双极化频率调制微波反射计在J-TEXT托卡马克上的应用

等离子体中电子密度分布是研究等离子体物理的基础诊断之一.为了测量J-TEXT中电子密度分布,我们在J-TEXT实验装置上搭建了一套频率调制反射计.该反射计工作在Q波段与V波段,为了增加反射计密度测量范围,采用了双极化的设计,即能够同时测量寻常波模式与非寻常波模式.得益于双极化的设计,该反射计测量的电子密度范围为0—6.0×1019m-3,能够覆盖J-TEXT托卡马克的低场侧全部范围.频率调制反射计的时间分辨取决于微波系统扫描周期,由于采用了扫频速率更快的扫频固态源,整个频率扫描周期可以达到40μs.要获得完整的电子密度分布,必须先利用中频频率的跳变计算出密度零点的位置,然后使用两种极化模式的数据反演得到完整的电子密度剖面.同时,在实验中还观察到在非寻常波模式下低于右旋截止频率的微波在等离子体中也能够传播.     

非均匀等离子体对平面电磁波的衰减

利用荧光灯排列形成非均匀等离子体层(面积约60cm×52cm,消耗功率约400W),研究了其对1～8GHzE波(电矢量方向平行于灯轴方向的入射波)的反射和透射的影响。结果表明,该等离子体对1～4GHz的E波具有强吸收和弱反射的特性,单程衰减最高可达8dB。利用2维分段线性电流密度递归卷积时域有限差分计算式,模拟了E波传播及其在非均匀等离子体内推进的瞬态过程,计算了等离子体对电磁波的反射和透射衰减,并与实验结果拟合,得到等离子体电子数密度峰值约9.72×1016m-3,电子与中性粒子碰撞频率约4GHz。     

非均匀等离子体对平面电磁波的衰减

利用荧光灯排列形成非均匀等离子体层（面积约60 cm×52 cm,消耗功率约400 W）,研究了其对1～8 GHz E波（电矢量方向平行于灯轴方向的入射波）的反射和透射的影响。结果表明,该等离子体对1～4 GHz的E波具有强吸收和弱反射的特性,单程衰减最高可达8 dB。利用2维分段线性电流密度递归卷积时域有限差分计算式,模拟了E波传播及其在非均匀等离子体内推进的瞬态过程,计算了等离子体对电磁波的反射和透射衰减,并与实验结果拟合,得到等离子体电子数密度峰值约9.72×1016 m-3-3,电子与中性粒子碰撞频率约4 GHz。     

等离子体鞘套低频通信电磁波透射率与辐照微波场强关系仿真研究

高超声速飞行器飞行期间,由于表面激波的影响,飞行器表面会生成等离子体鞘套。等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波,导致通信信号发生衰减甚至中断,从而形成“黑障”问题。理论上来说,等离子体鞘套与微波的相互作用随微波电场幅值的变化呈现非线性,所以可能存在一个合适的电场幅值和辐照时间区间,使等离子体鞘套的电磁波透射率上升。针对这种可能性,采用有限元分析方法,对飞行器表面等离子体鞘套流场与电磁场进行二维耦合仿真,得到微波照射后等离子体鞘套透射率的改变情况。分别使用电场幅值为5×10^(4)、1×10^(5)、2.5×10^(5)、5×10^(5) V·m^(−1)的微波对等离子体鞘套进行30 ns的辐照,在辐照后等离子体鞘套对1.2 GHz和1.6 GHz的电磁波的最大透射率提升,为解决“黑障”问题提供了新的可能。     

HL-2A装置上的微波反射测量系统

微波反射技术是近几年来在大中型核聚变装置上发展起来的一项重要的等离子体诊断。它具有非常好的时空分辨率，不仅可以用于测量等离子体电子密度的空间分布，还可以测量等离子体旋转和湍流的空间分布。微波反射测量系统用二个返波管作为扫频振荡源，其扫频范围为26-0GHz和40-60GHz，周期为1ms。我们利用这套微波反射测量系统在HL-2A装置上进行了测量，经过1年的试验，这套系统工作正常。     

EAST装置上W波段多道极向相关反射仪的研制

在EAST装置上安装了X模极化W波段多道相关反射仪,用于测量等离子体芯部密度涨落。该诊断利用低损耗(<3dB)多工器将4个不同频率(79.2GHz,85.2GHz,91.8GHz和96GHz)的微波耦合在一起,通过同一个天线发射。反射波由两个极向分离(～5cm)的天线接收,通过下变频技术实现外差测量。通过对两个极向天线接收的信号进行相关分析,获得芯部湍流垂直速度。对2018年低约束模式(L模)放电进行分析发现,在电子回旋共振加热(ECRH)等离子体中,芯部湍流垂直速度在电子逆磁漂移方向。而在注入同向中性束(co-NBI)后,芯部湍流垂直速度变为离子逆磁漂移方向。     

