论文总字数：25320字

摘 要

电子回旋共振加热（electron cyclotron resonance heating，ECRH）是重要的托卡马克装置辅助加热手段之一。其中，微波输出功率是ECRH系统的重要参数之一。流体量热法作为一种比较成熟的大功率微波测量技术，在ECRH系统的功率测量中得到了广泛的应用。本文基于流体量热法的测量原理，设计了信号处理电路，以实现J-TEXT装置ECRH系统中的微波功率测量。

本文首先简要介绍了该课题的研究背景，主要包括受控核聚变、托卡马克装置、电子回旋共振加热以及ECRH功率测量技术国内外研究现状的介绍。介绍了流体量热法测量功率的基本原理，在此基础上提出了信号处理电路的总体结构的设计。

根据需要实现的功能，信号处理电路主要分为电桥模块、放大模块、电压采集与显示模块和电源模块四个模块，本文对这四个模块的硬件电路设计和程序设计的过程进行了详细的介绍。

最后，介绍了信号处理电路在J-TEXT装置ECRH系统上获得的测试结果，结果显示信号处理电路基本能满足功率测量的需求。本文还对结果中存在的一些可能影响测量准确性的情况进行了分析与探讨，针对标定电源引入的干扰，设计了低通滤波器，并通过仿真验证了其滤波效果。

关键词：流体量热法；功率测量；电路设计；结果分析

Abstract

Electron cyclotron resonance heating (ECRH) is one of the important auxiliary heating means of tokamak devices. Among them, microwave output power is one of the important parameters of the ECRH system. As a relatively mature high-power microwave measurement technology, calorimetric technique has been widely used in the power measurement of ECRH systems. In this paper, based on the measurement principle of calorimetric technique, a signal processing circuit is designed to achieve microwave power measurement in the ECRH system of the J-TEXT.

This article first briefly introduces the research background of the subject, mainly including controlled nuclear fusion, tokamak device, electronic cyclotron resonance heating, and research status of ECRH power measurement technology at home and abroad. The basic principle of power measurement by calorimetric technique is introduced. On this basis, the design of the overall structure of the signal processing circuit is proposed.

According to the functions to be realized, the signal processing circuit is mainly divided into four modules: the bridge module, the amplifying module, the voltage acquisition and display module and the power supply module. This article has introduced the details of hardware circuit design and program design process of these four modules.

Finally, the test results obtained by the signal processing circuit on the ECRH system of the J-TEXT are introduced. The results show that the signal processing circuit can basically meet the needs of power measurement. This article also analyzes and discusses some of the results that may affect the accuracy of the measurement. A low-pass filter is designed for the interference introduced by the calibration power supply, and its filtering effect is verified by simulation.

Key words：calorimetric techniques；power measurement；circuit design；result analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 受控核聚变 1

1.2 托卡马克装置与电子回旋共振加热 1

1.3 ECRH系统功率测量技术国内外研究现状 2

1.4 本文研究内容与章节安排 3

1.4.1 本文研究内容 3

1.4.2 本文章节安排 3

第2章 ECRH功率测量系统信号处理电路整体设计 5

2.1 流体量热法工作原理 5

2.2 J-TEXT装置ECRH功率测量系统分析 7

2.3 信号处理电路总体设计 9

2.4 本章小结 11

第3章 ECRH功率测量系统信号处理电路实现 12

3.1 电桥模块 12

3.2 放大模块 14

3.3 电压采集与显示模块 16

3.3.1 硬件电路设计 17

3.3.2 程序设计 19

3.4 电源模块 21

3.5 本章小结 24

第4章 ECRH功率测量系统信号处理电路功能测试 25

4.1 测试方案 25

4.2 测试结果 25

4.3 本章小结 27

第5章 测试结果分析及滤波器设计 28

5.1 波形漂移分析 28

5.2 噪声分析 29

5.3 低通滤波器设计 29

5.4 本章小结 35

第6章 全文总结与展望 36

参考文献 38

附录A 信号处理电路主电路图 40

附录B 信号处理电路电源电路图 43

致谢 44

第1章 绪论

1.1 受控核聚变

在现代社会中，科学技术的发展和经济水平的提高，促使人类对能源提出了更高的需求。化石燃料作为当今世界的主要能源，终将面临消耗殆尽的危机，同时化石能源带来的生态污染与温室效应也成为困扰人类的一大难题。作为一种清洁、安全、可靠的绿色能源，核能有望在将来替代传统化石能源成为人类的主要能源^[1]。其中核裂变技术已经广泛地被各国用于发电。2017年，俄罗斯的核电占比为18.6%，美国的核电占比为19%，法国的核电占比更是高达72%，而我国核电在全国能源结构中的比重仅为3.8%^[2]。《中国核能发展报告2019》展望称，我国发电量中的核电的占比将于2035年提高到到10%左右。但由于世界范围内铀矿资源趋于垄断，而国内的铀矿产量十分有限。因此，不依赖铀矿的核聚变能源优势日益突出，聚变能在将来很有可能成为世界能源的重要组成部分之一^[3]。

