高時(shí)空分辨電子回旋輻射成像診斷技術(shù)的研究

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1、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文高高高時(shí)時(shí)時(shí)空空空分分分辨辨辨電電電子子子回回回旋旋旋輻輻輻射射射成成成像像像診診診斷斷斷技技技術(shù)術(shù)術(shù)的的的研研研究究究作者姓名：羅辰學(xué)科專業(yè)：等離子體物理導(dǎo)師姓名：劉萬東教授謝錦林博士完成時(shí)間：二○一四年一月UniversityofScienceandTechnologyofChinaAdissertationfordoctor’sdegreeStudyoftheHighSpatialandTemporalResolutionElectronCyclotronEmissionImagingDiagnosticTechniqueAuthor’sName:CH

2、ENLUOSpeciality:PlasmaPhysicsSupervisor:Prof.WandongLIU,Doc.JinlinXIEFinishedTime:Jan.10th,2014中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性和授權(quán)使用聲明本人聲明所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行研究工作所取得的成果。除已特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明。本人授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)擁有學(xué)位論文的部分使用權(quán)，即：學(xué)校有權(quán)按有關(guān)規(guī)定向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱，可以

3、將學(xué)位論文編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存、匯編學(xué)位論文。保密的學(xué)位論文在解密后也遵守此規(guī)定。作者簽名：年月日摘要本論文主要研究了具有高時(shí)空分辨特性以及二維大尺度直接測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)的電子回旋輻射成像(ECEI)診斷的技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其在國(guó)際上數(shù)個(gè)中型托卡馬克裝置上的應(yīng)用。工作重點(diǎn)是集成國(guó)際上最新的微波診斷技術(shù)成果，在東方超環(huán)(EAST)裝置上設(shè)計(jì)集成可調(diào)變焦前端耦合光路以及新型寬帶電子學(xué)系統(tǒng)的新一代384道ECEI診斷系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)該裝置內(nèi)電子溫度的大尺度、高精度和高時(shí)間分辨的實(shí)時(shí)二維測(cè)量。射電天文學(xué)領(lǐng)域中已較為成熟的毫米波天線混頻陣列以及準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)應(yīng)用于微波等離子體

4、診斷后即成為ECEI診斷系統(tǒng)的雛形，其中準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用在保證成像的靈活性以及毫米波波段的寬帶處理能力的同時(shí)大大降低了建造難度和成本，。上世紀(jì)末基于微帶和印刷電路技術(shù)以及二次下混頻思路的寬帶電子學(xué)系統(tǒng)的集成則進(jìn)一步將ECEI診斷拓展為實(shí)時(shí)二維測(cè)量。標(biāo)準(zhǔn)多通道高速同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用該系統(tǒng)其與MDSplus服務(wù)器的高速通信能力則在提升系統(tǒng)最大時(shí)間分辨率的同時(shí)降低了國(guó)際交流合作的門檻。本文重點(diǎn)討論EAST裝置上新一代384道ECEI系統(tǒng)的研制，該系統(tǒng)集成了近年來微波診斷技術(shù)的最新結(jié)果。具體從準(zhǔn)光學(xué)耦合，寬帶電子學(xué)以及多通道高速同步數(shù)據(jù)采集這三個(gè)子系統(tǒng)的角度展開討論。EAST裝置上的384

5、道ECEI系統(tǒng)中電子學(xué)部分中預(yù)期將同時(shí)輸出的384路、最高400kHz帶寬的模擬電壓信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)384道視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)采集和處理，我們研制了一套384道高速數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。采集系統(tǒng)硬件方面首先通過12塊定制的具備高共模抑制比的高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊以及大容量板載存儲(chǔ)的的采集卡實(shí)現(xiàn)了384通道的高速連續(xù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)采集，接著通過多道高精度觸發(fā)和時(shí)鐘信號(hào)分路器解決了全部384通道的時(shí)序同步難題，配套光隔后可直接接入EAST裝置的外觸發(fā)和時(shí)鐘信號(hào)；另外高速傳輸內(nèi)網(wǎng)的搭建使得每次放電后至少高達(dá)7.6GB的總數(shù)據(jù)量?jī)H需半分鐘即可傳輸?shù)綌?shù)據(jù)服務(wù)器。同時(shí)軟件方面通過對(duì)基本命令的腳本集成實(shí)現(xiàn)了多種

6、采集模式的快速切換以及全自動(dòng)無人值守采集，其中多種遠(yuǎn)程監(jiān)控方式以及異常處理能力也充分保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定度和連續(xù)工作能力。最后該套384道高速數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)成功用于EAST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)中，滿足了EAST裝置上常規(guī)10s放電以及30s長(zhǎng)脈沖放電的采集需求，并取得了多種放電參數(shù)下具有高采樣深度，高采樣率，且時(shí)序同步的384道數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)二維溫度測(cè)量中徑向的大尺度連續(xù)覆蓋，我們?yōu)镋AST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)開發(fā)了一套新型寬帶中頻電子學(xué)子系統(tǒng)，其帶寬是國(guó)際上其他ECEI系統(tǒng)的2倍以上，對(duì)應(yīng)托卡馬克小截面上超過兩倍的徑向覆蓋范圍；另外其視頻帶寬可達(dá)400kHz，能夠分辨快離子

7、引發(fā)的一些高頻模式。該套新型寬帶中頻電子學(xué)子系統(tǒng)已于2011年年底完成了測(cè)高時(shí)空分辨電子回旋輻射成像診斷技術(shù)的研究中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士學(xué)位論文試，并作為EAST裝置上384道ECEI系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分成功應(yīng)用于2012年EAST裝置的物理實(shí)驗(yàn)中，其中高帶寬帶來的徑向大范圍連續(xù)采樣能力為大尺度現(xiàn)象的研究提供了平臺(tái)。本文最后重點(diǎn)討論在超導(dǎo)托卡馬克裝置的毫米波成像診斷中準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)的應(yīng)用。具體為EAST裝置上的384道ECEI系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套可調(diào)變焦的毫