1、中国科学技术大学硕士学位论文电子回旋辐射成像诊断的远程信号调理系统作者姓名学科专业 等离子体物理导师姓名完成时间University of Science and Technology of ChinaA dissertation for masters degreeThe Signal Regulation System of Electron Cyclotron Emission Imaging DiagnosticAuthors Name:Speciality: Plasma PhysicsSupervisor:Finished time:摘 要摘 要本论文主要阐述了 EAST 上电子回
2、旋辐射成像诊断（Electron Cyclotron Emission Imaging，ECEI ）的硬件系统升级与优化工作，包括 ECEI 系统的屏蔽优化以及信号远程调理系统的研制，除此之外还尝试了高速宽频电磁谱仪的研制。随着 EAST 全超导托卡马克运行参数的不断提高，实验大厅内电磁辐射以及有害射线等问题越来越突出，这对 ECEI 系统的运行提出了更高的要求。一方面电磁辐射强度的增加尤其是低杂波电流驱动辅助加热功率的提升，对 ECEI 系统的屏蔽提出了更高的要求；另一方面大厅进入条件的限制使得 ECEI 系统有必要发展远程控制，提高系统信号的信噪比以及工作效率，针对这两个要求在论文工作期间
3、对于 ECEI 系统硬件进行了升级和优化，主要包括两部分内容。第一部分，对于高功率低杂波加热对 ECEI 系统造成干扰的问题，以原有屏蔽系统为基础进一步确认了干扰来源以及干扰途径，并针对特定的干扰源和干扰途径进一步加强了屏蔽措施，如使用吸波材料等，提高了 ECEI 系统的屏蔽效能。目前在 2.45GHz 和 4.6GHz 低杂波加热功率为 2MW 的情况下，ECEI 系统仍然能获得良好的数据。同时屏蔽系统的优化还进一步提高了屏蔽层的稳定性和快速可恢复性，保证了 ECEI 在 EAST 上长期实验的稳定并提高了工作效率。第二部分，在论文工作期间针对 ECEI 系统硬件控制进行了升级，完成了手动控
4、制到远程控制的改造工作，实现了 ECEI 系统供电的远程开关控制与监测、毫米波本振源的远程调节和 ECEI 信号远程调理等远程控制功能。系统供电和本振源的远程控制提高了 ECEI 系统的工作效率，无需进入实验大厅即可完成系统的开关机和本振源的调节。ECEI 信号远程调理系统使得在 EAST 放电条件发生变化时，电子学系统的输出信号依然在采集卡的量程范围内，充分利用了采集系统的动态范围，提高了 ECEI 系统采集到数据的有效性。信号远程调理系统在 450s 的时间内即可对所有电子学模块输出完成一次衰减调节，对 ECEI 系统的工作效率有很大的提升。在论文工作期间还尝试研制了快速宽频电磁谱仪诊断，
5、该诊断可以实时监测等离子体中由于各种快物理过程，如磁重联或者快速 MHD 不稳定性等引起的电磁辐射，通过装置周围环境的电磁频谱可以间接地分析等离子体内的物理过程演化。关键词：电子回旋辐射成像 电磁屏蔽 信号调理 电磁辐射频谱IAbstractABSTRACTThis paper mainly introduces the hardware improvement of Electron Cyclotron Emission Imaging(ECEI), which includes two parts. On the one hand, we optimize the set of ECEI
6、shielding and improve the shielding effectiveness. On the other hand, we have designed the remote control system which regulate the radio frequency input attenuator remotely. Besides, we developed a kind of radio frequency spectrometer, which can detect the frequency distribution of the plasma devic