轻原子核结合成较重原子核并放出能量的过程称为核聚变^[4]。轻核聚变的主要燃料为氘和氚。据估算，1L海水中所含的氘经过聚变释放出的能量与300 L汽油燃烧后释放出的能量相当^[5]。因此，聚变能可谓是取之不尽用之不竭。聚变反应中仅原料氚含有少量放射性，总体而言较为清洁且基本无放射性污染。即使出现故障或意外，聚变反应亦能及时终止，具有较高的安全性^[6]。为了能够大规模、大范围地实现核聚变的应用，受控核聚变的研究就显得尤为重要。

受控聚变的实现主要依赖以下三个基本条件：聚变反应在单位时间内释放的能量等于加热所耗费的能量及其他能量损失之和, 即得失相当条件；超过点火温度，使能量损失速率小于聚变能的生成速率；满足劳森判据^[7]。

受控核聚变的研究最早可以追溯到1919年前后卢瑟福和阿斯顿各自开展的研究工作。二战之后，出于军事角度以及科学、政治和社会等方面的考虑，受控热核聚变的研究在各国间相互保密的情况下开展。在此期间，英美等西方国家主要致力于箍缩装置，仿星器以及磁镜等位形的研究，而前苏联依据萨哈罗夫的设想，建成了托卡马克装置，并获得了不错的实验结果。在这之后，研究工作一度停滞不前，这令科学家们意识到只有解密和交流才能推进聚变研究，各国开始加强合作，并开始重点研究高温等离子体的基础问题^[8]。

1.2 托卡马克装置与电子回旋共振加热

在所有聚变装置中，托卡马克装置被认为是最有希望实现聚变点火的装置。托卡马克装置的磁场包括环向场与极向场。其中环向场由环向场线圈产生，极向场由极向场线圈以及等离子体电流产生，两者叠加，产生螺旋形磁场对等离子体进行有效的约束^[9]。

作为托卡马克装置中常规的加热方式，欧姆加热主要利用等离子体自身电阻来产生热

图1.1 托卡马克装置原理示意图^[9]

量进行加热，但其加热效率会随着温度的升高而降低，因此必须使用辅助加热手段以让等离子温度升高到聚变反应点火所需的10keV量级。就托卡马克装置而言，主要的辅助加热手段包括中性束（NBI）加热、电子回旋共振加热（ECRH）、离子回旋共振加热（ICRH）和低混杂波加热（LHD）。其中，电子回旋共振加热因具有加热集中性强，波与等离子耦合效率高，发射天线构造简单而且天线可以远离等离子体等优点，被广泛地应用于托卡马克等离子体加热、等离子体电流剖面控制、电流驱动、等离子体启动、抑制等离子体磁流体动力学（MHD）不稳定性等方面的研究^[10]。

ECRH系统以回旋管作为毫米波微波源，随着回旋管技术的发展，ECRH系统的应用和研究也日益深入。目前，德国的ASDEX-U、美国的DIII-D、日本的JT-60U以及我国的HL-2A以及EAST装置上均已建成兆瓦级的ECRH系统。多个聚变成员国还将在ITER装置上合作建设20MW ECRH系统。

1.3 ECRH系统功率测量技术国内外研究现状

通常，电子回旋共振加热（ECRH）系统是由波源回旋管及其辅助系统、波导传输系统与天线等部件组成。在ECRH系统中，微波输出功率是体现系统规模的重要指标之一，也是等离子体实验进行数据分析处理时的重要依据。准确地测量ECRH系统传递给等离子体的射频功率，有助于得到等离子体能量平衡的准确解释及其在电子回旋共振加热（ECRH）实验过程中对加热的响应^[11]。此外，微波功率测量还是实现系统射频保护的基础^[12]。目前，国内外常见的大功率微波测量技术主要包括量热式能量计技术、功率探测器技术、探针耦合技术、小孔耦合技术以及耦合器/衰减器测量技术^[13]。而在电子回旋共振加热系统中应用比较广泛的主要是定向耦合器检波法和流体量热法^[14]。

一般的使用热敏电阻传感器或热电换能器的量热法只能测量小功率毫米波，由于回旋管的功率达到了MW级，它们不能直接用于测量回旋管的输出功率。因此，可以制作大的假负载，并由回旋管的冷却水冷却，然后再通过测量假负载的热量来测量回旋管的输出功率。其原理是利用微波对水的热效应，将对微波功率的直接测量转换为对这过程中冷却水水温的测量。这种方法称为流体量热法。该方法具有技术成熟、原理和结构简单、环节少、使用灵活等优点。系统中任何有冷却水流经的部件皆可用流体量热法来测量此处耗散的功率，因此被广泛地用于ECRH系统中的功率测量。美国的DIII-D、日本的Heliotron J以及中国的EAST和HL-2A装置上的ECRH系统中都采用了流体量热法作为功率测量的手段之一^[15-18]。

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