微波干涉测量电子密度在SUNIST装置上的应用

　　0 引言

　　磁约束聚变为聚变的商业应用提供了可能，托卡马克装置是聚变能的主流研究方向。2002 年建成的SUNIST 球形托卡马克装置位于清华大学工程物理系，是中国第一台低环径比的球形托卡马克装置。在托卡马克装置中，电子密度的测量是一项必不可少的内容。

　　等离子体诊断中最常用的方法是探针，放置于装置内部的实物探针在放电过程中会与等离子体发生作用，破坏等离子体的空间形位或者影响等离子体参数。微波这种非实物探针相对来说影响较小。毫米波段微波在等离子体诊断技术中应用广泛，特别是在托卡马克装置中广为使用，是因为毫米波段的微波的截止密度与托卡马克装置中的等离子体密度在同一范围内，这些微波在等离子体中的传播能够很好地携带等离子体的信息。微波干涉诊断，是使用调制微波穿越等离子体，测量由于电子密度产生的相移，从而得到实时的电子密度。

　　SUNIST 装置中的微波诊断装置已成功地运行，测得电子密度，与理论计算相符。微波干涉仪在SUNIST 装置中是首次使用，在安装调试过程中遇到很多实际问题，为今后进一步的研究和发展积累了很多经验。

　　1 微波在等离子体中的传播

　　按照波在介质中传播的规律，可以得知任何电磁波在等离子体中传播的相位DFp(t)与折射率n 满足以下的关系：

　　对于本实验装置中采用的波长为8mm 的微波而言，若发生十分之一个周期的变化，则对应的电子密度数值可按照(3)式计算得到，在，其中将测量的长度L估算为0.5m，这与本实验装置中的数据相符。而装置中的等离子体电子密度也正是在这个数量级周围，所以使用8mm 波长的微波，穿越等离子体所产生的相移量适当，通过相移测量电子密度具有可行性和合理性。

　　2 微波诊断装置

　　2.1 微波干涉仪的结构和原理

　　微波相移的具体测量方法是使用微波干涉仪，本装置中使用的微波干涉仪的结构图如图1 所示。

　　微波速调管可以进行方便的电调制，频率调制幅度最高可以达到200MHz，调制系数大约为1.2～2.0MHz/V。经过锯齿波的调制，微波信号的频率随时间变化的关系可以表示为：

　　其中，m(t)是信号发生器产生的调制信号，本实验装置中的等离子体显示产生的时间约为 3～5ms，为了保证在这个过程中有足够的信号周期，实验中选用的锯齿波周期为70ms，在整个放电过程中，可以得到数十个干涉信号周期，处理所得结果具有较好的连续性，可以清楚看到等离子体密度的涨落以及获取具体的密度数值。