7、es surrounding.The shielding box protect the ECEI system from the electromagnetic interference of Lower Hybrid Current Drive(LHCD). Through the experiment on EAST, we have affirmed the LHCD interference come from the EAST port. The shielding effectiveness is improved by using the absorbing material
8、and new shielding box. The absorbing material is fixed on the surface of shielding box, which can reduce the ECEI system ambient noise level. The shielding optimization improves the signal to noise ratio and the ECEI can work normally even the LHCD injection power is higher than 2 megawatts. Besides
9、 the optimization of shielding, we also design the remote control system for ECEI. The remote control system includes three parts, RF attenuator remote control system, the control software design of microwave oscillator and the remote control of ECEI systems power supply. The main part of remote con
10、trol system is the attenuator remote control system, which insures the availability of ECEI system output signal. The remote regulation system of attenuator uses the Arduino single chip microcomputer incept the control signal from computer software and output the serial signal to the conversion circ
11、uits, which transform the serial signal to parallel signal. Because the attenuators power supply voltage and control voltage is 0 or -5 and the parallel signal is +5 or 0, the parallel signal need to be converted. The circuits use the zener diodes and the 74HC04 chips realize the voltage convert. Th
12、e attenuator remote regulation system help the ECEI system acquire more valid data on EAST and the remote control system is more effective than manual control.At last this paper introduce a kind of RF spectrometer. This diagnostic can detect the level and distribution of radio frequency radiation in
13、 the surrounding of plasma device, which is caused by the magnetic reconnection or other physical process.Key worlds: Electron Cyclotron Emission Imaging, ECEI shielding, signal optimization, fast RF spectrometerII目 录目 录第一章 绪论 11.1 背景介绍 . 11.2 ECEI 微波成像诊断介绍 . 21.3 本论文研究内容与意义 . 5第二章 ECEI 系统屏蔽优化 72.1
