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在HL-2A装置上研制了用于测量等离子体密度分布的两套幅度调制微波反射仪。微波反射仪采用时间延迟法。这两套微波反射仪有不同的频率范围(26.5～40GHz和40～60GHz),它们所对应的密度测量范围是(0.84～1.98)×1019m-3和(1.98～4.47)×1019m-3。时间分辨率可达1ms,空间分辨率约为5mm。     

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介绍了在HL-2A装置上发展的一套快速扫频的Q波段外差微波反射系统,用于高时空分辨测量等离子体边缘到约束区的电子密度分布。该系统采用外差式连续波扫频调制技术(VCO),由外部任意波电压控制,工作频率为33~50GHz,全波段扫频周期达到6μs。在台面标定中发展了 VCO 源的动态标定技术,并解决了微波源及器件的非线性响应、波导的色散特性等因素造成差频频率动态范围过大的问题,使反射面固定时系统输出的差频为定频信号,有利于降低噪声干扰和数据处理。同时发展了直接相位处理技术,实现快速的电子密度分布反演。实验中用该微波反射系统测得了L模、H模等不同等离子体放电条件下的电子密度分布,观测ELM爆发前后台基区的形成与垮塌过程。     

HL-2A 装置上的快扫Q 波段微波反射系统研制

介绍了在HL-2A 装置上发展的一套快速扫频的Q 波段外差微波反射系统,用于高时空分辨测量等离子体边缘到约束区的电子密度分布。该系统采用外差式连续波扫频调制技术(VCO),由外部任意波电压控制,工作频率为33~50GHz,全波段扫频周期达到6μs。在台面标定中发展了VCO 源的动态标定技术,并解决了微波源及器件的非线性响应、波导的色散特性等因素造成差频频率动态范围过大的问题,使反射面固定时系统输出的差频为定频信号,有利于降低噪声干扰和数据处理。同时发展了直接相位处理技术,实现快速的电子密度分布反演。实验中用该微波反射系统测得了L 模、H 模等不同等离子体放电条件下的电子密度分布,观测ELM 爆发前后台基区的形成与垮塌过程。     

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.     

真空环境中等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究

在真空环境中，利用传输线测量装置，开展微波等离子体喷流对反射电磁波衰减的实验研究.实验结果表明，采用传输线测量方法能够有效地获得等离子体对反射电磁波的衰减；在5GHz附近，以氩气为工质，流量为52.5mg/s时，52W微波功率在真空环境中产生的等离子体喷流能对反射电磁波产生最大的衰减；增加微波功率、降低真空环境压强可以提高等离子体对反射电磁波的衰减；要使等离子体能够对反射电磁波产生最大的衰减，必须选取合适的发生器参数. 关键词： 电磁波在等离子体中的传输 等离子体基本过程 电磁波     

8 mm微波反射成像系统准光结构

微波反射成像（MIR）是等离子体湍流扰动诊断中的一种重要手段，它注重于测量高时空分辨力的二维/三维分布，实现等离子体空间湍流结构的可视化实时观测，以获得更为准确的物理信息。针对等离子体诊断要求，结合托卡马克HL-2A装置的参数,对具有准光结构的8 mm微波反射成像系统进行了理论计算和仿真设计，设计出一套准光系统，为指导微波反射成像的系统设计奠定基础。     

HL-2M 装置扫频 ECE 测量系统研制

为了测量 HL-2M 装置中的电子温度剖面分布,研制了一套扫频电子回旋辐射(SECE)系统。该系统 能够测量装置中心纵场大小在 1.4~2.2T 时的等离子体电子温度。采用扫频外差接收的方式,径向空间分辨达到 2.5cm,时间分辨达到 1ms。接收机前端的准光学系统采用两级金属反射镜的配置,系统能够接收的最小极向光 斑的直径为 1.5cm（波数 k_θ<4.2rad·cm^-1）。系统的频带范围覆盖 33~110GHz,采用 VCO 作为本振源,双边带混频 输出中频信号。后端首次采用高性能对数检波器解调中频,能直接对-70dBm 的微弱信号进行检测,输入-输出工 作区间的动态范围达到 45dB 以上。在实验期间,成功测量到了等离子体中电子逃逸以及回旋辐射产生的信号。     

无工质微波推力器推力测量实验

基于经典的电磁学理论, 本文建立了一套新概念空间推进装置-----无工质微波推力器系统, 这套装置可以直接把微波辐射能转换为推力而不需要任何推进介质. 与传统的空间推进装置不同, 该系统可以避免携带庞大的推进剂储箱并消除羽流对航天飞行器的污染. 该系统由集成在一起的圆台微波谐振腔、 微波源和负载组成, 其中微波源产生的微波辐射能被输入到圆台微波谐振腔内并形成纯驻波与电磁压强梯度, 从而沿圆台微波谐振腔轴线方向形成净推力. 本文根据随遇平衡原理, 通过克服推力器本身的自重和刚性阻力, 成功地测量出无工质微波推力器产生的净推力. 结果表明: 基于经典电磁学理论建立的无工质微波推进系统可以产生净推力; 当微波源输出2.45 GHz, 80---2500 W的微波功率时, 推力器产生的推力分布在70---720 mN范围内, 测量总误差小于12%.     

