Дисперсионный интерферометр на основе CO2 лазера тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

СОЛОМАХИН Александр Леонидович

ДИСПЕРСИОННЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТР НА ОСНОВЕ С02 ЛАЗЕРА

01.04.08 - физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2006

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

Багрянский — доктор физико-математических наук,

Петр Андреевич Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Князев — доктор физико-математических наук,

Борис Александрович профессор, Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Павлов — кандидат физико-математических наук,

Александр Алексеевич Институт теоретической и прикладной

механики им. С.А. Хрпстиановича СО РАН, г. Новосибирск.

ВЕДУЩАЯ — ГНЦ РФ "Троицкий институт

ОРГАНИЗАЦИЯ: инновационных и термоядерных

исследований", г. Троицк.

Защита диссертации состоится " 23 _ 2006 г.

в " " часов па заседании диссертационного совета Д.003.016.01 Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан " ¿2 .7 " _2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Интерферометрия получила широкое распространение в исследованиях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, как наделшое средство измерения абсолютного значения электронной плотности. Изменение фазы электромагнитной волны, распространяющейся через плазму, в приближении мр<ши шсе w зависит только от длины волны и линейной плотности электронов:

е2 Г

Аср = —5-Л / nedl 4- <ро, (1)

тс* J

где ш - частота волны, шр — плазменная частота, шсе — электронная циклотронная частота, m - масса электрона, Л - длина волны, пе — электронная плотность, <ро - набег фазы, не связанный с плазмой, а интегрирование производится вдоль линии распространения луча.

Общей особенностью интерферометров является наличие двух независимых оптических каналов. Поскольку набег фазы волны в среде может зависеть от геометрического пути, поляризации и частоты излучения, существует три типа интерферометров. Один из них использует каналы, разделенные пространственно, два других основаны на разделении по поляризациям и частотам. Традиционно для интерферометрии плазмы используются интерферометры построенные по схеме Майкельсона или M axa-Цандер а, то есть системы первого типа с пространственным разделением каналов (см., например, [1] и [2]). Этим обстоятельством обусловлен главный недостаток интерферометров такого типа — высокая чувствительность к вибрациям оптических элементов. Для уменьшения влияния вибраций принимаются следующие меры:

• используются массивные виброизолирующие станины, и осуществляется звукоизоляция оптических элементов;

• для зондирования используется излучение субмиллиметрового диапазона (118 мкм, 337 мкм) [2];

• используются двухцветные интерферометры, в которых излучения от двух источников с сильно различающимися .длинами волн распространяются по одному пути, и которые можно условно разделить на два типа: 1) интерферометры с компенсацией вибраций

методом обратной связи, сигнал ошибки при этом формируется в канале с коротковолновым излучением, для которого набег фазы в плазме относительно мал [1]; 2) системы, в которых набег фазы в плазме отделяется от набега фазы, вызванного изменением размера измерительной базы интерферометра, при помощи математической обработки сигналов, зарегистрированных в измерительных каналах [3].

Все перечисленные пути преодоления влияния вибраций имеют свои недостатки. Переход в область больших длин волн увеличивает влияние рефракции, поскольку высокий градиент плотности плазмы является особенностью современных установок для термоядерных исследований. Относительно высокая линейная плотность плазмы < пе1 >~ 1015 — 1016 см~2 в современных установках позволяет, в принципе, использовать зондирующее излучение видимого и инфракрасного диапазонов, где влияние рефракции пренебрежимо мало, а набег фаз достаточно велик. Однако, при использовании этих длин волн возрастает чувствительность интерферометров к вибрациям. Для полного подавления влияния вибраций в двухцветных интерферометрах необходимо, чтобы лучи от двух источников шли по одному пути с большой точностью. Для этого требуется прецизионная и устойчивая к вибрациям юстировка системы, чего трудно добиться в условиях современных систем для магнитного удержания плазмы, где длина измерительной базы может составлять десятки метров.

