СВЧ-рефлектометр для диагностики плазмы Советский патент 1990 года по МПК H05H1/00 

Изобретение относится к СВЧ-диаг- ностике высокотемпературной плазмы в основном на больших термоядерных установках типа Токамак и может быть использовано для измерения расстояния до слоя плазмы с критической |концентрацией по фазе отраженных от плазмы электромагнитных волн.

Цель изобретения - повышение точности измерений за счет ослабления влияния изменений уровня отраженного от плазмы СВЧ-сигнала

На фиг.1 приведена блок-схема СВЧ-рефлектометра;на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

СВЧ-рефлектометр содержит СВЧ-ге нератор 1, частота которого может меняться в широких пределах с помощью управляющего напряжения (например, лампу обратной волны),блок 2 питания, генератор 3 пилообразно- го напряжения, двойной тройник 4 с поршнем 5,длинную волноводную линию 6, приемопередающую антенну 7,слой 8 плазмы с критической концентрацие СВЧ-детектор 9, манипулятор 10 частоты, линию 11 задержки, коммутатор 12, усилители 13 и 14 промежуточной частоты с амплитудными ограничителями и преобразователь 15 фаза-напряжение .

Предлагаемый СВЧ-рефлектометр работает следующим образом.

Напряжение, с помощью которого модулируется частота СВЧ-генератора 1, представляет собой сумму двух сигналов меандра частотой FM, поступающего с манипулятора 10 и пилообразного напряжения частотой Fn ж 2Рмот генератора 3. Форма результирующего моделирующего сигнала представлена на фиг.20|. Предусмотрена возможность независимой регулировки амплитуд меандра и пилообразных напряжений отдельно на каждом полупериоде меандра. Величину меандра выбирают такой, чтобы соответствующий ей скачок частоты генерации лампы обратной волны

С/2 1

о

(1У

где С - скорость света; 10 - расстояние до слоя плазмы с критической концентрацией.

Этим обеспечивается максимальная фазовая чувствительность при сохранении однозначного соответствия между измеряемым расстоянием и индицируемой фазой (например, для 10 0,5м AfM 300 МГц). Во время каждого полупериода меандра частота СВЧ-генератора меняется по линейному закону, при этом, на выходе СВЧ- детектора возникают фазовые биения в виде отрезков синусоиды. Величину пилообразного напряжения выбирают такой, чтобы соответствующая ей девиация частоты A.fn приводила к формированию на СВЧ-детекторе целого числа п периодов за половину периода меандра. При этом выполняется соотношение

п С .

(2)

Для того, чтобы это соотношение

не нарушалось при перемещениях СПКК, необходимо соблюдение условия 1 10, где Д1 - разности длин плеч волно- водного моста (например, для п -2иД1 5м, &.f п 60 МГц) . Возможная форма сигнала на СВЧ-детекторе представлена на фиг. 26. Пакеты колебаний, отличающиеся на половину периода меандра, синфаз- ны, а соседние пакеты колебаний,

5 соответствующие разным частотам СВЧ-генератора, могут начинаться в разных фазах. Разность фаз этих сигналов содержит информацию о расстоянии до слоя плазмы с критической кон0 центрацией. Сигнал с СВЧ-детектора 10 подается на вход а коммутатора 12 непосредственно, а на вход б через линию 11 задержки, в которой сигнал задерживается на время, рав5 ное половине периода меандра. Коммутатор работает следующим образом. В течение одной половины периода меандра вход а соединен с выходом в, а вход б - с выходом г.

Q В течение второй половины периода меандра вход а соединен с выходом г, а вход б - с выходом в.В результате на выходах коммутатора формируются два непрерывных синусоидальных сигнала промежуточ5 ной частоты Fnp 2Fn (фиг.2в,г). Эти сигналы усиливаются и ограничиваются по амплитуде и усилителях промежуточной частоты. Одновременно полосовыми фильтрами в них устраняются коммутационные и некоторые другие помехи. После этого сигналы поступают в преобразователь фаза - напряжение.

