EAST装置多道极向相关反射仪诊断

向皓明，屈 浩，张 涛，耿康宁，文 斐，韩 翔，王嵎民，孔德峰，张寿彪，黄灿斌，蔡剑青，高 翔，林晓东

1) 深圳大学物理与能源学院，广东深圳 518060；2)中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031；3)中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥230026



【物理与应用物理 / Physics and Applied Physics】

EAST装置多道极向相关反射仪诊断

向皓明1,2，屈 浩2, 3，张 涛2，耿康宁2, 3，文 斐2，韩 翔2，王嵎民2，孔德峰2，张寿彪2，黄灿斌2, 3，蔡剑青2，高 翔2，林晓东1

1) 深圳大学物理与能源学院，广东深圳 518060；2)中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥230031；3)中国科学技术大学核科学技术学院，安徽合肥230026

在先进实验超导托卡马克(experimental advanced superconducting Tokamak，EAST)装置上研制多道极向相关反射仪诊断，使系统可同时测量8(径向)×2(极向)个位置的电子密度涨落．该系统选用8个固定输出频率(12.5、13.5、14.5、15.0、15.5、16.0、17.0和18.0GHz)的介质振荡器作为信号源，源输出的信号通过4倍频器倍频至V波段，通过多个3dB定向耦合器耦合成一路，入射波通过一个20dB定向耦合器分为2路，其中，主路微波通过一个角锥天线入射进入等离子体，副路微波作为参考信号．接收天线阵列由2个极向间隔为6cm的角锥天线组成．参考信号和反射信号与频率为14.2GHz的介质振荡器4倍频之后的输出信号进行混频，混频后的中频信号分别通过放大器、带通滤波器组件和同相正交解调器进行解调．通过该诊断系统，初步观察到了由低约束模式向高约束模式转换的现象，且在ELM-free阶段，台基梯度区域，出现了持续时间在毫秒量级、频率在40～50kHz的相干模．

等离子体物理；先进实验超导托卡马克装置；相关反射仪；密度涨落；高约束模式；台基湍流；相干模

在磁约束聚变等离子体[1]中，等离子体密度涨落与输运是聚变研究的关键，湍流及其所引起的反常输运对于等离子体输运机制的研究具有重要意义[2]．大量研究表明，湍流的径向相关长度与等离子体的径向输运密切相关[3-4]，同时，等离子体的旋转速度对等离子体的约束亦有重要影响[5-6]．因此，先进实验超导托卡马克(experimental advanced superconducting Tokamak，EAST)装置上迫切需要发展一套可以高时空分辨的多点测量等离子体密度涨落特征的诊断系统．微波反射仪诊断基于雷达原理[7-9]，将低功率的微波入射到等离子体中，入射微波在与其频率对应的截止面反射，反射波的相位涨落反映了截止位置的密度涨落[10]．由于反射仪诊断在硬件上较简单、时空分辨高且对等离子体扰动小，因而在聚变装置上有广泛应用．Continuous current Tokamak(CCT)上发展的O模零差径向相关反射仪[11]，通过与朗缪尔探针测量结果对比，分析了反射仪进行径向相关长度测量的可行性．在托卡马克核聚变试验堆(Tokamak fusion test reactor, TFTR)上发展了一套X模极化的径向相关反射仪[12]，该系统包括一路频率固定(122GHz)的发射端以及另外一路频率可调(111～123GHz)的发射端，研究了中性束注入的情况下径向相关长度的变化．JT-60U的径向相关反射仪[13]已经用于测量等离子体芯部的密度涨落，并且通过相关性分析研究了内部输运垒的物理机制．近年来，极向相关反射仪也在聚变装置中被广泛应用．在T-10托卡马克装置上发展了一套3波O模外差极向相关反射仪[14]，它能够测量等离子体的密度涨落垂直于磁场旋转的速度在径向上的分布．而在TEXTOR上的相关反射仪[15-16]能够同时实现径向和极向相关性的测量，由于系统有3组天线阵列，不仅能够实现小范围的相关测量，还可以利用大环向间隔的2个天线阵列进行测地声模的相关性研究．