Относительно новым типом интерферометра является дисперсионный интерферометр (ДИ), впервые предложенный независимо в [4] и [5]. Оптические каналы ДИ разделены по частотам, причем излучение в коротковолновом канале формируется методом удвоения частоты зондирующего излучения. Свойства большинства нелинейных кристаллов позволяют организовать такой режим удвоения частоты, при котором излучение второй гармоники распространяется точно по тому же пути, что и излучение первой гармоники. Это обстоятельство позволяет создать интерферометр, чувствительный только к дисперсии изучаемой среды и слабо чувствительный к вибрациям оптических элементов.

Цель работы состояла:

• в создании дисперсионного интерферометра на основе СОд лазера для диагностики плазмы В современных термоядерных установках и установках следующего поколения;

• в исследовании поведения плазмы в установке ГДЛ с помощью дис-персиошюго интерферометра.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Впервые создан дисперсионный интерферометр на основе СОг лазера.

2. Предложена система фазового детектирования и алгоритм вычисления фазы, позволившие в результате их реализации измерять линейную плотность плазмы с точностью 2 • 1013 см-2 и разрешением по времени 100 мкс.

3. Продемонстрированы основные преимущества дисперсионного интерферометра: простота конструкции и слабая чувствительность к вибрациям оптических элементов в условиях реальных экспериментов на установках ГДЛ и TEXTOR.

4. В эксперименте с дополнительным пробкотроном на установке ГДЛ изучен процесс накопления быстрых ионов и измерена величина их линейной плотности. Результаты измерений позволили сделать два наиболее важных вывода для этого эксперимента: 1) плотность анизотропных ионов со средней энергией те 8 кэВ более чем в три раза превысила плотность теплых ионов и достигла величины 1.2-1013 см-3; 2) удержание горячих ионов определяется кинетикой кулоновских столкновений.

5. В экспериментах по изучению влияния радиального электрического поля на удержание плазмы в ГДЛ измерено время удержания частиц плазмы для различных профилей радиального потенциала. Показано, что при формировании оптимального профиля потенциала время удержания определяется скоростью продольного газодинамического истечения, несмотря на неблагоприятную для МГД-устойчивости конфигурацию магнитного поля.

Научная новизна

Впервые создан дисперсионный интерферометр на основе СОг лазера. Доказана малая чувствительность подобного интерферометра к вибрациям оптических элементов.

Научная ценность работы

Созданный дисперсионный интерферометр в отличие от интерферометров построенных по классической схеме можно использовать для измерения линейной плотности плазмы в установках по УТС следующего поколения.

В экспериментах с компактным пробкотроном на ГДЛ с помощью дисперсионного интерферометра исследовалось удержание плазма с рекордной анизотропией без возникновения микронеустойчивостей. Ценность экспериментов с компактным пробкотроном состоит в моделировании плазмы в зоне испытаний источника нейтронов на основе ГДЛ. Полученные результаты также могут быть использованы для проверки критериев микроустойчивости плазмы с высокой анизотропией в пространстве скоростей.

В экспериментах на основном пробкотроне ГДЛ с помощью дисперсионного интерферометра исследовалось удержание плазмы в зависимости от профиля радиального потенциала. Эти эксперименты проводились для исследования физики удержания плазмы в ГДЛ, что является очень важным вопросом для нейтронного источника на основе ГДЛ. ч

Апробация диссертации

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на семинарах в ИЯФ СО РАН (г. Новосибирск). КроМе того, результаты работы докладывались на Всероссийской конференции по физике плазмы и У ТС (2004-2005, Звенигород), Международной конференции: "Open Magnatic System for Plasma Confinement" (2004 - Новосибирск, 2006 - Цукуба, Япония), Международной конференции: "EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics" (2005 -Таррагона, Испания, 2006 — Рим, Италия), Всероссийской конференции по диагностика высокотемпературной плазмы (2005 - Троицк), Международной конференции: "International Symposium on Laser-Aided Plasma Diagnostics" (2005 - Snowbird, Utah, USA).