14、电磁兼容与屏蔽技术 . 72.2 原有屏蔽层介绍 . 82.2.1 屏蔽的设置和结果 82.2.2 屏蔽存在的缺陷 122.3 优化方案以及实验验证. 132.3.1 提高屏蔽效能 132.3.2 提高系统稳定性和可恢复性 232.4 屏蔽的下一步计划. 252.5 ECEI 屏蔽总结 . 26第三章 ECEI 远程控制系统 293.1 ECEI 系统在 EAST 实验面临的问题 . 293.1.1 实验大厅的限制 293.1.2 现有手动控制 303.2 ECEI 本振源和系统供电的远程控制 . 313.3 电子学模块远程信号调理系统. 353.3.1 电子学模块原理简介 353.3.2 衰
15、减调节的原理 373.3.3 远程信号调理系统设计 403.3.4 远程信号调理系统的集成和测试 573.4 远程控制系统总结. 63第四章 高速宽频电磁谱仪 65III目 录4.1 背景介绍 .654.2 系统结构以及实现方式 .674.2.1 碟形天线仿真 674.2.2 射频电路的设计 694.3 高速宽频电磁谱仪总结 .77第五章 总结与展望 795.1 工作总结 .795.2 工作展望 .80参考文献 81附录 1 Arduino UNO 单片机程序设计 83附录 2 在上位机实现数字合并运算时 Arduino 的程序 88附录 3 衰减远程控制程序上位机程序 .90附录 4 BWO
16、 源的 LabVIEW 控制程序详细结构图 91致 谢 .95在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果 97III第 1 章 绪 论第一章 绪论1.1 背景介绍聚变反应是使用氢或者其同位素氘或者氚为原料发生的一种物理反应，其反应过程是两个原子核通过外界的触发融合在一起，形成一个氦原子同时释放中子的过程。在聚变反应的过程中会向外辐射大量的能量，理论上氘和氚发生的聚变反应会释放 17.6MeV 的能量，而 1 千克的该种燃料发生的反应会释放 108kWh 的能量 1。氘氚聚变反应的方程如下所示D + T 4 + + 17.6 在宇宙中聚变反应是普遍存在的，在地球上核聚变的原料也很丰富，比如氘元素
17、在海水中储量丰富，而氚元素虽然具有放射性寿命较短自然界中几乎不存在但是氚可用中子和锂原子反应获得，锂在地球上的储量也十分巨大，所以说聚变能是取之不尽的能源。同时在聚变反应过程中只产生了氦和能量，氦元素无毒无放射性并可广泛用于工业以及科学实验中，所以聚变反应相对于裂变反应堆是十分安全清洁的 1。由于能量较低的情况下，因为反应截面很小热核聚变反应很难发生，所以理论上必须先将聚变的燃料加热到很高的温度增大反应界面即反应的概率。目前世界上正在进行的受控核聚变反应实验主要分为两类，一类是磁约束聚变反应，该类型的实验通过特定的磁场位型和一些加热将燃料使加入的燃料变为高温等离子体，由于特定的磁场约束使等离子
18、体在很小的范围内温度以及密度较高，以此来实现增大反应截面维持反应进行；另一类聚变反应装置是激光聚变反应，该反应方式是使用高能量密度的激光器从各特定方向轰击燃料靶丸使靶丸吸收能量后由向心聚爆效应迅速压缩增加内部燃料的温度密度，当激光的脉冲能量合适时，核心区域将会发生聚变反应。目前这两种聚变实现方式在世界范围内均在不断发展之中，国内目前也有许多装置在运行中其中磁约束聚变装置有 EAST （Experiment Advanced Superconducting Tolamak）全超导托卡马克、HL-2A 托卡马克、J-TEXT 托卡马克以及中国科学技术大学的 KTX(Keda Torus eXper
19、iment) 反场箍缩磁约束聚变试验装置。而惯性约束聚变装置有神光 I 和神光 II 实验装置。下图是位于中科院等离子体物理研究所的 EAST 实验装置俯视图1第 1 章 绪 论图 1.1 等离子体物理研究所 EAST 全超导托卡马克随着大型聚变实验装置的发展，人类正在向聚变的成功不断探索者前进。在装置发展的同时与高温等离子体相关的技术也在不断的进步，无论是材料科学 、诊断技术还是低温技术都在取得长足的进步，其中诊断技术是等离子体科学必不可少的部分，等离子体装置的诊断方法从最早的探针到现在已经发展为数百种多种多样的诊断。等离子体诊断可以分为主动诊断和被动诊断，其中主动诊断是先主动发射信号到等离
