HT-6M外差或毫米波反射仪的研制

引言

在核聚变研究中,电子密度是反映聚变等离子体(plasma)特性的一个重要参数,它对于研究密度输运和等离子体不稳定性,最终实现磁约束受控聚变具有重要的作用[1].

通常用于测量Plasma电子密度的方法有两种,即微波和远红外干涉测量,但它们存在着测量条件苛刻或空间分辨率差的不足,并且可测的参数范围也很有限.毫米波反射测量技术以其极易满足Plasma可近性条件、无需对称性假设及空间分辨率极佳等独特的优越性,在诸多核聚变装置上获得了广泛应用[2].然而,国内还未能有一个十分有效的反射仪应用于聚变装置,因此,研制和发展毫米波反射仪,使之尽快成为国内研究聚变等离子体的一种十分有用的诊断手段具有重要意义.

本文报道了单道外差式毫米波反射仪的研制工作,并对实验结果进行了分析和总结.

1　基本原理

当一束频率为ω的电磁波沿平行于密度梯度的方向在等离子体中传播时,会遇到密度等于临界值nec的截止层,波在截止层xc处发生反射,并沿原入射方向的反向出射[3]:

　　根据这一电磁波在Plasma中被截止的现象,可以用毫米波源向等离子体辐射电磁波,反射回来的电磁波可以把截止层处的信息带出来,用来诊断等离子体的特性,这就是毫米波反射仪测量电子密度的基本原理.

毫米波反射仪测量原理图见图1,一束波发射进入等离子体,从截止层处反射,在反射点的附近对反射波进行探测,测量入射波和反射波之间的相对相位,便可知道等离子体中反射层的位置.可见,毫米波反射仪必须能够对相位延迟进行合理而精确的测量.

2　设计与建立

HT-6M外差式毫米波反射仪的结构示意图如图2所示.反射仪采用O-mode辐射传播模式,毫米波源是耿氏(Gunn)固体振荡器,频率设计在29GHz～34GHz范围内,能够测量的电子密度范围为1.04×1013～1.43×1013cm-3.AM为8mm波段的幅度调制器[4],用以对毫米波信号进行调幅,经过调幅后的载波向聚变装置中的等离子体发射.调幅信号频率为256MHz(速度～4ns),由锁相环PLL1提供.喇叭天线的电压驻波比为1.15,增益为20dB,实验中采用两个天线,一个用于发射,一个用于接收,两臂所用的耦合器均为3dB多孔定向耦合器,方向性大于30dB.接收的微波信号经晶体检波器而被解调,这样便得到了256MHz的高频信号.但是这里的256MHz信号与前面发射系统中的256MHz信号是不同的,因为这一256MHz信号经过了等离子体的延时,从而携带了等离子体反射层的信息,将这一经过延时的256MHz信号与锁相环PLL2中产生的256.5MHz振荡信号进行混频,滤去高频分量,取其差频信号,便得到了载有等离子体信息的500kHz的中频信号,即反射信号.而前面未经延时的256MHz信号也与PLL2中256.5MHz进行混频,经过同样的处理,又得到了一个500Hz的中频信号,不同的是这一500kHz信号是由两个本机振荡器PLL1和PLL2直接差频而获得的,根本没有与等离子体发生作用,因此并不携带任何等离子体信息,我们称之为参考信号.将参考信号与反射信号同时送入鉴相器进行鉴相,并经过放大,滤波处理后,最终输出与延时(或延相)成比例的直流电压,这样便完成了相位-电压的转换过程.