1、電子回旋輻射成像診斷的遠程信號調控系統,答辯人： 導 師： 日 期： 單 位： 中國科學技術大學物理學院,中國科學技術大學碩士論文答辯,提 綱,1、ECEI系統屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結2、ECEI遠程信號調控系統ECEI系統在EAST面臨的問題本振源和系統供電的遠程控制電子學模塊信號調控系統ECEI遠程控制總

2、結3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統結構以實現方式快速寬頻電磁譜儀總結,2,ECEI系統基本參數介紹,ECEI系統在EAST上的位置以及周邊環(huán)境,R0 = 1.85 m; a = 0.45 m; Bt = 2.0~2.5 T電子密度 ne = 2.5~4.0 x 1019 /m3 輔助加熱系統: ICRF, NBI, ECRH (140 GHz) LHCD

3、 (2.45 GHz & 4.6 GHz),ECE Imaging (384 channels)信號帶寬: 90-155 GHz (F-band)24 極向×16 徑向 覆蓋范圍 : 600 mm (poloidal) ×180 mm (radial)時間分辨率~ 1 μs 可測量范圍[ -0.56, 0.99 ] (typical B=2.4 T)2012年開始成功實現了首次運行,3,提

4、綱,1、ECEI系統屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結2、ECEI遠程信號調控系統ECEI系統在EAST面臨的問題本振源和系統供電的遠程控制電子學模塊信號調控系統ECEI遠程控制總結3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統結構以實現方式快速寬頻電磁譜儀總結,4,原有屏蔽層介紹,ECEI系統初始的屏蔽狀態(tài),ECEI系統第一次優(yōu)化后的屏蔽狀態(tài),1,2,5,低雜波加熱對ECEI的影響,在2.4

5、5GHz低雜波注入功率為1MW左右時，ECEI系統大部分信號正常。但是4.6GHz低雜波以1.5MW注入時，ECEI系統受到了嚴重干擾。2.45GHz低雜波在EAST的N窗口，幾乎與ECEI系統位置相對距離較遠。4.6GHz低雜波在ECEI系統旁邊。,6,屏蔽原理以及原有屏蔽的缺陷,《電磁兼容設計基礎及干擾抑制技術》錢照明等著，P67,電磁波在界面的反射和透射,7,LHCD干擾源方向驗證(I),根據IEC電磁兼容標準，波導管作為工業(yè)及

6、科學射頻設備，在3m范圍內的輻射上限為100dB(μV/m)。,ip,ne,2.45GHz LHCD入射功率,2.45GHz LHCD反射功率,4.6GHz LHCD入射功率,4.6GHz LHCD反射功率,,Time (s),8,LHCD干擾源方向驗證(II),為驗證吸波海綿對2.45GHz干擾信號有吸收作用，以無線路由器作為干擾源，放置在ECEI系統附近，通過手持示波器實時對比使用吸波海綿遮擋前后ECEI系統信號。,未使用吸

7、波海綿包裹前，干擾信號約1.5V，達到飽和電壓,角錐形吸波海綿作為屏蔽材料,9,LHCD干擾源方向驗證(III),吸波海綿,使用吸波海綿遮擋EAST窗口，以及ECEI系統光路和天線信號入射口。遮擋后，在EAST正常低雜波放電條件下，開啟ECEI系統采集信號。,低雜波確實來自窗口內,10,干擾途徑驗證,使用實心鋁板代替高通濾波板，安裝在天線信號入口處，在EAST正常放電過程中打開ECEI系統，采集信號。,實心鋁板,,同軸線纜是目前屏蔽狀態(tài)

8、下，引入低雜波干擾的主要途徑,11,針對干擾源和干擾途徑提高屏蔽效能,角錐形吸波海綿,降低環(huán)境噪聲水平,提高屏蔽效能,使用角錐形吸波海綿可以有效提高屏蔽效能，同時可以避免單一金屬屏蔽層會導致周圍環(huán)境噪聲水平較高的問題，通過吸波海綿的吸收可有效降低了噪聲水平，減小了后方線纜及其他位置的屏蔽難度。,12,提高系統的穩(wěn)定性和可恢復性,13,屏蔽系統進一步升級的計劃,,由于主要干擾來自于窗口內低雜波的反射，因此針對該干擾源位置從根源上降低噪聲水