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Текст диссертации содержит 143 страниц, 64 рисунков и 2 таблицы. Список литературы состоит из 46 работ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описаны основные принципы интерферометрии и дан обзор интерферометров применяемых на современных термоядерных установках, также здесь дано описание принципа работы дисперсионного интерферометра и его преимуществ по сравнению с традиционными интерферометрами.

В первой главе дано описание теории генерации второй гармоники, а также результаты расчета оптической схемы необходимой для генерации второй гармоники. Полученные результаты были использованы для экспериментального изучения процесса генерации второй гармоники излучения СОг лазера в нелинейных кристаллах ZnGePí и GaSe. Эта часть работы была мотивирована следующими обстоятельствами:

• недостаточными данными относительно параметров нелинейных кри сталлов для генерации второй гармоники непрерывного излучения СОг лазера;

• необходимостью выбрать тип удвоителя частоты, параметры которого оптимальны для решения поставленной задачи;

• необходимостью детальной проверки качества выбранных образцов нелинейных кристаллов.

Также в этой главе описано создание настольного варианта дисперсионного интерферометра и пилотного варианта дисперсионного интерферометра на установке ГДЛ.

Вторая глава посвящена описанию дисперсионного интерферометра построенного на установке ГДЛ, системы фазового детектирования, которая была предложена автором специально для ДИ, работающего в режиме регистрации больших набегов фазы Д<р > 1. Подробно изложены результаты анализа влияния различных факторов на точность вычисления фазы. Также в этой главе приведено краткое описание аппаратно-программного комплекса,который был специально создан для управления дисперсионным интерферометром, регистрации и обработки данных. Заключительная часть главы 2 посвящена описанию результатов испытаний разработанного ДИ в экспериментах на установке ГДЛ. Представлены и обсуждаются также наиболее важные результаты измерений при помощи ДИ в экспериментах на установке ГДЛ.

Третья глава посвящена описанию ДИ созданного для измерения линейной плотности плазмы на токамаке TEXTOR. Здесь приведены результаты измерений линейной плотности плазмы в различных режимах

работы установки. Также в этой главе проводится сравнение работы ДИ со штатным на TEXTOR интерферометром Маха-Цандера, работающим на длине волны 337 мкм.

В четвертой главе обсуждаются пути дальнейшего усовершенствования ДИ, а также перспективы его использования для диагностики плазмы в термоядерных установках следующего поколения.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Опубликованные работы

• ¡A dispersion interferometer based on CO2 laser for TEXTOR and burning plasma experiments / P. A. Bagryansky, A.D. Khilchenko, A.N. Kvashnin, A.A. Lizunov, R.V. Voskoboynikov, A.L. Solomakhin, H.R. Koslowski. Rev. Sci. Instrum. - 2006. - Vol.5, N77. - P.053501-1-053501-7.

• Дисперсионный интерферометр на основе СО2 лазера/ А.Л. Соло-махин, П.А. Багрянский, Р.В. Воскобойникоа, П.В. Зубарев, А.Н. Квашнин, А.А. Лизунов, В.В. Максимов, А.Д. Хилъченко. // Приборы и техника эксперимента. - 2005. - N5. - С.96-106.

• Dispersion interferometer based on CO2 laser / P.A. Bagryansky, A.D. Khilchenko, A.A. Lizunov, V.V. Maximov, A.L. Solomakhin, R.V. Voskoboynikov. // Transactions of Fusion Science and Technology an international journal of the american nuclear society. - 2004. - Vol.47. -NIT. - P.327-329.

• Dispersion interferometer based on CO2 laser / P.A. Bagryansky, A.A. Lizunov, A.L. Solomakhin, H.R. Koslowski. // 32st EPS Conference on

. Plasma Physics. - Tarragona 2005.

• Status of the GDT experiment and future plans / A.A. Ivanov, A. Abdrashitov. G. Abdrashitov, A. Anikeev, P. Bagryansky, A. Beklemishev, P. Deichuli, A. Ivanov, S. Korepanov, V. Maximov, S. Murakhtin, A. Lizunov, V. Prikhodko, V. Kapitonov, V. Kolmogorov, A. Khilchenko, V. Mishagin, V. Savkin, A. Shoukaev, G.I. Shulzhenko, A. Solomakhin, A. Sorokin, D. Stepanov, N.V. Stupishin, Yu. Tsidulko, A. Zouev, K. Noack, G. Fiksel, D.J. Den Hartog. // Transactions of Fusion Science and Technology an international journal of the American nuclear society. - 2005. - Vol.47, - N.1T. - P.27-34.

