用于聚变堆的电磁辐射监测系统和方法与流程

本发明涉及核聚变，尤其涉及一种用于聚变堆的电磁辐射监测系统和方法。

背景技术：

1、电磁辐射水平是聚变堆环境安全的重要评估内容，也是反映主机及辅助系统运行状态的重要监测项目。随着聚变堆从小型实验堆走向示范堆建设，电子回旋共振加热/电流驱动系统（electron cyclotron resonance heating/current drive, ecrh/cd）的加热功率将从1mw量级提高到10mw~100mw量级，加热频率也将从shf量级（10ghz量级）提高到甚高频＞100ghz量级。这一发展趋势带来了新的监测需求：一方面，辅助加热系统向环境发射的电磁辐射功率显著提高、衰减距离延长，需要进行更加严格的环境监测；另一方面，目前的电磁干扰（electromagnetic interference, emi）检测手段仅能覆盖＜100ghz的频段，＞100ghz频段尚属检测盲区。这意味着示范堆向环境发射电磁辐射的主要频段实际上无法测量，构成了环境安全评估的盲区。

2、聚变堆现有的电磁辐射监测体系主要包括内部等离子体诊断和外部泄漏电磁辐射监测两个方面，但均无法满足上述需求，具体如下：

3、主机内部等离子体的微波诊断手段包括汤姆逊散射（thomson scattering）和电子回旋辐射（electron cyclotron emission, ece）测量，两者均在＞100ghz频段设置有接收端。然而，上述诊断装置无法用于外部泄漏电磁辐射的监测，原因在于：1）接收天线设置于聚变堆内部的等离子体与第一壁之间，而第一壁后方依次设置有多层屏蔽结构，包括包层、真空壁、冷屏和生物屏蔽层等，上述多层屏蔽结构基本将外部电磁辐射完全隔绝，内部接收端无法接收到外部泄漏信号；2）即使能够接收，内部天线通常仅工作在预先设定的若干个固定频率上，这是由于等离子体温度和剖面计算及后续控制的需要，诊断系统追求的是上述固定频率上的测量精度，并对此进行了精细优化，而未重视测量带宽或扫频能力，难以适用于具有较强随机性的泄漏电磁辐射测量；3）即使能够接收且具备宽带工作能力，内部天线与外部天线也无法共用一套发射/接收系统，否则＞100ghz波段的相互干扰乃至非线性干涉将导致诊断信号失真和噪声淹没。综上，内部等离子体诊断的微波测量手段无法用于外部泄漏电磁辐射的监测。

4、对聚变堆主机外部电磁辐射的监测，目前仅见于离子回旋共振频率（ioncyclotron resonance frequency,icrf）加热系统的电磁辐射检测和主机电磁脉冲（electromagnetic pulse, emp）的测量。然而，上述两种辐射源的频率均较低，其中icrf加热系统的工作频率为50~100mhz，emp爆发的频段一般为100mhz~3ghz，因此所采用的监测手段均工作在＜3ghz频段，例如手持式选频仪、宽带电场天线或磁场天线等。上述设备受限于设计尺寸、测量器件带宽和分辨位数，无法向上兼容测量＞100ghz频段的电磁辐射。

5、主机内部的ece诊断以及汤姆逊散射等微波诊断手段实质上属于太赫兹频段的测量技术，该频段在成像、通信等其他领域已有成熟应用。然而，上述领域的太赫兹测量技术同样难以应用于泄漏电磁辐射的监测，原因在于：1）上述领域的太赫兹测量主要采用定频测量方式，难以适用于随机泄漏信号的监测；2）上述领域的太赫兹测量系统功率通常小于1kw，多采用体积较小的平面/片上天线或光电导天线，上述设备难以适应聚变堆大厅的强磁场和辐照环境，例如片上天线受中子辐照后其特性会发生偏移和退化，光电导天线在约1t量级的强磁场中工作时，光旋效应会干扰光的传播路径从而影响测量精度；3）光电导天线还需借助飞秒激光器，整套系统结构复杂、成本高昂，性价比低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种用于聚变堆的电磁辐射监测系统和方法，以突破＞100ghz频段检测盲区，实现外部泄漏辐射的宽带巡检与定频监测，并为环境安全评估提供可靠数据支撑。