放电功率变化对电磁波在电感耦合闭式等离子体中的衰减特性

射频电感耦合等离子体(ICP)放电方式能够在较宽的压强范围内产生大面积、密度高的等离子体,在对电磁波衰减应用中具有较大优势。通过研究ICP等离子体与电磁波相互作用的过程,改进闭式等离子体模型,建立电磁波在非均匀等离子体中传播的分层计算模型,对实测诊断分布情形下等离子体与电磁波的相互作用进行研究,得到不同功率条件下电磁波衰减的变化情况;提出射频电感耦合闭式等离子体用于电磁波衰减的方法并实验验证,基于等离子体覆盖金属平板的测量模型,在实验室内搭建了以金属板为衬底的弓形微波反射测试系统,研究了闭式等离子体对4～8 GHz频段范围内微波反射的作用特性,以及不同射频功率对微波反射的影响规律,并将实验测量与计算结果进行对比分析。实验表明,通过功率调节,电感耦合闭式等离子体对5.92～6.8 GHz频带电磁波具有明显的衰减作用。     

微波共振探针及其在等离子体诊断中的应用

介绍了能够测量稳定和时变等离子体电子密度的微波共振探针,给出了其工作原理和在测量稳定、时变和瞬态等离子体电子密度中的应用。分析了传输模式和反射模式的工作过程及对测量范围、测量精度和空间分辨率等影响因素。结果表明,选用较长的探针有利于提高电子密度的测量范围和精度;选用的微波扫频源高端频率越高,频率分辨率越高,则电子密度的测量范围越大,测量精度越高。理论分析得出系统可测量的电子密度约为1.37×10⁸~4.1×10¹¹cm^-3。     

大气压微波等离子体射流装置放电特性研究

基于同轴传输线结构设计了两种不同喷嘴结构的大气压微波等离子体射流(MW-APPJ)装置,其工作频率2.45 GHz,工作气体为氩气,分别研究了两种不同喷嘴结构对等离子体放电特性产生的影响。仿真结果表明,MW-APPJ在气体喷嘴处会产生高强度的电场,经过优化结构,实现在频率2.45 GHz下,喷嘴处的场强满足氩气电离的击穿场强阈值要求。同时,利用多物理场耦合仿真软件对装置的气流分布进行了稳态模拟,并通过实验对比分析了两种喷嘴结构下大气压氩等离子体射流的基本特性。实验结果表明,不同的喷嘴结构会影响等离子体装置的反射系数随输入功率的变化规律,但并不影响等离子体射流长度随输入功率的变化规律和反射功率随进气流量的变化规律;同时,在大气压下,稳态微波等离子体射流呈现出类金属性,等离子体中的电子只能在很薄的区域中吸收微波能量,因而造成微波的反射功率较大。     

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。     

大面积等离子体片密度分布分析

利用空心阴极放电产生了尺寸为60 cm× 60 cm× 2 cm的大面积等离子体面. 在实验室条件下对大面积等离子体片的密度分布进行了测量. 由于高压放电脉冲脉宽较短, 实验中改变了测量方法, 同时, 在中等磁场影响下, 为了得到真实的等离子体密度, 进行了必要的数值修正.在放电电流为1---6 A时, 测量了二维的电子密度分布. 另外, 测量并讨论了其他环境参数对等离子体密度的影响. 电子密度的分布情况对与微波波束切换相当重要. 由空心阴极增强型放电产生的大面积等离子体面具有反射X波段(8---12 GHz) 微波需要的足够稠密的电子密度和足够均匀的密度分布, 这是等离子体面在雷达系统中取代金属面板的有利条件.     