• First results from SHIP experiment / P. A. Bagryansky, A. V. Anikeev, A.A. Ivanov, A.A. Lizunov, V.V. Maximov, S.V. Murakhtin, D.N. Stepanov, K. Noack, V.V. Prikhodko, A.L. Solomakhin. //Transactions of Fusion Science and Technology an international journal of the American nuclear society. - 2005. - Vol.47, - NIT. - P.59-62.

Список литературы

[1] Т. Fukuda,A. Nagashima. Rev. Sci. Instrum., 60, 6, (1989).

[2] H.R. Koslowski, H. Soltwisch. Fusion Engineering and Design, 34-35, 143, (1997).

[3] Y. Kawano, et. al. Rev. Sci. Instrum., 67, 1520, (1996).

[4] Kh.P. Alum, Yu.V. Kovalchuk, G.V. Ostrovskaya. Pisma Zh. Tekh. Fiz., 7, 1359, (1981).

[5] F.A. Hopf, A. Tomita, G. Al-Jumaily. Opt. Lett., 5, 386, (1980).

Соломахин Александр Леонидович

Дисперсионный интерферометр на основе СО2 лазера

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 20.11.2006 г. Подписано к печати 21.11.2006 г. Формат 100x90 1/16 Объем 0,5 печ.л., 0,4 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 52_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН Новосибирск, 6S0090, пр. академика Лаврентьева, 11.

Введение

0.1 Интерферометрия плазмы и ее роль в экспериментах для термоядерных исследований.

0.2 Традиционные подходы к построению интерферометрических систем на крупных термоядерных установках

0.3 Дисперсионный интерферометр.

0.4 Попытки реализации дисперсионного интерферометра на основе Nd:YaG лазера.

0.5 Основные этапы работы и описание структуры диссертации.

1 Изучение процесса генерация второй гармоники излучения С0-2 лазера и простейшие модели дисперсионного интерферометра

1.1 Общие вопросы.

1.2 Фазовый синхронизм

1.3 Укороченные уравнения.

1.4 Коэффициенты нелинейной связи.

1.5 Гауссовы пучки.

1.6 Генерация второй гармоники в сфокусированном гауссовом пучке

1.7 Оптимизация генерации второй гармоники.

1.8 Стенд для изучения генерации второй гармоники.

1.9 Настольный вариант дисперсионного интерферометра.

1.10 Пилотный вариант дисперсионного интерферометра на установке ГДЛ

2 Дисперсионный интерферометр на установке ГДЛ

2.1 Оптическая схема двухироходного дисперсионного интерферометра

2.2 Результаты измерения линейной плотности плазмы в газодинамической ловушке.

2.3 Система фазового детектирования

Анализ точности восстановления фазы.

2.4 Система управления элементами ДИ, регистрация сигналов.

2.5 Результаты измерения линейной плотности плазмы в ГДЛ с использованием системы фазового детектирования.

2.С Моделирование измерений на установках с большим временем существования плазмы и большим значением линейной плотности.

2.7 Наиболее значимые результаты, полученные при помощи ДИ в экспериментах на установке ГДЛ

Изучение накопления горячих ионов в эксперименте с дополнительным компактным пробкотроном па установке ГДЛ.

Изучение влияния радиального электрического ноля на удержание плазмы в ГДЛ.

3 Дисперсионный интерферометр на токамаке TEXTOR

3.1 Особенности размещения дисперсионного интерферометра на TEXTOR

3.2 Связь с системой хранения и визуализации данных TEXTOR.

3.3 Результаты измерений и достигнутые точности, анализ возможности увеличения точности

4 Перспективы развития измерительных систем на основе ДИ

4.1 Многоканальный вариант ДИ.