2、第一方面，本发明实施例提出一种用于聚变堆的电磁辐射监测系统，包括：喇叭天线，设置在聚变堆主机外部，用于接收大于100ghz频段的电磁辐射信号；调理组件，与所述喇叭天线连接，用于将所述电磁辐射信号分为两路，并对其中一路电磁辐射信号进行功率衰减；辐射计，与所述调理组件连接，用于测量未衰减电磁辐射信号的辐射强度；测量组件，用于产生本振信号，所述本振信号包括频率变化的第一本振信号和频率固定的第二本振信号；混频组件，分别与所述调理组件、所述测量组件连接，用于将衰减电磁辐射信号分别与所述第一本振信号和所述第二本振信号进行外差混频，生成对应的中频信号；控制组件，分别与所述辐射计、所述测量组件、所述混频组件连接，用于：每当所述辐射强度超出安全警戒值时，控制所述测量组件的第一本振频率基于上一次循环中的第一本振频率增加预设步长，并基于增加后的第一本振频率产生对应的第一本振信号，以及控制所述测量组件的第二本振频率固定于目标频率，并基于所述目标频率产生对应的第二本振信号；基于所述混频组件输出的中频信号，识别出超过预设强度阈值的新频率信号时，确定所述新频率信号的持续时长；当所述持续时长超过预设时长、且所述新频率信号的新频率超出所述测量组件的第二本振频率当前的工作带宽时，将所述新频率作为下一次循环的目标频率。

3、在一些实施例中，所述测量组件包括扫频测量模块和定频测量模块：所述扫频测量模块，包括依次连接的第一扫频模块、第一倍频器和第一放大器，用于产生所述第一本振信号；所述定频测量模块，包括依次连接的第二扫频模块、第二倍频器和第二放大器，用于产生所述第二本振信号；其中，所述控制组件分别与所述第一扫频模块和所述第二扫频模块连接，所述混频组件分别与所述第一放大器和所述第二放大器连接。

4、在一些实施例中，所述混频组件包括第一混频器、第二混频器、第三混频器和第四混频器，所述第一混频器、第二混频器、所述第三混频器和第四混频器均与所述调理组件连接；所述扫频测量模块还包括第一功分器和第一移相器，所述第一功分器分别与所述第一放大器、所述第一混频器和所述第一移相器连接，所述第一移相器与所述第三混频器连接；所述定频测量模块还包括第二功分器和第二移相器，所述第二功分器分别与所述第二放大器、所述第二混频器和所述第二移相器连接，所述第二移相器与所述第四混频器连接。

5、在一些实施例中，所述调理组件包括第三功分器、第四功分器、第一衰减器、第二衰减器、第三衰减器和第四衰减器；所述第三功分器，用于将所述电磁辐射信号分为第一路和第二路，所述辐射计串接于所述第一路；所述第四功分器，用于将所述第二路电磁辐射信号分为第三路、第四路、第五路和第六路；所述第一衰减器，串接于所述第三路与所述第一混频器之间，用于对所述第三路电磁辐射信号进行功率衰减；所述第二衰减器，串接于所述第四路与所述第二混频器之间，用于对所述第四路电磁辐射信号进行功率衰减；所述第三衰减器，串接于所述第五路与所述第三混频器之间，用于对所述第五路电磁辐射信号进行功率衰减；所述第四衰减器，串接于所述第六路与所述第四混频器之间，用于对所述第六路电磁辐射信号进行功率衰减。

