J-TEXT托卡马克装置上微波反射诊断系统的升级

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本文的工作主要围绕J-TEXT托卡马克装置上微波诊断反射系统的升级展开。主要包括两方面的工作:从硬件和软件两方面优化改进了用于密度剖面观测的密度剖面反射仪,搭建了一套用于观测等离子体极向旋转、密度扰动、径向电场等参数的扫频多普勒反射仪。新的密度剖面密度剖面反射仪由三道组成:Q波段(3350GHz)的寻常模(O模)和非寻常模(X模),V波段(5075GHz)的X模。在J-TEXT常规放电条件下(纵场BT=1.8T,等离子体中心密度ne=3×1019m-3),该诊断可测范围覆盖低场测等离子体边界到中心,扫描周期为20?s,使用定向耦合器实现单发单收。本文首先在原有压控振荡源(VCO)静态标定基础上,对其进行了动态标定,修正了波导色散带来的影响,分析了纵场的环向不均匀的影响。其次,在系统结构上将零差改为了单边带调制的超外差结构,采用了I/Q鉴相,提高了信号质量。软件上完成了数据处理程序的设计和编写,先分析了不同滤波方式对相位的影响,考虑到密度剖面反射仪对相位的敏感性,使用频率采样法对采集到的信号进行线性相位滤波(FIR),然后介绍了伯特利尔反演法,本文使用该方法迭代计算密度分布并有效的减小了迭代误差累积引起的震荡。发展了一套扫频多普勒反射仪。这套系统工作在U波段(4060GHz),硬件上采用外差结构,微波源输出波段为2030GHz,先经过单边带调制,然后二倍频后达到U波段再输出。每个频点最小驻留时间为2ms,不同频点跳变时的稳定时间最小为1ms,频率步长及步数可调。软件上实现了三种提取多普勒频移的方法:直接相位微分法,权重平均法和单高斯拟合法,比较了它们的计算结果,实验发现,直接相位微分法在本系统上的准确性更高。最后,将密度剖面反射仪和扫频多普勒反射仪用于J-TEXT物理实验观测。密度剖面反射仪观测到了密度爬升阶段密度剖面的变化,和偏振仪的结果取得了很好的一致性,给出了密度剖面随时间的三维演化过程。多普勒反射仪观察到了超声分子束注入(SMBI)注氢气时密度扰动的变化,在边界部分(r=0.23m),密度扰动在注气之后有所下降。这些结果表明这两套系统的观测数据都能有效地辅助物理实验。
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