2012年，Gao等[17]在EAST上应用V波段(50～75GHz)单道可扫频反射仪测量了台基区的密度涨落，并研究了在低约束模式(L模)到高约束模式(H模)转换期间，边界区域密度涨落随时间空间演化的过程．随后Qu等[18]在EAST上发展了V波段X模极化径向/极向相关反射仪，通过极向相关分析得到了欧姆放电等离子体密度涨落的垂直旋转速度(约-3～-1km/s)，旋转方向为电子逆磁漂移方向，并且通过在一个固定测量点附近进行台阶扫频测量得到了欧姆放电等离子体中密度涨落的径向相关长度(约1.5cm)．但是系统受扫频测量原理的影响，只能同时测量两个不同径向位置处的密度涨落，为了能够实现更多径向点密度涨落的同时测量，进而得到湍流引起输运的径向特征，本研究研制的多道极向相关反射仪，能同时测量8(径向)×2(极向)个位置的电子密度涨落．

1 多道极向相关反射仪诊断系统

本研究设计的多道相关反射仪系统采用X模极化方式，原理如图1．

图1 多道相关反射仪系统的原理图Fig.1 Schematic diagram of microwave system of multi-channel poloidal correlation reflectometry

发射端：为能够同时测量多个径向位置的密度涨落，本研究采用8个介质振荡器(dielectric resonator oscillators, DRO)作为微波源，其频率分别为12.5、13.5、14.5、15、15.5、16.0、17.0和18.0GHz．每路微波分别通过一个主动4倍频器将频率转换到V波段，即50、54、58、60、62、64、68和72GHz，每路信号功率约为10～14dBm．这8个V波段微波信号通过多个3dB耦合器耦合成为一路，然后通过一个20dB定向耦合器，其中副路作为参考端信号，而主路作为入射波发射到等离子体中，即发射端．在实验室中使用频谱分析仪对发射端信号中的各个频率成分进行测试，结果如图2．由于3dB耦合器会对信号产生约3dB到 4dB的衰减，最后发射端大多数频率的信号幅度约在0～2dBm，而58GHz的信号功率仅约-4dBm．

图2 发射信号和功率Fig.2 The power of transmitted signal

本振端：一个频率为14.2GHz锁相源的输出信号通过功分器分成3路，然后分别通过一个主动4倍频器，将信号转化到V波段，为参考端以及两个接收端提供本振信号．混频后的信号通过低噪声放大器被放大，然后通过8路功分器和窄带带通滤波器组，从而滤出每个工作频率对应的信号．滤波后，每个频率的反射信号与参考信号都被放大再分别送入同相正交(in-phase/quadrature，I/Q)解调器，以进行I/Q解调，最后得到I信号和Q信号．因而，该滤波器组的性能对于最终的信号是否纯净至关重要．I/Q解调之后的输出信号通过12bit的PXIe-5105数据采集卡采集，采样频率为2MHz．

由于发射端频率为50、54、58、60、62、64、68和72GHz，而本振信号的频率为14.2×4=56.8GHz，因而混频后的中频信号与发射端频率的对应关系分别为：50GHz→6.8GHz；54GHz→2.8GHz；58GHz→1.2GHz；60GHz→ 3.2GHz；62GHz→5.2GHz；64GHz→7.2GHz；68GHz→11.2GHz；2GHz→15.2GHz．

带通滤波器组件由8个不同的滤波器组成，其中心频率分别为这8个中频频率．图3为其中一个滤波器组件的衰减度与输入信号频率的对应关系．由图3可见，1.2、2.8、3.2、5.2、6.8和7.2GHz所对应的带通滤波器的通带均为500MHz，而中心频率较高的11.2和15.2GHz滤波器所对应的通带为1GHz．虽然1.2、2.8和3.2GHz的带通滤波器在高频部分都存在一个通带，但此通带与相应的中心频率相比，有至少20dB的衰减，不会对最终的信号产生影响，所以，该带通滤波器能够保证准确地筛选出系统需要的频率．