6、在一些实施例中，所述调理组件还包括隔直器；所述隔直器，串接于所述喇叭天线与所述第三功分器之间，用于阻断直流及低频干扰信号，并允许所述电磁辐射信号通过。

7、在一些实施例中，所述控制组件包括采集卡、信号转换器和工控机；所述采集卡，分别与所述第一混频器、所述第二混频器、所述第三混频器和所述第四混频器连接，用于采集并记录各混频器输出的中频信号；所述信号转换器，与所述辐射计连接，用于将所述辐射计输出的模拟形式的辐射强度转换为数字形式的辐射强度；所述工控机，分别与所述采集卡、所述信号转换器、所述第一扫频模块和所述第二扫频模块连接，用于接收所述采集卡和所述信号转换器输出的数据，并向所述第一扫频模块和所述第二扫频模块发送控制指令。

8、在一些实施例中，所述控制组件对所述中频信号进行的识别包括快速傅里叶变换和/或连续小波变换，以提取时变频谱；所述控制组件还用于通过双谱分析评估不同频率信号之间的相关性，和/或通过ritz方法获得频谱的幂律衰减系数。

9、在一些实施例中，所述喇叭天线为光滑壁喇叭天线，所述光滑壁喇叭天线的壁面光滑度小于0.6μm。

10、在一些实施例中，所述系统还包括水冷管和陶瓷支架，所述水冷管用于向所述喇叭天线的冷却水槽循环注入冷却水，所述陶瓷支架用于支撑所述喇叭天线及与所述喇叭天线连接的波导。

11、第二方面，本发明实施例提出一种用于聚变堆的电磁辐射监测方法，用于第一方面实施例所述的用于聚变堆的电磁辐射监测系统，所述方法包括：每当所述辐射强度超出安全警戒值时，控制所述测量组件的第一本振频率基于上一次循环中的第一本振频率增加预设步长，并基于增加后的第一本振频率产生对应的第一本振信号，以及控制所述测量组件的第二本振频率固定于目标频率，并基于所述目标频率产生对应的第二本振信号；基于所述混频组件输出的中频信号，识别出超过预设强度阈值的新频率信号时，确定所述新频率信号的持续时长；当所述持续时长超过预设时长、且所述新频率信号的新频率超出所述测量组件的第二本振频率当前的工作带宽时，将所述新频率作为下一次循环的目标频率。

12、本发明实施例的用于聚变堆的电磁辐射监测系统和方法，系统包括：喇叭天线，设置在聚变堆主机外部，用于接收大于100ghz频段的电磁辐射信号；调理组件，与喇叭天线连接，用于将电磁辐射信号分为两路，并对其中一路电磁辐射信号进行功率衰减；辐射计，与调理组件连接，用于测量未衰减电磁辐射信号的辐射强度；测量组件，用于产生本振信号，本振信号包括频率变化的第一本振信号和频率固定的第二本振信号；混频组件，分别与调理组件、测量组件连接，用于将衰减电磁辐射信号分别与第一本振信号和第二本振信号进行外差混频，生成对应的中频信号；控制组件，分别与辐射计、测量组件、混频组件连接，用于：每当辐射强度超出安全警戒值时，控制测量组件的第一本振频率基于上一次循环中的第一本振频率增加预设步长，并基于增加后的第一本振频率产生对应的第一本振信号，以及控制测量组件的第二本振频率固定于目标频率，并基于目标频率产生对应的第二本振信号；基于混频组件输出的中频信号，识别出超过预设强度阈值的新频率信号时，确定新频率信号的持续时长；当持续时长超过预设时长、且新频率信号的新频率超出测量组件的第二本振频率当前的工作带宽时，将新频率作为下一次循环的目标频率。由此，通过外差混频将＞100ghz信号降频至可测中频，突破了现有检测手段的频段盲区；通过辐射计超阈值触发式扫频与定频并行监测，兼顾了宽带巡检与重点盯防；通过新频率持续时长判断与定频目标自动切换，实现了对新生频段的自适应追踪，为聚变示范堆环境安全评估提供了可靠的监测手段。

13、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。