升阶段。简言之，Hα辐射信号被用于决定是否以及什么时候投入用于建立等离子体电流的欧姆加热场的电容器组。实验结果证明，Hα辐射判据对于控制J-TEXT等离子体的启动是可行的。为了保证Hα辐射信号的正常提供，该系统被设计为一个多道观测系统，通过该系统也可以研究Hα辐射在等离子体小圆截面上的不对称性。建立了可见光CCD等离子体成像系统。该系统可沿切向实时观察整个等离子体横截面的可见光辐射图形。该系统的核心器件CCD相机分辨率为659×494，最高帧率110f／s，可按选择捕捉彩色或黑白图片。该系统能直观地展现等离子体放电过程，是J-TEXT装置放电运行中必备的重要诊断手段之一。设计了J-TEXT装置上单道2mm微波干涉仪系统，该系统使用J-TEXT装置上的垂直上下窗口对等离子体中心弦密度进行测量。该系统被设计成一个频率调制式干涉仪，微波源可以被锯齿波调制。为适应不同实验目标的需求，中频设置为10K～100K连续可调。探测束和参考束在一个三端口的混频器里混频，输出的中频信号经放大滤波后和锯齿波信号一起输入相位差计，相位差计输出与等离子体密度成线性关系，经过数据处理，可以得到等离子体中心弦平均密度。发展了多道HCN远红外干涉仪系统，实现了J-TEXT等离子体电子密度测量。干涉仪系统采用柱面转动光栅对激光束进行调制，调制频率10KHz，对应干涉仪时间分辨率为0．1ms，采用室温TGS探测器接收拍频信号，用相位差计测量探测道和参考道信号之间的相位差，分辨率为0．06个干涉条纹，相位差信号经数据采集系统采集后，经过程序处理，可以实时得到等离子体不同弦上的密度信息。目前，Hα辐射观测系统工作正常，可以为欧姆加热场电源控制系统提供Hα辐射判据，很好地控制了等离子体电流爬升，并且，系统多道测量结果也表明了Hα辐射在等离子体小圆截面上的不对称性；CCD可见光成像系统能够实时展现等离子体放电过程，同时，为判断等离子体位移趋势提供了参考；微波干涉仪系统设计已经完成，正在进行安装；用HCN激光干涉仪已初步获得了等离子体密度测量结果，为J-TEXT等离子体放电提供了重要的密度参数。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 核聚变研究概述
• 1.2 磁约束核聚变与托卡马克
• 1.3 J-TEXT托卡马克装置
• 1.4 本文主要内容
• 2 托卡马克中与电磁波相关的诊断系统
• 2.1 引言
• 2.2 与电磁波相关的被动诊断测量
• 2.3 与电磁波相关的主动测量诊断系统
• 2.4 J-TEXT装置上与电磁波相关的诊断系统
• α观测系统及其在电源控制系统中的作用'>3 J-TEXT上H_α观测系统及其在电源控制系统中的作用
• 3.1 引言
• α辐射测量原理'>3.2 H_α辐射测量原理
• α辐射观测系统设计'>3.3 H_α辐射观测系统设计
• 3.4 实验安排
• 3.5 实验结果
• 3.6 本章小结
• 4 J-TEXT装置CCD可见光成像系统
• 4.1 引言
• 4.2 CCD成像系统设计
• 4.3 系统控制流程
• 4.4 实验结果
• 4.5 本章小结
• 5 J-TEXT装置微波干涉仪系统的设计
• 5.1 引言
• 5.2 电磁波测量等离子体密度的原理
• 5.3 频率调制式微波干涉仪工作原理
• 5.4 J-TEXT微波干涉仪系统工作参数的选择
• 5.5 微波传输线——波导
• 5.6 系统各微波元器件的选择
• 5.7 系统整体方案设计
• 5.8 传输系统损耗理论估算
• 5.9 本章小结
• 6 J-TEXT远红外激光干涉仪的建立
• 6.1 引言
• 6.2 HCN激光干涉仪的测量原理
• 6.3 J-TEXT激光干涉仪的整体设计
• 6.4 HCN激光器
• 6.5 光路设计
• 6.6 J-TEXT七道HCN干涉仪
• 6.7 信号处理
• 6.8 密度测量初步结果及分析
• 6.9 本章小结
• 7 论文工作总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录2 微波干涉仪系统主要微波元器件性能参数
• 附录3 远红外干涉仪光学元件参数表