图3 带通滤波器的性能Fig.3 The performance of the bandpass filter

天线阵列：多道极向相关反射仪的天线阵列位于EAST装置中平面以下的K窗口16cm，距离分型线1.9m，与以前的径向/极向相关反射仪[13]类似，如图4(a)．其中，R为托卡马克的大半径；Z为垂直方向．微波束通过角锥线发射到等离子体中，为使发射端的微波束垂直入射到截止面上，在安装天线阵列前先计算EAST实际平衡位形下不同纵场和密度下的截止面，且通过扫描入射角得到最佳的入射角[18]．计算结果显示，当入射角度与中平面夹角为7°时，V波段各个频率能基本满足垂直入射．图4(b)是系统的天线阵列的布置，天线A为发射天线，天线B和天线C为接收天线，所有天线均选用增益为20dB的角锥天线．为了能够测量两个不同的极向位置，两个接收天线位于同一个环向位置，在极向上的间隔为6cm，该间隔使两个天线能够分别接收两个不同极向位置的反射信号．

图4 在EAST装置的天线阵列布置Fig.4 Antenna arrangement of multi-channel correlation reflectometry on EAST

图5 不同纵场X模右旋截止频率与8个发射频率截止点位置的对应关系Fig.5 The correspondence between the cutoff points of eight emitting signals and the X-mode right-hand polarized cutoff at different toroidal magnetic field

对于目前的EAST常规物理实验中，纵场场强BT一般在1.80～2.25T内．图5显示了在两个不同纵场(1.80和2.25T)的等离子中，不同电子密度ne值下X模右旋截止频率与8个发射频率对应的截止点的位置．由图5可见，当纵场场强BT=1.80T时，在低密度值(ne=1.5×1019m-3)情况下，8个入射频率在H模运行时能够覆盖整个台基区并且可以测量到更加芯部的位置；而在高密度值(ne=3.0×1019～4.5×1019m-3)情况下，8个工作频率能够测量台基梯度区．当BT=2.25T时，50GHz的入射信号反射位置位于台基底部，频率更高的7个入射频率能够覆盖台基梯度区．因此，8个入射频率的选择能够在EAST装置的运行模式下满足多点测量台基湍流的目的．

2 EAST实验结果

在EAST装置2016年的实验中，多道极向相关反射仪已用于等离子体密度涨落的多道测量．图6为EAST第61023次等离子体放电实验，其中BT=1.80T，等离子体电流Ip= 400kA，虚线代表L-H转换时刻．图6(a)和(b)分别表示Da信号、等离子体储能(Wdia)以及线平均密度，在低杂波进行辅助加热的情况下，在约2.2s发生L-H转换，随后进入H模．图6(c)至图6(j)分别表示8个固定频率反射信号的频谱[19]，用于分析等离子体密度涨落．由图6可见，在L-H转换之后，高频的涨落被抑制；同时，在ELM-free[20]阶段，在58、60、62和64GHz这4个测量道中可观察到相干模[21]，且最初相干模的频率在40～50kHz，后渐增至100kHz，后被宽频的涨落所替代，相干模持续时间在毫秒量级.通过对涨落信号进行极向相关分析，能够更确切地理解相干模所传达的信息．图7是对62GHz测量道的反射信号进行极向相关分析的结果，图7(a)蓝色和红色的两条曲线分别表示在此次实验中极向间隔约为0.6cm的两个位置测量得到的涨落信号的功率谱，同图6(g)一样，可清楚看到相干模的存在．而在图7(b)的相关谱中，还可观察到两个涨落信号的相关系数在相干模出现时达到最大值，约为0.75，由相关性分析可得到两个涨落信号之间的互相位，进而推导出涨落的极向波数，在图7(c)中，可观察到相干模的极向波数kθ=0.6cm-1→0.9cm-1，且旋转方向为离子漂移逆磁方向．

利用密度反射仪测量得到的密度分布对非寻常模截止频率进行重建，可得到不同的探测频率所测量的径向位置．由于61023(EAST的第61023次等离子体实验)密度剖面[22-23]并未被测量，本研究选取与该次等离子体参数相同的第61063次等离子体放电数据进行密度剖面的反演．图7为等离子体密度分布以及多道反射仪发射频率对应的截止位置，由图8可知，50和54GHz探测位置在分离面(separatrix)附近，而58、60、62、64和68GHz探测位置位于台基梯度区，而68和72GHz探测位置则位于台基顶部，且更靠近等离子体芯部的区域，截止点的分布说明只有在台基梯度区的测量道能够观察到相干模，在分型线、台基顶部以及芯部位置不能观察到相干模．

