用于测量EAST等离子体小幅度电子温度涨落的CECE诊断的研制

发布时间：2020-09-25 22:53

　　在燃烧等离子体中,聚变产物α粒子将首先加热电子,然后通过碰撞加热离子,因而电子热输运是决定聚变堆性能的一个关键因素。而目前对电子热输运的理解相对薄弱,因此有必要进一步研究电子热输运的物理机制。研究电子热输运就需要得到电子温度、密度以及磁场等物理量的分布、涨落量的幅度以及它们之间的相位关系。本硕士论文的主要目标就是利用相关电子回旋辐射(Correlation Electron Cyclotron Emission,CECE)诊断实现 EAST 等离子体小幅度电子温度涨落的测量,并为将来开展多扰动场(温度场、密度场、磁场)的同时测量打下基础。论文的第一部分工作是设计CECE的准光学天线系统,同时兼顾电子密度涨落测量诊断系统的需求。根据高斯光学设计准则确定了所需要的镜子参数,得到了 CECE诊断对应测量位置的束半径为15.5 mm-18.5 mm,这对应CECE诊断可测量的极向波数范围为k_θ2.02cm~(-1)。利用ZEMAX研究了光学元件尺寸对光通量及光学特性的影响,最终确定椭球面镜尺寸为100 mm,这个尺寸是108 GHz的光束通过椭球面镜时的束半径的3倍,是75 GHz的光束通过椭球面镜时的束半径的2.3倍。此时,]08 GHz频率的光束的光通量是99.5%,75 GHz频率的光束的光通量是95.5%,108 GHz频率的光束在等离子体区域的真实束腰要比理论计算的束腰大了约1.3%,75 GHz频率的光束在等离子体区域的真实束腰要比理论计算的束腰大了约5%。新设计的准光学天线系统已于2017年4月份安装到EAST上,将在2017年EAST物理实验中投入使用。论文的第二部分工作是搭建了一套毫米波外差系统来测量等离子体电子回旋辐射信号,并在实验室对这套系统进行了线性度测试和频率响应等测试,得到了较好的结果。利用常规电子回旋辐射诊断(ECE)的准光学系统对新搭建的外差系统进行了等离子体测试,成功地得到了 EAST等离子体的电子温度涨落。利用新设计的高空间分辨准光学系统的等离子体测试正在进行中。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TL631.24
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章绪论
    1.1 EAST简介
    1.2 等离子体约束与输运
    1.3 ECE诊断的物理基础
        1.3.1 单个电子的辐射
        1.3.2 等离子体辐射
        1.3.3 辐射输运和ECE测量
    1.4 ECE诊断系统
        1.4.1 外差系统
        1.4.2 迈克尔逊干涉仪
        1.4.3 法布里-铂罗干涉仪
        1.4.4 光栅光谱仪
        1.4.5 EAST ECE诊断系统
        1.4.6 ECE测量电子温度涨落的限制
    1.5 CECE诊断
        1.5.1 CECE诊断的原理
        1.5.2 不同CECE方案对比
        1.5.3 密度涨落对CECE诊断的影响
        1.5.4 CECE诊断的历史及发展趋势
        1.5.5 EAST发展CECE诊断的计划
第二章 EAST CECE准光学天线设计
    2.1 高斯光束基础理论
        2.1.1 高斯光传播理论
        2.1.2 高斯光束转换
        2.1.3 准光学系统设计准则
    2.2 准光学系统设计方案
        2.2.1 基于高斯光学的MATLAB模拟程序
        2.2.2 不同设计方案对比
    2.3 光学元件尺寸对光学特征的影响
        2.3.1 ZEMAX模拟高斯光束传播
        2.3.2 不同椭球面镜尺寸下的光学特性
    2.4 准光系统的最终参数
第三章外差系统的搭建和实验室测试
    3.1 外差系统的搭建
    3.2 外差系统的实验室测试
        3.2.1 中频线性度测试
        3.2.2 整体线性度测试
        3.2.3 外差系统的频率响应测试
第四章 EAST等离子体电子温度涨落测量
    4.1 CECE诊断的数据处理
        4.1.1 电子温度涨落数据处理
        4.1.2 MATLAB处理电子温度涨落数据
    4.2 利用常规ECE的准光学系统的测试结果
        4.2.1 电子温度涨落测量结果对比
        4.2.2 CECE不同频率测试结果
第五章总结与展望
参考文献
附录A 用于EAST CECE准光学系统设计的MATLAB程序
附录B ZEMAX模拟高斯光束操作流程
附录C YIG滤波器操作说明
附录D EAST CECE准光学系统设计图纸和实物图
附录E EASTCECE诊断数据处理程序
    E.1 CECE信号读取程序
    E.2 CECE信号处理程序
附录F EASTECE发射层宽度计算程序
附录G 2016年EAST物理实验CECE测试炮汇总
致谢
在读期间发表的学术论文与取得的研究成果

【参考文献】