г Расстояние до слоя плазмы с критической концентрацией 10 по измеренной разности фаз Р можно найти из соотношения

0

Р- 4 77bfMlof

50.- -с

где

СЗ)

,-|/1

(г-,-111

i - N/i)/Nkp J dd)i0),(4)

N - концентрация плазмы Nkp - критическая концентрация

плазмы.

5153

Множитель I зависит только от формы распределения концентрации в переходном слое плазмы от ее границы до слоя плазмы с критической концентрацией.

Для установления пределов измерения, при которых максимальному ожидаемому значению 10 соответствовало бы изменение фазы ф 27 и для одно- временного исключения из выражения (3) неизвестной величины Af M можно воспользоваться, например следующим приемом. Периодически перемещая поршень 5 на некоторое расстояние Al изменением амплитуды меандра устанавливают изменение фазы РК, При этом

РК 47 1 ЬЈММК. (5)

Расчетная формула

Ф -0К1 10/ЫК.

(6)

Отсюда следует, что при калибровке следует устанавливать величину

- 1Ј ДЈь.

- т

/Us, 1,

(7)

Однозначность индикации позволяет использовать предлагаемый СВЧ-рефлек- тометр в качестве датчика в системе управления режимом работы термоядерной установки. Простота установки масштаба шкалы индикатора дает возможность использовать прибор в термоядерных установках различных разQ

0

5

0

5

меров или в условиях сильно отличающихся параметров плазмы.

Формула изобретения

СВЧ-рефлектометр для диагностики плазмы, содержащий СВЧ-генератор с блоком питания, модулятор пилообразного напряжения, подключенный к входу управления СВЧ-генератора,двойной тройник с отражающим поршнем, выход СВЧ-генератора соединен через двойной тройник с входом длинной вол- новодной линии с приемо-передающей антенной на конце и с входом СВЧ-де- тектора, соответственно, к выходу которого подключен коммутатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений за счет ослабления влияния изменений уровня отраженного от плазмы СВЧ-сигнала, в него введены манипулятор частоты СВЧ-генератора, линия задержки,преобразователь фаза-напряжение и два усилителя промежуточной частоты с амплитудными ограничителями, а коммутатор выполнен двухканальным, при этом один из входов коммутатора соединен с СВЧ-детектором непосредственно, а второй - через линию задержки, выходы коммутатора соединены с преобразователем фаза-напряжение через соответствующие усилители промежуточной частоты, первый и второй выходы манипулятора частоты подключены соответственно к входу управления СВЧ-генератора и управляющему входу коммутатора.

I

Изобретение предназначено для измерения расстояния до слоя плазмы с критической концентрацией (СПКК) в термоядерных установках. Целью изобретения является повышение точности измерений за счет ослабления влияния изменений уровня отраженного от плазмы СВЧ-сигнала. СВЧ-рефлектометр содержит один СВЧ-генератор, частота которого поочередно меняется на несколько сот мегагерц и, кроме того, каждая из этих средних частот меняется по линейному закону. В результа на СВЧ-детекторе, включенном на выходе неравноплечего волноводного моста, возникают фазовые биения. В одно из плеч этого моста входит расстояние до СПКК. Сигнал с СВЧ-детектора поступает на входы коммутатора: на один непосредственно, а на другой через линию задержки. Коммутация производится одновременно с изменением средней частоты СВЧ-генератора. В результате на двух выходах коммутатора формируются два сигнала промежуточной частоты, каждый состоящий из чередования прямого сигнала и его копии, образованной в линии задержки. Выбором величины разности средних частот можно установить однозначное соответствие между индицируемой разностью фаз и измеряемым расстоянием до СПКК, что позволяет использовать этот рефлектометр в качестве датчика в системе управления режимом работы термоядерной установки. 2 ил.

Редактор Л. Пчолинская

ДО

Составитель А. Ястребов

Техред М.Дидык Корректор В. Гирняк

фиг.1