等离子体对高功率微波的防护

提出了用等离子体防护高功率微波破坏电子设备的方法。建立了“介质层-等离子体层-介质层-等离子体层”的反射/吸收模型,其中两层均匀非磁化等离子体厚度各为50mm,等离子体频率为30GHz,等离子碰撞频率为70GHz。计算了微波的透射功率、防护结构的最小防护距离。计算结果表明：对功率10GW、脉冲宽度100ns、天线100m² (效率50%)的微波源产生的微波,频率小于30GHz时,将被防护装置反射;频率为31～80GHz时,防护结构的最小防护距离约为5km。     

高温超导微波限幅器的研制

与常规材料相比,高温超导薄膜(即HTSC)的表面电阻极低,在微波频段下,其微波表面电阻要比常规材料小两个数量级以上,并能实现高达106～107A/cm2的电流密度.本项目选用10×15×0.44mm3双抛LaAlO3衬底上外延生长的钇系高温超导薄膜的YBa2Cu3O7(YBCO),利用临界电流密度的特性,设计并制作了高温超导微波限幅器,其工作温度在90K以下,77K时设计指标为:f:9.4～9.6GHz,插入损耗L≤0.4dB,门槛电平:10dBm,驻波比≤1.5.     

(RbBi)1/2MoO4陶瓷微波介电性能的远红外反射谱研究

采用固相反应法制备了(RbBi)1/2MoO4陶瓷样品。室温下测量了(RbBi)1/2MoO4的红外反射谱,观察到15个振动模式;利用Kramers-Kronig(K-K)关系对样品的红外反射谱进行数据处理,获得材料的光频介电常数ε∞=2.17,微波频段的外推值为20.56,略小于实际测量值21.4;获得材料的本征品质因数Q×f为11 790GHz,高于实际测量值6 200GHz,说明陶瓷材料的品质因数还有较大提升空间。     

20cm离子推力器放电室流场计算模拟

为了优化20cm离子推力器放电室内部推进剂供气方式,研究了在不发生气体放电时,推力器阳极和主阴极供气接口处的流体速度和压强,并以此开展推力器放电室内部的流场计算。结果表明:采用单阳极供气管方式,阳极出口处压强为4~158Pa,气流出口速度为0.1~47m/s;阴极小孔出口处的压强约为33.1Pa,出口速度约为12m/s;考虑真空系统的返流作用时,单阳极供气管方式下放电室内部压强为0.001~0.4Pa,大部分区域Xe原子数密度为(0.2~3)×1018/m3,在靠近栅极的部分区域数密度达到9×1019/m3左右;在增加阳极组件的供气管数量后,阳极的气体出口速度为18~40m/s,放电室压强为0.03~0.1Pa,大部分区域Xe原子数密度为(0.72~2.4)×1019/m3,靠近阳极与主阴极进气端的小部分区域原子数密度约2×1017/m3,且放电室内部原子密度整体分布较为均匀。     

S—Ka频段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究

在感应耦合等离子体风洞上开展了等离子体中电磁波传输特性实验研究,获得了不同频率电磁波在等离子体中的传输衰减.通过微波诊断技术,获得了等离子体射流的电子数密度和碰撞频率.通过矢量网络分析仪和标准增益天线组成的电磁波传输特性测试系统,获得了电磁波经过等离子体之后的衰减,研究了电子数密度范围7.0×10~(10)-1.0×10~(13)cm~(-3)、等离子体碰撞频率在109 Hz量级的等离子体对2.6—40 GHz不同频率电磁波传输特性的影响,分析了经典传输理论和薄层理论预测结果与实验结果的差异.该实验工作为等离子体中电磁波传输特性的理论研究和数值仿真提供了基础数据.     

Experimental study of a plasma-filled backward wave oscillator

Experimental studies of a plasma-filled X-band backward-wave oscillator (BWO) are presented. Depending on the background gas pressure, microwave frequency upshifts of up to 1 GHz appeared along with an enhancement by a factor of 7 in the total microwave power emission. The bandwidth of the microwave emission increased from ⩽0.5 GHz to 2 GHz when the BWO was working at the RF power enhancement pressure region. The RF power enhancement appeared over a much wider pressure range in a high beam current case (10-100 mT for 3 kA) than in a lower beam case (80-115 mT for 1.6 kA). The plasma-filled BWO has higher power output than the vacuum BWO over a broader region of magnetic guide field strength. Trivelpiece-Gould modes (T-G modes) are observed with frequencies up to the background plasma frequency in a plasma-filled BWO. Mode competition between the T-G modes and the X-band Tm₀₁ mode prevailed when the background plasma density was below 6×10¹¹ cm^-3 . At a critical background plasma density of ≃8×10¹¹ cm^-3 power enhancement appeared in both X-band and the T-G modes. Power enhancement of the S-band in this mode collaboration region reached up to 8 dB. Electric fields measured by the Stark-effect method were as high as 34 kV/cm while the BWO power level was 80 MW. These electric fields lasted throughout the high-power microwave pulse     

HL-2A װ�������ÿɼ����׶����·��������Ч���ӵ����

The multichannel bremsstrahlung measurement system on HL-2A tokamak has been using to observe the intensity of visible (535.1nm) bremsstrahlung radiation. Combined the intensity with plasma electron density and electron temperature, the effective ion charge measurements can be obtained on HL-2A tokamak. The 1×10¹⁹m⁻³ to4×10¹⁹m⁻³ experimental results show that when the plasma electron density increases from 1×10 m to 4×10 m , the effective ion charge number changes from 5 down to around 2. The bremsstrahlung radiation signal intensity is proportional to the quadratic plasma density. When the electron density is higher than 3×10¹⁹m⁻³, the multichannel bremsstrahlung measurement system can collect sufficient signal through the plasma, which enables the measurement of effective ion charge radial profile.     