20、子体中，然后收集与等离子体发生作用的返回信号，通过分析收集到的数据来分析等离子体的参数或者变化过程；而被动诊断是通过接收器接收来自等等离子体的信号对收集到的信号进行分析。主动诊断代表性的有微波反射仪、激光干涉仪和汤姆孙散射仪等，而被动诊断有电子回旋辐射成像（ECEI）和光谱仪等诊断方式。而其中的被动诊断方式电子回旋辐射成像，是电子温度涨落诊断的重要手段。1.2 ECEI 微波成像诊断介绍对聚变的研究离不开高温等离子体内部状态的诊断和实验，而电子回旋辐射成像作为被动毫米波成像技术被广泛用于托卡马克电子温度诊断。在 EAST 全超导托卡马克上的 ECEI 诊断于 2012 年春季首次成功运行，至今
21、已运行将近五年，下面简要介绍该 ECEI 系统的基本组成结构。EAST 上的电子回旋辐射成像系统主要包括两部分，前端光学系统和电子学系统 2-7。其中前段光学系统的作用类似于照相机的镜头，主要功能是收集来自于托卡马克的电子回旋辐射并实现点对点的成像，将托卡马克内部的对应位置成像在接收天线上。目前 ECEI 的光学系统有两部分的可调功能，一个是 Zoom 调2第 1 章 绪 论节，即调节成像范围的大小改变纵向高度；另外一个功能是焦距调节功能实现成像位置的调节，同时这两种功能的调节是解耦的即互不干涉 2-8。光学系统的透镜选择了适用于 90-140G 波段微波的高密度聚乙烯 (HDPE, High
22、 DensityPolyethlene)作为材料制作透镜，完整的光学系统总长度为 3.8 米，极向分辨率为1 厘米，径向分辨率为 3 厘米，光路的通光孔径就是托卡马克的窗口孔径，在极向的成像范围最大是 70.5 厘米，焦距可调范围是 1.8-2.6 米，可实现由低场侧边界调到高场侧 1。图 1.2 电子回旋辐射系统成像光路前端光路将微波辐射点对点地成像在接收天线上，接收天线也是电子学的一部分。电子学系统的作用就相当于相机的 CCD 以及其他电子器件， ECEI 的电子学系统包括三部分接收天线、中频电子学和采集系统。接收天线是整个 ECEI 系统的核心部分，其功能只要是实现信号的接收和放大。天线
23、工作频段为 F 波段（ 90-140GHz），这是 EAST 托卡马克内等离子体电子回旋辐射的频率范围,根据成像范围的不同接收到的信号频率也不同。探测器的检测功率是-90dBm，基本为纳瓦量级的毫米波辐射检测，同时由于高频信号的传输和处理采集难度较大，所以 ECEI 系统的天线采用了单边带超外差混频的方式对接收到的低功率毫米波信号进行降频，降频后的信号频率为 2-18GHz 1。天线的组成部分毫米波频率选择表面、分束片、椭球介质透镜、天线阵列和供电系统等 1。光学系统的是点对点成像在天线上，在极向共 24 道，通过光学系统成像到天线的毫米波信号首先通过频率选择表面，频率选择表面主要有两部分陷波
24、滤波器（Notch Filter）和高通滤波版（Dichroic Plate），陷波滤波器的作用是衰减 EAST 上的电子回旋共振加热（ECRH, Electron-cyclotron-resonance heating）发射的 140GHz 毫米波，防止该辅助加热对系统造成损坏并减小可能引3第 1 章 绪 论起的噪声。高通滤波器的作用主要有两方面，一个是实现单边带混频测量，另外一个是配合光学系统实现测量位置的调节。要实现超外差混频测量必须实现本振只和本振频率高的信号进行混频，因此选择高通滤波板对来自托卡马克的辐射信号进行滤波；同时电子回旋辐射的频率与托卡马克的纵场强度和观测位置都有关，因此在
25、实验过程中需要光路的调焦系统和滤波板同时配合，实现测量位置的调节。在经过滤波后毫米波信号经椭球透镜聚焦被天线接收，并在天线上的混频二极管上与来自另外一个方向的本振信号进行混频，最后经 30dB 放大器放大后由射频线缆传输到中频电子学。中频电子学由两部分组成中频模块和供电电源，中频模块的作用是对来自天线的信号进行进一步的处理，主要有放大、衰减、功分、滤波、混频、检波和放大等处理单元。中频模块分为高频和低频两部分，将来自天线的一道信号分为 16 道，每 8 道是一个高频模块（9-17GHz ）和低频模块（2-9GHz）。在每个模块中先对信号进行放大和衰减调节信号的幅度在合适范围内，之后经过Wilk