9、平是最好的屏蔽方法。目前的計劃是在窗口位置使用高通濾波的方式將干擾信號（2.45GHz和4.6GHz）濾除，同時不影響ECE信號，實現干擾信號幅度水平的降低。,14,ECEI系統屏蔽總結,實驗,結果,結論,1、ECEI系統目前實現了在低雜波注入功率在 2MW以下時能獲得正常的信號，屏蔽系統屏蔽效能更高。2、屏蔽系統的成功升級為ECEI系統在EAST上實驗提供了硬件基礎，獲得了更多有效數據，在2016年的實驗中共采集到3600炮有效數

10、據，為進一步的物理分析提供了基礎，3、ECEI系統的屏蔽對以后其他診斷和裝置的屏蔽具有借鑒意義，如將來的MIR等。,15,提 綱,1、ECEI系統屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結2、ECEI遠程信號調控系統ECEI系統在EAST面臨的問題本振源和系統供電的遠程控制電子學模塊信號調控系統ECEI遠程控制總結3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統結構以實現方式快速寬頻電磁譜儀總結

11、,16,ECEI系統在EAST實驗面臨的問題,實驗大廳進入限制，需要ECEI系統實現遠程控制,ECEI系統存在諸多手動控制,EAST實驗條件（加熱等）頻繁變化,電子學模塊衰減調節(jié)開關,BWO源,聚焦透鏡步進發(fā)電機,17,ECEI系統供電和本振源的遠程控制,18,遠程信號調理系統：系統的需求,ECEI系統需要幅度范圍合適的輸出信號,ECEI系統需要適應EAST上多變的條件變化,19,遠程信號調理系統：衰減調節(jié)的原理,,通過撥碼開關選擇10

12、K電阻(A位置)是否被短接到地電平，以此實現衰減芯片控制端電壓的調節(jié)。如若要實現遠程控制，只要實現可在B位置遠程提供0V或者-5V電壓即可。,20,遠程信號調理系統：硬件組成與設計(I),,,C,,21,遠程信號調理系統：硬件組成與設計(II),Arduino UNO單片機,電壓轉換電路結構圖,串并轉換電路的結構圖,電路整體原理圖、PCB圖以及實物圖,22,遠程信號調理系統：控制軟件及單片機程序,Arduino單片機可以通過網絡擴展卡實

13、現網絡通信功能，使用LabVIEW軟件編寫控制程序以及用戶界面，控制軟件通過網絡與單片機實現通信，控制單片機的輸出到電路的信號，實現遠程控制,23,遠程信號調理系統：集成與測試(I),使用1.5U的鋁質機箱，將Arduino UNO單片機、信號轉換電路和供電電源安裝在機箱中，機箱輸入有電源輸出、網絡輸入和單片機燒錄接口，輸出為兩個SCSI接口用于輸出控制信號。,24,遠程信號調理系統：集成與測試(II),25,遠程信號調理系統：集成與測

14、試(III),a,b,（a）手動控制和遠程控制的結果 （b）手動控制和遠程控制的結果（取對數坐標）,使用微波源為電子學模塊提供信號，并分別通過手動和遠程方式調節(jié)衰減值，測試輸出結果。從a和b的測試結果可以看出，遠程信號條理系統工作正常（手動控制和遠程控制的曲線相吻合），并且調節(jié)效率遠遠高于手動調節(jié)。至于兩條曲線的差異，主要由于測試針對兩個不同模塊進行，由于模塊芯片的差異

15、（如不同VCO芯片的輸出功率），造成了輸出幅度的些許區(qū)別。,26,ECEI遠程控制總結,ECEI系統為了更加適應托卡馬克實驗和保證自身的正常運行，在不斷地發(fā)展著遠程控制功能。目前已經實現的遠程控制有：ECEI系統遠程開關機、聚焦透鏡位置的遠程調節(jié)、本振源的遠程控制和電子學模塊遠程信號調理。ECEI系統的遠程開關機、透鏡位置以及本振源的遠程調節(jié)，可以有效提高系統的工作效率，減少進入EAST實驗大廳的次數，有效保障了ECEI系統的正常運行