真空中不同极化电磁波在微波等离子体喷流中的衰减特性实验研究

在真空环境中，利用空间反射电磁波测量装置，开展微波等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波衰减的实验研究，分析不同极化电磁波在等离子体中衰减的影响因素.实验结果表明：以氩气为工质，真空室中微波等离子体喷流对垂直和水平极化电磁波具有显著的吸收效应.发生器流量、功率以及实验真空度对垂直极化电磁波在等离子体中的衰减影响明显.真空度和发生器功率对水平极化电磁波没有显著影响. 关键词： 等离子体中的电磁波 等离子体基本性质 电磁波     

HL-2A装置ECRH系统指标介绍

在HL-2A装置上正在开展电子回旋共振加热（ECRH）项目的工程研制，系统具有1MW，68GHz，1s的微波规模。采用弱场侧O模式注入，ECRH的定域加热特性可以用于等离子体加热、电流驱动和分布控制以及改善约束等实验的物理研究。到目前为止，电子回旋共振加热的各项子系统正在设计和研制中，系统的总体物理和工程参数已经初步确定，在此对其作一介绍。     

真空中微波等离子体喷流电子数密度分布规律实验研究

为了准确诊断真空中微波等离子体喷流的电子数密度，利用统一的发射和单郎缪尔探针测量等离子体的空间电位，再测量等离子体的电流-电压特性曲线.根据空间电位测量结果，在等离子体的电流-电压特性曲线上能准确地获取饱和电流，从而处理出电子数密度.最后的诊断实验表明，当真空环境压强为2—6 Pa、等离子体发生器以60 W以下的微波功率击穿流量范围是42—106 mg/s的氩气时，所产生的微波等离子体喷流中电子数密度分布在1×10¹⁶—7.2×10¹⁶/m³范围内.     

一种准光反射聚焦微波放电大气等离子体装置

设计了一种准光反射聚焦方式的微波放电大气等离子体实验装置,装置包括大气环境模拟室和微波辐射聚焦系统。辐射微波在腔室中心形成kV/cm量级的非均匀强场,击穿大气产生等离子体。通过仿真计算了腔室内的空间辐射场分布,并利用小信号传递的方式进行测量,测量结果与仿真相符,形成的等离子体形态与辐射场分布强弱一致。电磁场在聚焦区域形成驻波,等离子体出现明显分层现象。实验通过拍照记录了不同参数条件下的等离子体图样,等离子体形态随气压升高而收缩,放电区域受场强和气压共同影响。对实验结果进行分析,验证了该装置的能力。     

微波三探针等离子体阻抗测量系统

1引言在微波等离子体系统中，等离子体作为微波传输线的负载．它的物理和化学性质的变化在微波传输线中通过负载阻抗的变化体现出来[1]．我们自行研制的微波三探针等离子体阻抗测量系统具有结构简单、成本低、灵敏度高、对微波硬件要求低等优点，为我们了解等离子体内部性质的变化提供了又一诊断途径．2微波三探针等离子体阻抗测量系统的工作原理图1为我们自行设计的微波三探针等离子体阻抗测量系统的结构示意图．在长度为133mm的．BJ—22型矩形波导的宽边中心线上，三只微波电探针以间隔λg／6（λg为波导波长，在我们使用的2450MHZ微波…     

8mm波段外差时序多色仪实验

诊断托卡马克及其他磁约束聚变装置等离子体电子温度分布的有效手段之一是测量其电子迴旋辐射谱。现在世界上各聚变实验室为此所使用的谱仪有两大类:一类是时序谱仪,其中有扫频外差接收机和各种扫描干涉仪(如法-玻干涉仪,迈克尔逊干涉仪等);另一类是多色仪(如光栅光谱仪)。谱仪的频率范围一般在毫米波和亚毫米波段。对时序谱仪的要求除具有一定的频带宽度和接收灵敏度外,最主要的是扫描速率(指完成一幅给定谱宽的测量所需的时间T_t)。目前以返波管为本振的扫频外差接收机扫描速率最高。如60—90GHz扫频仪,T_t=1—10ms。各种扫描干涉仪则由于采用机械扫描,速率较低。     

L波段三维ESR成像系统的研制（Ⅱ）——L波段三维ESR成像系统

叙述了一个L波段（1.05 GHz）用于ESR和ESR成像的装置，用这套自制装置实现了3D ESR成像. 该装置由L波段ESR谱仪、三组梯度场线圈及控制单元和PC机数据采集系统组成. 样品腔是一个3-环2-缝再进入式谐振腔，可放入直径为20 mm、 长30 mm的H₂O样品，空谐振腔的频率是1.05 GHz. 微波振荡频率用自动频率控制（AFC）的方法自动锁在有载腔的频率上. 梯度场线圈沿X-，Y-和Z-轴产生线性梯度场，在中心40 mm球形范围内梯度场强度为2 mT/cm. 依照Lauterbur's方法进行3D ESR 图像重建. 用该系统检测了样品中TEMPO氮氧自由基的3D空间分布. 得到了TEMPO的2D、3D ESR图像、用像素灰度表示的自旋密度分布图及3D ESR-CT图像.