HL-2A 装置中利用可见光谱段轫致辐射测量有效离子电荷数

通过测量可见光谱段的轫致辐射(λ=535.1nm)强度,结合等离子体电子密度和电子温度,HL-2A     

A cold thermionically emitting dusty air plasma formed by radiativeheating of graphite particulates

Formation of an atmospheric pressure dusty air plasma is explored experimentally in this paper. The plasma is created by seeding an air flow with graphite particles and irradiating the particulates with a focused CO₂ laser beam. The graphite particles are, thus, heated to thermionically emitting temperatures, and average particle temperatures and average particle number densities are measured. The presence of charges is inferred both from these measured quantities using a simple theoretical transient model, and experimentally by applying a dc bias across the irradiated region. It is found that an electron density of ~6.7 × 10⁵ cm^-3 (6.7 × 10¹¹ m^-3) can be produced at steady state in the presence of O₂. This value can be increased to 3.6 × 10⁷ cm^-3 (3.6 × 10¹³ m ^-1) in the ideal case where an electron attachment to O₂ is suppressed and where a lower work function particulate is used     

EAST上基于端口密度测量的低杂波耦合研究

介绍了一套安装在EAST装置低杂波天线端口上方,用来测量端口附近电子密度的Langmuir三探针系统及其初步实验结果。此探针系统由探针、测量电路、数据采集以及数据处理四部分构成。实验结果表明：在低杂波天线端口充气的条件下,低杂波注入后端口密度会有明显的增加。端口密度与反射系数的关系与理论趋势一致,EAST上低杂波耦合的最佳密度出现在4~5×10¹⁷m^-3。     

等离子体中X射线透过率分析及潜在通信应用研究

X射线具有波长短、光子能量高等特点,有望在等离子体环境中实现信息的有效传输.本文首先采用基于连续介质中的WKB分层法,研究了黑障条件下, X射线在非均匀等离子体鞘套中的透过率特性,仿真了不同等离子体电子密度和碰撞频率下X射线信号的透过率,理论上证明了X射线可用于黑障区信息传输的可行性.其次通过搭建环形扩散辉光放电等离子体发生器及实验验证系统,进行了国内外首次X射线穿过等离子体鞘套的验证实验.实验结果表明,等离子体对X射线信号的透过率存在一定程度的衰减,透过等离子体前后的X射线信号能谱轮廓相似度优于95.5%,能谱峰值点的偏移量小于1.3%.此外,在原有理论模型的基础上,考虑等离子中的粒子与X射线的碰撞、吸收效应,优化了X射线在等离子体中的透过率模型,与传统的理论方法相比,该模型可对实验现象进行更好的解释.同时计算了X射线在临近空间的透过率,并分析了X射线通信所能达到的潜在指标.这些结果有望为解决黑障区信号传输提供一定的理论与实验依据.     

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A radio frequency (RF) driven negative ion source for NBI purpose was established at HUST. The main parameters include: pressure of 0.3Pa, frequency of 1MHz, ceramic cylinder diameter of 300mm. With 16kW RF power input the plasma density is greater than 10¹⁸m^-3.     

用于中性束注入的大功率射频离子源激励器研制

建立了一个等离子体射频激励器,工作气体为氢气,工作气压为0.3Pa,激励器陶瓷桶直径300mm,工作频率1MHz。实现了RF等离子体激发放电,在输入射频功率16kW条件下,采用朗缪尔探针测得的等离子体密度>10¹⁸m^-3,初步建立了一个RF等离子体源实验平台。     

Microwave resonant-cavity-produced air discharges

Air discharges produced in an Asmussen microwave cavity (0-300 W, 2.45 GHz, CW) between 0.5 and 100 torr were investigated. Gas temperatures (1000-2500 K) were estimated from rotational temperatures obtained from optical emission spectroscopy (OES). These agreed with a simple model of the heat transfer of the gas where joule heating was included as the source term. Vibrational temperatures (3700-7300 K) were also determined from OES and followed the electron energy trends. Electron density (10¹¹-10¹³ cm^-3), collisional frequency (10¹¹-10¹² s^-1), and plasma conductivity (0.09-0.3 (Ω-m)^-1) were calculated from a self-consistent electromagnetic model of the cavity where the plasma was assumed to be a lossy dielectric. Absorbed power, electric, and optical probe measurements were used as the input parameters to the model