16、和調節(jié)。電子學模塊的遠程信號調理系統可以實現模塊輸出的遠程調節(jié)，防止EAST不同加熱的功率變化造成的ECEI信號超出采集卡量程，保證系統獲得正常幅度的信號。同時遠程控制提高了工作效率，同時對于ECEI系統的其他位置遠程具有借鑒意義。遠程控制還是隨著實驗不斷發(fā)展的，目前完成了部分遠程控制，保證了系統的一些基本參數的調節(jié)。在將來的工作中可以對信號調理系統進行升級實現反饋控制，使控制系統更加智能。同時在屏蔽升級后可以嘗試實現ECEI高通濾

17、波板切換的遠程控制，完整實現成像區(qū)域的遠程調節(jié)。,27,提 綱,1、ECEI系統屏蔽優(yōu)化原有屏蔽層介紹優(yōu)化方案以及實驗驗證ECEI屏蔽總結2、ECEI遠程信號調控系統ECEI系統在EAST面臨的問題本振源和系統供電的遠程控制電子學模塊信號調控系統ECEI遠程控制總結3、高速寬頻電磁譜儀的研制背景介紹系統結構以實現方式快速寬頻電磁譜儀總結,28,高速寬頻電磁譜儀研制,在2016年的高溫等離子體診斷會議（H

18、TPD）中，韓國KSTAR微波組的報告中介紹了一種射頻頻譜分析診斷。該診斷將寬帶接收天線放置在裝置窗口附近接收空間電磁輻射，使用射頻電路對接收信號進行濾波分段和檢波，可以實現快速實時地監(jiān)測周圍環(huán)境的輻射頻譜。,29,系統組成以及實現方式：碟形天線仿真,30,系統組成以及實現方式：射頻電路仿真和設計(I),由于不同環(huán)境下天線接收到的輻射信號的強度不同，因此需要放大器和可調衰減器等配合使用，保證輸入信號幅度可調。該電路設計的帶寬為50-10

19、00MHz（與天線相同），主要依據是KSTAR的實驗結果表明只在200MHz和300MHz的頻率范圍內看到了相應信號。根據設計，電路的輸入信號幅度范圍約為-86dBm~-10dBm，檢波器的輸出范圍為0V~1.2V，檢波器的視頻帶寬為16MHz，在高速采集的輔助下可以實現實時監(jiān)測。,31,系統組成以及實現方式：射頻電路仿真和設計(II),32,高速寬頻電磁譜儀總結,由于該項工作啟動較晚，目前只完成了上述工作內容。后續(xù)的工作主要包括，根據

20、原理圖繪制PCB圖并進行射頻電路的布局和布線，再由PCB電路板圖交付成產并焊接相應電子元件，射頻電路制作完成后對電路進行測試，如掃頻測試和掃功率測試等，根據測試結果對設計進行調整。同時還需要對天線進行參數優(yōu)化和制作，并將其與射頻電路組合進行實際測試。高速寬頻電磁譜儀總結：該診斷方式可以監(jiān)測裝置周圍的電磁輻射，獲得等離子體內磁重聯等物理過程產生的電磁輻射的頻譜，輔助其他診斷分析等離子體內的物理過程演化。系統設計的帶寬為50-100

21、0MHz，視頻帶寬為16MHz，理論上可以滿足實驗需求，實現環(huán)境中電磁輻射頻譜的實時監(jiān)測。高速寬帶電磁譜儀的制作涉及了天線以及射頻電路相關理論，通過該診斷的設計可以為微波成像組積累微波和射頻相關設計經驗。,33,總結與展望,在碩士論文工作期間主要完成了以下工作：完成了ECEI系統屏蔽的進一步優(yōu)化，保證了ECEI系統在低雜波加熱功率為2MW以下時可以獲得良好數據，為進一步的數據分析提供了基礎。完成了ECEI系統部分遠程控制的設計和制

22、作，主要包括ECEI系統供電遠程控制、本振源的遠程控制和電子學模塊的遠程信號調理系統，實現了ECEI系統的基本遠程控制功能，提高了工作效率。同時遠程信號調理系統保證了ECEI系統輸出信號在采集卡幅度范圍內，使系統獲得更多有效信號。最后根據KSTAR微波組的RF Spectrometer設計了高速寬頻電磁譜儀，用于實時監(jiān)測等離子體裝置周圍電磁輻射，分析并得到由于磁重聯或者MHD不穩(wěn)定性等產生的電磁輻射頻譜，輔助其他診斷分析物理演化過程。