4.2 Измерения в режиме реального времени.

4.3 Усовершенствование оптической схемы интерферометра и алгоритма восстановления фазы.

4.4 Анализ возможности использовании ДМ н ITER, и других системах с термоядерной плазмой

0.1 Интерферометрия плазмы и ее роль в экспериментах для термоядерных исследований

Интерференция является важнейшим проявлением волновой структуры света. Сущность этого явления заключается в следующем. Пусть в некоторой точке пространства одновременно существуют две монохроматические волны одной частоты и поляризации:

Ei = E0lsh\(u)t + <poi)

Е2 = Е02 sin (tot + <£>02), (0.1) где w-частота волны, <^01, (^-начальные фазы первой и второй волны соответственно, i?oi, Еда-амплитуды волн, тогда согласно принципу суперпозиции, напряженность результирующего поля равна:

Е = Ei + Е2 - #01 sin(ut + 9301) + #02sin(wi + ip{Y2). (0.2)

Интенсивность в этой точке равна:

I = Е2 = #021 sin2M + ipoi) + sin2{u)t + v%2) +

0iE02(cos((p0i - </>02) - cos(2ut + </?01 + <£>02))- (0.3)

Усредняя это выражение по времени больше периода волны, получаем: = Ix + h + 2yJ7j2cos{&<p),

0.4)

Aip - ipoi - ip02.

Из полученного выражения видно, что интенсивность является гармонической функцией относительно начальной разности фаз исходных волн. Если волны вышли из одного источника, то эта разность фаз представляет собой разность оптических путей рассматриваемых воли где n-показатель преломления среды, через которую распространяется волна. Таким образом, изменяя оптический путь одной из волн, можно изменять разность фаз и соответственно интенсивность в точке наблюдения. Это свойство сложения двух э/м волн получило широкое распространение в различных приборах, позволяющих измерять малые отклонения оптической длины пути одной из волн (рабочей) относительно другой (опорной). Как видно из выражения (0.5) изменение оптической длины может происходить за счет изменения показателя преломления или (и) за счет изменения геометрической длины. Эти изменения могут происходить вследствие зависимости показателя преломления или (и) геометрической длины от других параметров среды, которые могут представлять интерес для исследования.

В данной работе объектом исследования являлась плазма. В отсутствии магнитного поля и без учета электрон-ионных столкновений показатель преломления для плазмы:

0.5)

0.6)

0.7) где Шр-нлазмснная частота, пе-электронная плотность, т- масса электрона. В приближении и>р и показатель преломления ранен:

Если поместить плазму на пути одной из воли, то разность фаз поли в точке наблюдения будет: где А-длина волны, ^о-набег фазы не связанный с плазмой (в дальнейшем опускается), / гсегЛ-лииейная плотность плазмы. Отсюда видно, что разность фаз зависит только от длины волны, линейной плотности плазмы и мировых констант. Это позволяет непосредственно измерять линейную плотность плазмы, а при мпогохор-довом измерении восстановить локальную плотность.

Интерферометрия получила широкое распространение в исследованиях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, как надежное средство измерения абсолютного значения электронной плотности. В этих исследованиях можно выделить два направления: иперциалыюе удержание (ЛТС) и магнитное удержание. В том и другом случаях применяется интерферометрия. Однако в экспериментах по инерционному удержанию плазмы ее плотность на несколько порядков больше, чем в экспериментах с магнитным удержанием, поэтому проблемы, возникающие при интерферометрии сверхплотной и очень быстро меняющейся плазмы, принципиально отличаются от проблем, возникающих при интерферометрии плазмы с невысокой плотностью и с большими временами изменения. В дальнейшем будет рассматриваться исключительно магнитное удержание плазмы.

В интерферометрии плазмы существуют две основные проблемы: необходимость регистрации небольших фазовых набегов в плазме и проблема устранения влияния на измерение побочных факторов, напрямую не связанных с линейной плотностью плазмы (рефракция, вибрации, магнитное поле).