26、enson 功分器和滤波器件将一道极向信号分为 8 道信号到达混频器，同时在电路上有不同频率的的压控振荡器（VCO, Voltage-controlled oscillator）经传输线到达混频器后与功分后的信号混频。低频模块的 VCO 有两种选择，一种是900MHz 的频率间隔，由 2.5GHz 到 8.8GHz；另外一种是 600MHz,从 3.4GHz 到7.6GHz。高频模块的 VCO 频率间隔不可调为 900MHz，从 9.7GHz 到 16GHz 。混频之后的信号到大模块内另外一块电路实现检波和放大，最后经过视频滤波再输出。视频滤波是通过两个低通滤波器组合来实现的，一个为固定频率低
27、通滤波器，另一个是可调低通滤波器，调节信号为供电电源提供的方波信号。通过组合调节滤波器的带宽，可以实现视频带宽在 50/100/200/400 之间切换 1。4第 1 章 绪 论图 1.3 ECEI 中频电子学原理框图 1中频模块处理后的信号经过低频同轴线传到采集卡中，采集卡采用 D-TACQ 公司的 ACQ-132 系统，该系统拥有 12 张独立的采集卡，每三张采集卡集成在一个机箱中，并以 12 个中其中的一个作为主卡提供时钟信号给另外三个机箱的其中一个，每个机箱也有一张自己的主卡提供时钟信号并分配触发信号。该采集系统的采样的精度为 16bit，因板载缓存为 25MB，在 1MS/S 的采样
28、率下可采样 10s，采样率最高可以调节为 2MS/S。 1采集到的数据经过千兆交换机传输到计算服务器中存储，通过分析采集到的数据可以得到托卡马克内电子温度涨落的图像以及随时间的动态变化，分析具体的物理问题。1.3 本论文研究内容与意义通过对电子回旋辐射成像系统的简介，已经熟悉了其工作的原理。ECEI 系统在 EAST 上首次成功获得数据之后，一直可以满足实验要求获得很好的结果。但是随着 EAST 装置的升级和物理实验等的推进，现有 ECEI 系统在某些方面已经不能满足日新月异的变化，因此有必要对 ECEI 系统进行一些升级和优化。在2012 年 ECEI 首次投入 EAST 试验之后，就面临着
29、低杂波的干扰问题。同时由于近几年 EAST 实验装置的升级，在试验进行期间非特殊情况禁止进入实验大厅。所有的问题都促进着 ECEI 系统进一步的升级改造。而这也是本论文的主要工作内容。本论文主要分为两大部分内容，一方面介绍了 ECEI 系统的升级改造工作，主要包括 ECEI 系统针对低杂波干扰的屏蔽系统的升级和 ECEI 系统远程控制系统的设计制作两部分内容。另一方面，本文还介绍了基于射频电路技术制作的快速空间频谱分析系统，用于检测等离子体放电过程中周围空间电磁环境。5第 1 章 绪 论6第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化第二章 ECEI 系统屏蔽优化ECEI 系统通过毫米波天线接收纳瓦(nW
30、)量级的电子回旋辐射信号，经过放大器后通过射频线缆传输到中频电子学系统进行进一步的处理，最后由采集系统将模拟信号转换为数字信号存储在计算机中。在信号接收、传输和处理过程中均是较弱的射频信号(nW 和 uW 量级) 。射频信号是高频的模拟信号，其本身不仅容易产生向外辐射的电磁波，对周围产生电磁干扰，同时还容易受到外界复杂电磁环境的影响。ECEI 是 EAST 全超导托卡马克上的重要诊断，EAST 在放电运行过程中会产生非常强的空间磁场，同时高温等离子体会向外辐射不同频率和强度的电磁波，这造成了实验范围内电磁环境比较恶劣。在运行的同时还有辅助加热的加入，如 2.45GHz 和 4.6GHz 的低杂
31、波加热(LHCD)、电子回旋共振加热(ECRH)、离子回旋共振加热(ICRF)和中性束注入加热 (NBI)等。辅助加热一般均在兆瓦量级，其可能会辐射电磁波影响空间电磁环境，以低杂波注入辅助加热为例，2.45GHz 和 4.6GHz 的射频电磁波，会影响模拟信号的信噪比，在某些情况下信号甚至被噪声掩盖。所以无论是为了保护诊断系统不被损害，或者为了降低干扰提高信号质量，在 EAST 的实验过程中诊断的电磁屏蔽是必不可少的。2.1 电磁兼容与屏蔽技术电磁兼容是随着无线电技术的发展兴起的一门科学。所谓电磁兼容技术(Electromagnetic Compatibility-EMC)主要包含两方面的内容
32、 9，一方面是电子设备和系统在设计时对外界的电磁干扰由一定的敏感度阈值，使该系统在产品使用范围内不会受到工作环境内电磁干扰的影响，如普通计算机的工作不会受到WIFI 信号或者其他通信信号的影响；另一方面，电子设备在设计和生产时应考虑使该系统的电磁辐射在一定范围内，这样不仅保证电子设备内部各模块之间不会发生互相干扰，同时可以保证对外界环境产生的电磁干扰在合理范围内，如微波炉在正常工作时不会影响其本身的工作状态，同时也会保证不对人类产生危害。ECEI 系统在设计过程中已经充分考虑了系统的电磁兼容性，通常情况下托卡马克的放电过程并不会受到外界干扰。但是由于在 EAST 上实验环境的限制 (ECEI
