J-TEXT裝置上ECEI光學成像系統(tǒng)設計.pdf

1、在托卡馬克中存在許多不穩(wěn)定性模式，它們會影響托卡馬克的約束性能。為從實驗上尋求對于各種宏觀和微觀不穩(wěn)定性的理解，需要獲得直觀的磁流體演化圖像，實現(xiàn)同時觀測漲落量、漲落的空間相干性及漲落量之間的相干性。這樣的測量需求就需要有高空間分辨的二維等離子體電子溫度診斷工具，而電子回旋輻射成像診斷系統(tǒng)（ECEI）便是其中最好的診斷手段之一。過去的20多年中，國內外各個裝置都先后建立起ECEI系統(tǒng)，來觀測鋸齒磁重聯(lián)等MHD行為以及湍流漲落結構等。J-

2、TEXT裝置正在發(fā)展一套二維電子回旋輻射診斷系統(tǒng)，設計方案中的ECEI系統(tǒng)是由兩套成像陣列組成且公用同一環(huán)向窗口的雙陣列系統(tǒng)，每套成像陣列為極向16道×徑向8道的二維陣列，可以實現(xiàn)同時分離地觀測等離子體中的不同徑向區(qū)域，因此總體是一套256道的ECEI系統(tǒng)。
　　本文圍繞ECEI光學系統(tǒng)的設計展開。ECEI光學系統(tǒng)設計是建立在高斯光束傳輸理論上，以現(xiàn)代三透鏡鏡頭光學設計理念為基礎，并添加場曲調節(jié)透鏡（FCA透鏡）實現(xiàn)進一步優(yōu)化完成

3、的。在透鏡功能結構上，前端成像光學系統(tǒng)由變焦透鏡組、FCA透鏡、高場側（HFS）聚焦透鏡、低場側（LFS）聚焦透鏡、環(huán)向透鏡組成。該成像光學系統(tǒng)實現(xiàn)了聚焦、變焦、場曲調節(jié)的統(tǒng)一，有著優(yōu)秀的設計性能參數(shù)。在極向高分辨率觀測方面，在窄變焦情況下極向空間分辨率可達到1.3cm；在極向變焦功能上，可以實現(xiàn)變焦系數(shù)從1.16到1.99之間的變化。在徑向聚焦功能上，幾乎可以在從托卡馬克高場側（HFS）邊界到低場側（LFS）邊界之間任意位置聚焦；在聚

4、焦景深方面，聚焦景深控制在38mm-100mm之間，足以保障高場側、低場側單一陣列的徑向聚焦。更重要地，通過在ECEI光學系統(tǒng)設計中采納添加場曲調節(jié)透鏡（FCA透鏡）的方式，在不同變焦模式下實現(xiàn)了場曲與徑向聚焦位置、極向變焦功能的解耦，場曲控制在4.4mm以內（瑞利長度的2.4％以內），將光學系統(tǒng)成像面修正為近乎平整的平面，很大程度上提高了等離子體內共振層對天線陣列的響應。本振光學系統(tǒng)著重考慮天線陣列通光孔徑內的功率需求。該系統(tǒng)結構相對

5、簡單，針對選定的角錐天線尺寸，兩套本振光路設計總長度在1m以內，在滿足天線陣列通光孔徑內功率要求的同時也滿足了放置空間的限制條件。介紹了選擇碳氫化合物陶瓷為介質分束板的選型計算過程。最終選定折射率為2.480介質材料作為分束板，其理論透射率與反射率分別為45.4%和54.6%，基本上可以認為是在功率選擇方面實現(xiàn)3dB衰減，使得高場側和低場側信號相當，平臺測試結果與其一致。最后，為了檢驗所設計光學系統(tǒng)的實際性能，本文開展了相關平臺測試。通