Как видно из (0.9) набег фазы пропорционален длине волны зондирующего излучения. Для параметров плазмы современного токамака: I = 100 см и ие = 1014 см-3,

0-9) набег фазы 1 радиан реализуется при длине полны: 3.5 мкм. Таким образом, применение излучения с длиной волны <С 3.5 мкм представляется нецелесообразным из-за малого набега фазы. Применения излучения с длиной волны 3.5 мкм нежелательно в виду большой величины набега фазы, что затрудняет восстановление линейной плотности плазмы. Действительно, чувствительность, пропорциональная производной, вблизи точек А(р — ттп, п G Z мала, также после прохода этих точек невозможно определить знак производной линейной плотности по времени (накопление или распад), что может привести к неоднозначности восстановления линейной плотности.

Влияние вибраций можно оцепить следующим образом: пусть амплитуда вибраций зеркала интерферометра а, соответствующий фазовый сдвиг равен: А</?„ = 27г|. Набегом фазы вследствие вибраций можно пренебречь, если он много меньше набега фазы, обусловленного плазмой (0.9): е2 , г „ 27та . „ .

7Л / n,dl > —. 0.10

7ПС2 J А

Из этого неравенства видно, что, увеличивая длину волны, можно сделать влияние вибраций сколь угодно малым:

Возьмем в качестве примера I — 100 см, пе = 1011 см-'3 и а — 10 мкм, находим, что для длины волны Л = 337 мкм ошибка определения j ndl составляет 0.2%.

В присутствии неоднородностей плазмы зондирующий пучок отклоняется от прямолинейного распространения вследствие рефракции. Угол отклонения определяется соотношением [1]:

2С»2' где ^-градиент плотности плшмы, перпендикулярный распространению излучения. Если предположить профиль плотности параболическим, то максимальное отклонсние пучка из-за градиента плотности равно

7П/и,

0.13)

Отсюда видно, что целесообразно уменьшать длину волны зондирующего излучения. Например, для пе = Ю14 см-3, А = 337 мкм и длине пути 10 м отклонение луча составит 10 см это может привести к появлению ложного набега фазы. Для длины волны А = 10 мкм отклонение луча составит 100 мкм, что составляет несколько тысячных от размера луча (несколько сантиметров) и пе должно привести к изменению набега фазы.

Стоит отметить также эффект влияния магнитного поля. При распространении линейно поляризованного излучения поперек магнитного поля волна распадается на обыкновенную волну, поляризованную вдоль ноля, и необыкновенную, поляризованную поперек поля. Возникающая после прохождения через плазму с поперечным размером I разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами |1]: где Я-магнитное поле. При I — 100 см, пе — 1014 см"3, А = 337 мкм и II — 50 кЭ получаем разность фаз Aip// = 2.5 радиан. При этом набег фазы за счет электронной плотности А<ре = 95 радиан. Для длины волны А = 10 мкм разность фаз между обыкновенной и необыкновенной волной составит всего Д^я = Ю-4 радиан, что пе существенно. Более существенен эффект вращения плоскости поляризации при распространении излучения вдоль магнитного поля. Угол поворота равен [1]:

Для I = 100 см, пе — 10й см-3, А — 337 мкм и II — 5 кЭ получаем в = 1.5 радиан. Для длины волны А = 10 мкм поворот плоскости поляризации составит 0 = 0.04 радиан. Этот эффект ведет к тому, что, попадая в точку наблюдения, поляризации оказываются скрещенными, это ведет к уменьшению видности получающейся интерференционной картины.

0.14)

0.15)

В качестве методов борьбы с нулями чувствительности и неоднозначностью определения / ndl обычно применяется гетеродинная схема регистрации. Частота волны одного из лучей каким-либо образом изменяется на 100 кГц - 100 МГц, а затем сигнал интерферометра подвергается гетеродинному преобразованию и фаза регистрируется на частоте сдвига. В качестве методов сдвига в субмиллиметровой области применяются различные двигающиеся механические устройства: вращающиеся диски, по большому радиусу которых нарезаны зубья (штрихи) дифракционной решетки, перемещающиеся зеркала либо применяется два лазера сдвинутые по частоте. В коротковолновом диапазоне обычно применяются ультразвуковые ячейки.