33、处于 4.6GHz 低杂波旁边，如图 2.1 所示)，电子学系统不能在高功率低杂波注入期间获得有效的数据。因此 ECEI 系统需要额外的屏蔽措施。7第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化图 2.1 ECEI 系统在 EAST 装置上的位置示意图2.2 原有屏蔽层介绍在 ECEI 首次投入 EAST 实验开始，就已经考虑了电磁环境干扰可能会对系统产生的影响。之后根据实际的实验验证和运行情况进行了不断地完善和升级，但是在实验过程中随着低杂波注入功率不断提高，ECEI 系统所受到的干扰也越来越大。下面介绍 ECEI 系统在本次升级前的状态和存在的一些缺陷。2.2.1 屏蔽的设置和结果ECEI 系统在 2
34、012 年首次投入使用时就在原先系统上加入了屏蔽措施。其中电子学系统是在一个定制的全金属的屏蔽柜中，屏蔽效能约为 90dB。除了电子学模块之外天线本身也有一定的屏蔽设计，如天线阵列盒的边缝采用了 L 形结构密封等措施。如图 2.2 所示是起初实验时的 ECEI 系统电子学部分布置示意图。8第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化图 2.2 ECEI 系统首次投入 EAST 实验时的电子学布置图来自 EAST 托卡马克的电子回旋辐射信号在经过光路后点对点成像在天线阵列上，天线与屏蔽机柜内的电子学通过同轴线缆连接。起初的屏蔽措施主要集中在中频电子学上，即屏蔽机柜。这中屏蔽措施是考虑到电子学模块对于低频的
35、2.45GHz 和 4.6GHz 是比较敏感的，主要是因为电子学模块中的低频部分在 wide工作模式下第一和第三道信号的对应频率为 2.5GHz 和 4.3GHz （如图 1.3 所示），在 narrow 工作模式下第三道频率为 4.6GHz。由于工作频率和噪声频率非常相近，电子学系统非常容易被干扰。同时由于天线系统工作频段为 90-140GHz，工作频段远远高于干扰信号的频段，理论上不会很明感。在电磁兼容理论中这种部分屏蔽措施也是常用的，主要思想就是降低系统容易受干扰部分的敏感度。但是由于在 EAST 托卡马克放电过程中低杂波的注入功率非常大，2.45GHz 低杂波一般以 1MW 功率注入，
36、而 4.6GHz 注入功率更高达到 2MW 左右 10-11。高功率的注入必将造成更高的空间辐射。因此部分屏蔽的措施在此时并不能很好的工作，在 EAST 的实验中也证明了图 2.2 所示的措施是不完善的，其主要缺陷在于 没有考虑电子学系统地的影响。虽然 ECEI 系统使用了隔离变压器，杜绝了 EAST 上不干净地的影响，但是某种程度上引入了空间干扰。因为天线和电子学通过同轴线相连接，天线的外壳和同轴线的屏蔽层均是系统的地（即悬浮地），空间中的电磁干扰很容易耦合到系统的地中，进而干扰整个电子学系统。 天线阵列没有考虑屏蔽。虽然干扰信号不在天线阵列的接收频率范围之内同时也有天线外壳做保护，但是由于
37、干扰信号太强，而且 ECEI 窗口和 4.6GHz 低杂波窗口临近，托卡马克内部反射的低杂波信号可能会照射到天线阵列接收窗上，同时由于天线的金属外壳就是悬浮地比较容易引入干扰。因此在考虑大功率注入以及天线金属外壳地时，天线的屏蔽需要进一步加强。在考虑了以上两个问题之后，ECEI 系统于 14 年开始屏蔽的进一步改善工作。主要做法还是通过金属屏蔽层对干扰信号进行屏蔽。该次升级优化主要有两部分，一是对同轴线缆采取屏蔽措施，第二是使用金属铝为天线制作一个屏蔽箱体 4。这两方面的升级将整个 ECEI 系统几乎完全包裹，从天线到线缆在到电子学完全被金属层包裹，形成一个完整的屏蔽层。同时为了杜绝从系统地线
38、中引入干扰，将屏蔽层和系统分离。即系统地是悬浮的，而屏蔽层也只是一个壳体。在EMC 理论中应该将屏蔽层接地，但是由于 EAST 托卡马克目前不能提供比较干9第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化净的信号地，为了不引入额外的电磁干扰因此屏蔽层只能悬空。升级优化后的屏蔽结构如图 2.3 所示。图 2.3 第一次优化后的屏蔽设置结构图第一次优化有针对性的做了一些改进措施，这些措施都是在比较充足的测试和实验中验证的，在 2014 年的 EAST 实验中通过在天线外包裹铜质金属网，验证了该措施对提高 ECEI 系统的信噪比具有很好的效果。但是由于金属网反复包裹造成缝隙较大，同时由于散热以及可操作性等问题，该
