HT-7托卡马克上电子回旋辐射计及前端研究

　　作为一种常规诊断方法,电子回旋辐射测量已经应用于大多数托卡马克装置上,用以获得高分辨率的电子温度剖面[1]。在HT-7托卡马克装置上,已经安装了一套16道电子回旋辐射外差辐射计,其时间分辨率为50μs,空间分辨率约为2cm。

　　电子回旋辐射信号非常微弱,对外差辐射计性能要求极高。在等离子体微波诊断中不可避免地会用到光学部件材料,如窗口和透镜等,这些材料对微波的反射和吸收等损耗将直接影响微波诊断系统性能的发挥。因此,选择低插入损耗的光学部件材料成为优化电子回旋辐射诊断系统的关键之一。寻找适合微波波段的光学材料已经成为一个棘手的问题。玻璃材料在可见光范围内得到了广泛应用,而聚4-甲基戊烯-1(TPX)材料在远红外波段表现出良好的性能[2]。在微波波段,很少有光学部件材料插入损耗的研究成果[2,3],开展微波波段光学部件材料插入损耗的测试能够为微波系统的设计提供必要的数据。在长期的实验过程中,微波诊断的窗口石英玻璃上沉积了一层很厚的膜,在可见光范围内不透明,此膜对电子回旋辐射信号是否有衰减也是一个被关注的问题。电子回旋辐射强度是电子温度的函数,由于电子温度的抛物分布,使得电子回旋辐射强度和辐射区域有关,从而要求外差辐射计接收天线具有很强的方向性,因此此套系统上装配的圆锥喇叭口天线方向性性能以及它对电子温度诊断的影响值得探讨。

　　1　电子回旋辐射与外差辐射计

　　1·1　托卡马克装置上的电子回旋辐射在磁约束托卡马克装置上,电子在洛仑兹(Lorentz)力作用下作回旋运动,产生电子回旋辐射(ECE)。回旋频率为:

　　f =ω/2π= l×eB/(2πme)

　　其中:l为谐波数,为纵场,e为基本电荷,

　　me为电子质量。在托卡马克装置上,磁场分布为:

　　B(r) = B0R0/(R+r)

　　其中:B。为中心磁场,为等离子体大半径,r为等离子体径向位置。在HT-7托卡马克装置上,中心磁场为2.0T,中心密度为3.0×1019m-3时,电子回旋辐射二次频率(2fC)在90GHz到150GHz之间,如图1所示。

　　在HT-7托卡马克装置放电实验参数下,电子回旋辐射强度近似为:

　　1·2　电子回旋辐射外差诊断系统

　　电子回旋外差诊断系统已经在HT-7托卡马克装置上投入使用,其系统框图如图2所示。通过高斯透镜将辐射信号的二次谐波聚焦到圆锥形喇叭口接收天线上。选择过模波导传输信号,以降低信号功率衰减,定向耦合器将信号分为两路,射频隔离器用来阻止来自混频器或者中频放大器的串扰。两路信号分别与108.5GHz和95 GHz本振源混频,变频到2-18GHz的中频范围用以测量高场区l12.0~125.5GHz和低场区98.5~112.0 GHz辐射信号。