ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 105-108
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ
--ТЕХНИКА
ИОЧ-ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЭЛЕКТРОНОВ В ПЛАЗМЕ СТЕЛЛАРАТОРА Л-2М
© 2004 г. А. В. Князев, А. А. Летунов, В. П. Логвиненко
Институт общей физики РАН Россия, 119991, Москва, ул. Вавилова, 38 Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
После доработки 13.11.2003 г.
Описана диагностическая установка для определения профиля концентрации электронов в плазме стелларатора Л-2М. Основным элементом установки является интерферометр на основе ИСК-лазера (337 мкм) с зеркалом в вакуумной камере, построенный по схеме Майкельсона. Для переноса фазового сдвига в удобный для регистрации диапазон частот применена схема с механическим сдви-гателем частоты на основе эффекта Доплера. В качестве детекторов излучения используются охлаждаемые жидким гелием фотосопротивления 1п8Ъ. В вакуумной камере размещено семь зеркал, любое из которых может быть включено в оптическую схему интерферометра поворотом внешнего зеркала. Таким образом осуществляется сканирование по семи хордам. Результаты регистрируются в цифровом виде. Последующая обработка позволяет определять параметры функций пространственного распределения плотности, принадлежащих к априорно выбранному семейству.
введение
Задачей описываемой диагностики является определение профиля концентрации электронов в плазме стелларатора Л-2М [1, 2] в различных режимах нагрева плазмы, включая нагрев в режиме электронного циклотронного резонанса -э.ц.р.-нагрев. Интерферометрические измерения являются стандартным способом определения плотности различных компонент при диагностике плазмы [3]. В зависимости от длины волны зондирующего излучения можно использовать интерферометрию для диагностики электронной, атомной или ионной компонент плазмы. При использовании излучения видимой области в очень плотных разрядах, таких, например, как пинчи, возможна интерферометрическая диагностика электронной компоненты.
Чаще основной вклад в отличие показателя преломления от единицы вносят атомы или ионы. С увеличением длины волны растет относительная доля электронного вклада. Заведомо преобладающим он становится с приближением к критической для данной длины волны зондирующего излучения плотности - N = 1.11А,-2 ■ 1015 м-3, начиная с которой излучение перестает проникать в плазму. Другое ограничение связано с рефракцией лучей на краевом градиенте плотности при косом падении. Рост рефракции также связан с увеличением отличия показателя преломления от единицы при приближении к критической плотности. Из сказанного можно сделать вывод, что для многохордового зондирования существует
оптимальный диапазон длин волн зондирующего излучения, который не так уж широк.
С учетом вышеизложенных соображений для диагностики электронной плотности в стеллара-торе Л-2 [1] в качестве зондирующего использовалось излучение ИСК-лазера (337 мкм) [4-6]. Критическая плотность при этом =1016 см-3. Используемый ИСК-интерферометр для измерения распределения концентрации электронов в плазме стелларатора Л-2М создан в результате усовершенствования существовавшей ранее на стел-лараторе Л-2 аналогичной установки [5, 6].
описание установки
На рис. 1 представлена схема диагностической установки. Источником зондирующего излучения является ИСК-лазер с накачкой в.ч.-разрядом. Заднее зеркало резонатора - глухое сферическое. Выходным зеркалом служит одномерная сетка из вольфрамовой проволоки диаметром 10 мкм, намотанной с шагом 50 мкм. Выходная мощность лазера 10 мВт.
Особенностью, осложняющей реализацию многохордовой диагностики на данной установке, является невозможность проводить измерения "на просвет" одновременно по всем хордам в одном импульсе, как это делают, например, при вертикальном зондировании в токамаках. Наличие в стеллараторе винтовой обмотки не позволяет сделать в камере необходимые для такого интерферометра окна, что накладывает существенные ограничения на систему транспортировки лазерного излучения через камеру. Поэтому интерфе-
106
князев и др.
Рис. 1. Схема диагностической установки. 1-7 - сферические зеркала; 8-10 - плоские зеркала; Л1-Л4 - линзы (на рисунке указаны фокусные расстояния); Ду, Д2 - детекторы; ДПу, ДП2 - делительные пластины.
рометр строится по схеме Майкельсона с набором возвращающих зеркал внутри вакуумной камеры.
Луч лазера расщепляется делительной пластиной ДПХ из кристаллического кварца. Один из лучей вводится в камеру стелларатора по оптическому тракту, состоящему из линзы Лх и зеркал 9 и 10. Линза Лу фокусирует лазерный пучок на центр поверхности плоского зеркала 10, расположенного непосредственно перед окном камеры. Поворотом этого зеркала выбирается одна из семи хорд. За один импульс стелларатора измерения проводятся по одной хорде. Сферическое зеркало отражает пучок назад. Таким образом, пучок дважды проходит через плазму и, возвращаясь назад по тому же пути через оптический тракт, отражается от делительной пластины и попадает на приемник излучения Ду. Второй луч направляется на механический сдвигатель частоты, использующий эффект Доплера. Часть пучка ответвляется делительной пластиной ДП2 для формирования опорного канала интерферометра с зеркалом 8 и детектором Д2.