39、方案稳定性和屏蔽效能很低。在此之后设计了天线金属屏蔽盒，提高了天线部分的屏蔽能力。天线屏蔽盒采用铝金属作为材料并在其表面进行电镀增加电导率。同时屏蔽盒在设计中对一些细节做了考虑，如采用了 U 形槽结构减小边缝的影响，在天线通风处加波导窗等措施。同轴线缆的屏蔽采用了穿入铜带中的方式，通过编制铜带的屏蔽较小空间干扰对线缆地的影响。线缆与天线屏蔽层和电子学屏蔽层的连接会引入缝隙，因此在这两处也做了一些特殊处理。在同轴线缆接上后，使用铜网作包裹同轴线外的铜带并使其紧密接触，同时另外一边使用铜胶带将铜网粘在天线屏蔽层上或者电子学屏蔽层上并紧密贴合。通过这种措施几乎将整个 ECEI 电子学和天线以及线缆包
40、含在金属屏蔽体中，并尽量减小了缝隙。这次屏蔽升级后的现场图如图 2.4 所示10第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化图 2.4 同轴线缆与电子学屏蔽柜的连接和天线屏蔽盒 EAST 现场图屏蔽的第一次优化使用了全金属屏蔽层，并在实验中结果取得了比较好的效果。图 2.5 是屏蔽优化前的 ECEI 信号，可以看出在 43238 这一炮中，只有 2.45GHz 的低杂波，注入功率约 1.3MW，在此期间 ECEI 系统大部分的信号受到了严重的干扰，电子学信号被噪声所掩盖。这种情况下 ECEI 系统几乎不能正常工作。11第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化图 2.5 初始屏蔽状态下的 ECEI 系统极向第
41、11 道的 16 道信号 10图 2.6 是在第一次优化后的实验结果，在优化后的 47489 炮放电中既有2.45GHz 低杂波也有 4.6GHz 低杂波。其中 2.45GHz 低杂波注入功率约 1MW，而 4.6GHz 低杂波注入功率为 1.5MW，在这种情况下 ECEI 系统的信号能基本保持正常。但是由于径向第 3 道信号也为 4.6GHz，可能会发生共振引入干扰，因此该道信号的信号质量依然很差。由于 ECEI 系统有 384 道信号，在缺少某一径向 24 道的情况下并不会影响成像效果，因此这种结果也是可以接受的。图 2.6 屏蔽第一次优化后 ECEI 系统极向第 11 道的信号 102.
42、2.2 屏蔽存在的缺陷在第一次优化以后 ECEI 系统的信号质量得到一定程度的提升，但是该屏蔽方案并不是很完善，因为随着 EAST 系统的运行对等离子体参数提出了更高的要求，低杂波注入功率也在增加。第一次优化的实验实在 2015 年期间，然而随着实验的推进，在 2016 年的实验计划中随着高参数等离子体运行的要求，低杂波的注入功率一般不低于 1.5MW 更多的在 2MW 左右，这就对 ECEI 系统的屏蔽提出了更高的要求。因此经实验验证以上第一次优化的屏蔽配置在高注入功率下并不是很好，主要存在以下几点问题。 屏蔽系统的效果有限。在屏蔽优化过程中始终只用的是金属反射屏蔽的方法，尽量将干扰信号阻挡
43、在系统之外。但是由于所处环境的特殊性如图 2.1，ECEI 系统两侧是 4.6GHz 低杂波和 NBI 中性束两个大功率加热12第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化系统，低杂波系统一侧有大量的铜质金属波导，而中性束一侧是不锈钢材质金属。ECEI 系统的屏蔽层将干扰信号反射后，因为 2.45GHz 和4.6GHz 在空间衰减较小，所以干扰信号又会被反射会 ECEI 系统所在位置。在经过这种多次反射后总有部分信号进入不太完善的屏蔽系统内（如线缆和金属屏蔽盒接触的部分），屏蔽效果更会大打折扣。同时虽然同轴线缆的屏蔽使用了铜带，但是由于铜带是一种铜质编制带，在线缆安装和挤压中容易产生较大的空隙，这也是影
44、响屏蔽效能的一个因素。 屏蔽系统的可恢复性。屏蔽系统的可恢复性以及可操作性对系统搭建非常重要。但是由于 ECEI 线缆和电子学屏蔽机柜以及天线屏蔽盒的连接处均使用铜网、金属胶带和扎带等材料，这种方式不便于系统拆卸和重新组装，会耗费大量时间和精力。同时由于完全是手工操作，非常难恢复屏蔽状态。 屏蔽系统的稳定性。还是由于上面所说铜胶带以及铜网等的原因，这些材料在工作过程中并不是很稳定，比如金属胶带在受热等环境温度变化情况下不是很稳定，容易脱落。当某一点不稳定出现缝隙等时，会导致屏蔽效能降低，但是又十分难检查出干扰泄露的位置，所以屏蔽的稳定性对 EAST 长期运行是十分重要的。由于 EAST 实验过