图6 EAST第61023次放电实验反射仪信号频谱图(BT=1.80T, Ip=400kA) Fig.6 The frequency spectrum of the reflectometry’s signal in the experiments of EAST discharge 61023for BT=1.80T, Ip=400kA

图7 EAST 61023放电实验62GHz信号极向相关分析(t=2.2s)Fig.7 The analysis of poloidal coherence of signals in 62GHz in the EAST discharge 61023(t=2.2s)

图8 不同探测频率所对应的径向位置Fig.8 The radial positions corresponding to different probing channels

结 语

为能够同时测量不同径向位置的密度涨落，对EAST装置的径向极向相关反射仪进行了升级，实现同时测量8(径向)×2(极向)个位置的电子密度涨落．同时完成了系统的硬件测试以及实验室的台面测试，测试表明，频率源、带通滤波器等关键部件能够满足系统工作要求．2016年EAST实验中，整套多道相关反射仪系统进行了密度涨落的测量，在低杂波加热的等离子体，L-H转换之后的ELM-free阶段，观察到频率为50～100kHz的相干模，且相干模的频率逐渐升高，相干模存在时间约为10ms．通过对于多道涨落反射仪对应发射频率的截止点的重建，发现这种相干模位于台基梯度区．这次系统升级，对于台基湍流、L-H转换等物理研究提供了更加有效的手段，期望在EAST后实验中能够观察到更加丰富的实验结果．

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【中文责编：英 子；英文责编：木 南】

The diagnose of multi-channel poloidal correlation reflectometry on EAST

Xiang Haoming1,2, Qu Hao2, 3, Zhang Tao2, Geng Kangning2, 3,Wen Fei2, Han Xiang2, Wang Yumin2, Kong Defeng2, Zhang Shoubiao2,Huang Canbin2, 3, Cai Jianqing2, Gao Xiang2, and Lin Xiaodong1†

1) College of Physics and Energy, Shenzhen University, Shenzhen 518060, Guangdong Province, P.R.China 2) Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Science, Hefei230031, Anhui Province, P.R.China 3) School of Nuclear Science and Technology, University of Science and Technology of China, Hefei230026, Anhui Province, P.R.China

The diagnosis of multi-channel poloidal correlation reflectometry has been designed on experimental advanced superconducting Tokamak (EAST).The setup enables the measurement of electron density fluctuations at 8(radial) ×2(poloidal) spatial points simultaneously.Eight dielectric resonator oscillators (DRO) with frequencies of 12.5, 13.5, 14.5, 15.0, 15.5, 16.0, 17.0, and 18.0GHz are used as sources.Signals from the sources are up-converted to V band using active quadrupler and then coupled together with 3dB coupler.The output waves are launched by one single antenna after passing through a20dB directional coupler which can provide the reference signal.Two poloidally separated antennae with the distance of 6cm are installed to receive the reflected waves from plasma.The reference and reflected signals are down-converted by mixing with a quadrupled signal from a phase-locked source with frequency of 14.2GHz and the resulted intermediate fcequencies passed through an amplifier, filter bank and are detected by in-phase/quadrature (I/Q) demodulators.The system is used to measure the density fluctuation of plasma.The transitions from the lower confinement modes to high confinement modes are observed.The coherent modes with duration times about few milliseconds and the frequency among 40—50kHz at the position of pedestal gradient in the ELM-free phase are also obtained.

plasma physics; experimental advanced superconducting Tokamak (EAST); correlation reflectometry; density fluctuation；high confinement mode; turbulence in pedestal; coherent mode

O 533

10.3724/SP.J.1249.2016.06606

国家磁约束聚变能发展专项基金资助项目(2014GB106003)；国家自然科学基金资助项目(11275234，11305215，11305208)

向皓明(1989—)，男，深圳大学硕士研究生．研究方向：等离子体诊断．E-mail：xianghm@ipp.ac.cn

引 文：向皓明，屈 浩，张 涛，等．EAST装置多道极向相关反射仪诊断[J].深圳大学学报理工版，2016，33(6)：606-612.