В качестве детекторов излучения используются охлаждаемые жидким гелием фотосопротивления из кристаллов ¡иБЬ. На каждый из двух приемников излучения попадает по два лазерных пучка: с основной и сдвинутой частотами. Приемники регистрируют сигнал на разностной частоте, т.е. частоте доплеровского сдвига (15-30 кГц). В рабочем канале при возникновении плазмы добавляется вызванный ею сдвиг фазы.
В течение импульса установки из-за перемещений зеркал 1-7, вызванных импульсом магнитного поля, оптическая длина пути рабочего луча
меняется, что приводит к паразитному фазовому сдвигу. Для уменьшения этих сдвигов сферические зеркала закреплены не непосредственно на камере, а на специальной дуге. Дуга с семью зеркалами укреплена на отдельной колонне, стоящей на полу и механически развязанной сильфо-ном от камеры стелларатора. Однако и это не спасает полностью от механического изменения длины оптического пути. Чтобы исключить механическую помеху, для каждой хорды проводятся дополнительно измерения без плазмы - только с импульсом магнитного поля. Вычитая два полученных фазовых сдвига: с плазмой и без плазмы, -получаем истинный фазовый сдвиг, обусловленный только влиянием плазмы.
Еще один вид помех, с которым приходится бороться, - это помехи от работы гиротронов (к = 4 мм), мощное излучение которых инициирует разряд с последующим э.ц.р.-нагревом плазмы. Эти помехи связаны как с обычными наводками от работы мощной импульсной системы питания этих приборов, так и с регистрацией их излучения детекторами, имеющими в миллиметровом диапазоне большую чувствительность, чем в субмиллиметровом. Для подавления рассеянного с.в.ч.-излучения, попадающего в измерительные тракты интерферометра, на входе приемников излучения установлены с.в.ч.-фильтры (изготовлены в отделе субмиллиметровой спектроскопии Института общей физики). Их основой являются двумерные проволочные сетки, намотанные вольфрамовой проволокой диаметром 10 мкм с шагом намотки 150 мкм. Один фильтр обеспечивает подавление с.в.ч.-излучения гиротрона на длине
hcn-интерферометр
107
волны 4 мм более 20 дБ. В каждом канале установлено по два фильтра.
получаемые данные и их обработка
Часто в установках с HCN-интерферометром необходимо оцифровывать сигнал, получаемый на выходе фазового детектора, поскольку на его вход сигналы с детекторов подают в аналоговом виде. В описываемой установке применен цифровой фазовый детектор. В этом случае сигналы с обоих детекторов сразу оцифровываются с использованием аналого-цифрового преобразователя КАМАК с тактом оцифровывания 1 мкс (или 2 мкс). Это позволяет проводить цифровую фильтрацию исходных сигналов для устранения наводок и затем вычислять фазовый сдвиг, сравнивая обе синусоиды.
На рис. 2 представлены измеренные зависимости фазовых набегов (в долях периода) от времени для каждой из семи хорд в конкретных условиях эксперимента (мощность с.в.ч. 200 кВт, средняя плотность по центральной хорде 1.5 ■ 1013 см-3). Такие данные являются исходным материалом для восстановления распределения концентрации электронов в плазме стелларатора.
В левой части рис. 1 внутри камеры показана картина магнитных поверхностей стелларатора [1] и хорд, по которым проходит лазерный луч. Распределение плотности плазмы в стеллараторе не имеет осевой симметрии, изолинии этого распределения совпадают с магнитными поверхностями, к которым привязываются и данные других диагностик. При этом для представления распределений различных параметров, в том числе и плотности плазмы, в зависимости от одной координаты используется величина эффективного радиуса магнитной поверхности - радиуса окружности, имеющей площадь, равную площади соответствующей магнитной поверхности. Поэтому адекватность процедуры восстановления распределения плотности, помимо других факторов, в существенной степени зависит от правильности используемого набора магнитных поверхностей и точности взаимной привязки картины этих поверхностей и расположения хорд интерферометра.
Нашей задачей является нахождение функции N(r) по измеренным значениям интеграла вдоль каждой из семи хорд. Эту задачу можно решать различными способами. Мы ищем решение среди функций вида:
Nr = No[ 1- (r/ro)р], где r0 - эффективный радиус сепаратрисы [1].
Набег фазы, доли периода 1.2
1.0
0.8 0.6 0.4 0.2 0
50
60
70
80 t, мс
Рис. 2. Изменение во времени измеренных набегов фазы по всем хордам. Цифры 1-7 у кривых - номера хорд, соответствующие номерам зеркал на рис. 1.
Значения И0 и р определяются методом наименьших квадратов по минимуму выражения
Ijx - 2a;nJ ,
i=i
где И] = И0[1 - (г/г0)р]; X, - экспериментально измеренное значение; А] - длина отрезка хорды с
Ne, 1013 см-3
2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0 0.1 0.2 0.3 .4 0.5 0.6 r/r0 .7
t, мс
70
74
Рис. 3. Изменение профиля плотности в течение импульса стелларатора.
7
1G8
князев и др.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.