45、程中电磁环境复杂，在实验室状态下比较难以模拟，因此以上一些缺陷是在实验过程中根据实验条件的变化不断发现的。在 2016 年 EAST 实验开始前针对之前的问题做了进一步的优化，同时也在实验过程中不断发现存在的问题，并提出改善方案。2.3 优化方案以及实验验证屏蔽是 ECEI 系统在 EAST 上实验过程中必须的组成部分，但是在第一次优化后屏蔽效果并不理想，在 EAST 实验过程中找出并发现问题后，针对 EAST 的实验环境提出了进一步优化的方案。2.3.1 提高屏蔽效能电子回旋辐射成像诊断系统(ECEI) 在 EAST 高功率低杂波注入时(1.5MW 以上)，屏蔽效能降低系统信号被严重干扰，如
46、图 2.7 所示，在 60010 放电过程中加入了 4.6GHz 低杂波，注入功率为 1.5MW，ECEI 系统的极向第 16 道的 8 道径向信号受到了很严重的干扰。造成该干扰主要是因为低杂波注入功率较大，同时反13第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化射功率达到了 100kW 左右，这种放电情况对 ECEI 系统的屏蔽提出了更高的要求，继续优化屏蔽系统提高屏蔽的效能是十分有必要的。图 2.7 4.6GHZ 低杂波 1.5MW 注入时 ECEI 信号受到严重干扰屏蔽效能的提高理论上有两个途径，一是降低外界干扰的水平，即降低噪声源的功率或者减少工作环境中的噪声水平。另一方面，要想提高效果屏蔽的效果
47、可以增加系统的防护，提高系统自身的屏蔽效能。因此在提高屏蔽效能的过程中主要考虑以上两方面的改善。2.3.1.1 主要干扰源的确认ECEI 系统是 EAST 上重要的微波成像诊断系统，但是在实验过程中会受到2.45GHz 和 4.6GHz 低杂波微波辅助加热的影响，ECEI 的电子学系统受到了强烈的干扰。由于 ECEI 系统是采用了悬浮地和隔离变压器，ECEI 不会通过电源引入干扰，因此干扰的主要来源是实验大厅周围环境的空间电磁干扰。实验大厅的环境中的空间电磁干扰可能来自两个方面，一个是低杂波辅助加热系统泄露的电磁波，主要可能来自波导管等微波器件的泄露；另一方面由于低杂波在注入时会存在反射，所以
48、可能存在来自托卡马克方向（窗口方向）的干扰。低杂波加热系统使用了微波波导管等微波器件和低杂波天线作为系统的重要组成部分，如图 2.8 所示是 ECEI 系统在 EAST 实验大厅中的位置，低杂波的波导管阵列距离 ECEI 系统的接收天线 1 到 3 米左右。波导管以及其他微波器件作为工业和科学射频设备，根据 IEC 电磁兼容标准其在 3m 范围内的辐射上限为 100dB(V/m)左右，电场强度为 100mV/m 左右 12。ECEI 系统在之前的屏蔽中使用了铝制金属屏蔽盒，该金属层完全可以将可能来自波导泄露的电磁干扰屏蔽。因此来自低杂波波导方向的干扰并不是主要干扰源。为了验证干扰来源需要做进一
49、步的测试。14第 2 章 ECEI 系统屏蔽优化图 2.8 ECEI 系统在 EAST 实验大厅的位置低杂波辅助加热系统由于耦合效率等问题，在注入时会存在反射，如图 2.7 所示，在 1.5 兆瓦功率注入时低杂波加热系统检测到存在 100kW 的反射功率，该反射功率是 LHCD 系统的检测结果。由于 ECEI 系统和 LHCD 系统为相邻的两个窗口，两窗口角度为 22.5 度距离很近，所以 ECEI 的窗口可能存在低杂波加热对应频率的干扰信号传出。为了验证窗口处是否会存在低杂波的出射，做了两个测试。第一是在窗口以及光路中放置吸波材料（吸波材料的吸收频率为 75GHz 左右，但是对低频电磁波也有吸收作用），对来自窗口的信号和干扰等做阻挡，同时观察 ECEI 信号是否受到干扰。第二是将 ECEI 天线端信号入口的高通滤波版更换为实心铝板，验证 ECEI 系统天线阵列前方的信号接收端不是引入干扰的主要位置。吸波材料作为一种 EMC 以及微波暗室的重要材料，有很多不同的工作频段。ECEI 在屏蔽过程中使用了锥形吸波材料，如图 2.9 所示，该吸波材料基底为 5 厘米，尖椎的高度是 15 厘米。在将吸波材料放置在窗口之前需要先验证吸波材料对于 2.45GHz 以及