Влияние побочных эффектов приводит к изменению амплитуды и разности фаз интерферирующих волн. Так как фаза не может быть определена непосредственно, а только через измерение амплитуды, то изменение амплитуды приводит к ошибке определения фазы. Но применением специальных методов регистрации амплитуды можно существенно уменьшить влияние изменения амплитуды на измеряемую разность фаз. К таким методам относится, описанное выше, гетеродинирование, то есть регистрация на частоте много большей частот изменения амплитуды. Для уменьшения влияния вибраций на разность фаз принимаются следующие меры:

• используются массивные виброизолирующие станины и осуществляется звукоизоляция оптических элементов;

• для зондирования используется излучение субмиллиметрового диапазона (118 мкр, 337 мкм) [2];

• используются «двухцветные» интерферометры, в которых излучения от двух источников с сильно различающимися длинами волн распространяются по одному пути, и которые можно условно разделить на два тина: 1) интерферометры с компенсацией вибраций методом обратной связи, сигнал ошибки при этом формируется в канале с коротковолновым излучением, для которого набег фазы в плазме относительно мал [3]; 2)системы, в которых набег фазы в плазме отделяется от набега фазы, вызванного изменением размера измерительной базы интерферометра, при помощи математической обработки сигналов, зарегистрированных в измерительных каналах [4J.

Все перечисленные пути преодоления влияния вибраций имеют свои недостатки. Переход в область больших длин волн увеличивает влияние рефракции, поскольку высокий градиент плотности плазмы является особенностью современных установок для термоядерных исследований. Относительно высокая линейная плотность плазмы < nel >~ 1 • 1015 — 1 • 101С слГ2 в современных установках позволяет, в принципе, использовать зондирующее излучение видимого и инфракрасного диапазонов, где влияние рефракции пренебрежимо мало, а набег фаз достаточно велик. Однако, при использовании этих длин волн возрастает чувствительность интерферометров к вибрациям. Для полного подавления влияния вибраций в «двухцветных» интерферометрах необходимо, чтобы лучи от двух источников шли по одному пути с большой точностью. Для этого требуется прецизионная и устойчивая к вибрациям юстировка системы, чего трудно добиться в условиях современных систем для магнитного удержания плазмы, где длина измерительной базы может составлять десятки метров.

0.2 Традиционные подходы к построению интер-ферометрических систем на крупных термоядерных установках

Общей особенностью интерферометров является наличие двух независимых оптических каналов. Поскольку фаза волны в среде может зависеть от геометрического пути, поляризации и частоты излучения, существует три типа интерферометров. Один из них использует каналы, разделенные пространственно, два других основаны на разделении по поляризациям и частотам. Традиционно для интерферометрии плазмы используются интерферометры Майкельсоиа и Маха-Цандера, то есть системы первого типа с пространственным разделением каналов. Это объясняется тем,

Рис. 0.1: Схема интерферометра Майкельсоиа. что эти схемы позволяют сильно пространственно разнести каналы интерферометра, в соответствии с размерами плазмы > 1 м.

Остановимся теперь подробно на каждой из этих схем. Схема интерферометра Майкельсоиа представлена на рисунке (0.1). Входной пучок 1 падает на полупрозрачную пластину 2, разделяющую пучок на две части: рабочую, и опорную. Рабочий пучок проходит через плазму 3, затем отражается от зеркала 4, снова проходит через плазму и попадает на полупрозрачную пластину, отражаясь от которой, он попадает на детектор 5. Опорный луч, отражаясь от пластины, затем отражается от зеркала С и, проходя через пластину, попадает на детектор. На детекторе рабочий и опорный лучи интерферируют и регистрируются. Отсюда видно, что эта схема обладает в два раза большей чувствительностью за счет двойного прохождения излучения через плазму.

Схема интерферометра Маха-Цандера представлена па рисунке (0.2). Входной пучок 1 разделяется полупрозрачной пластиной 2 на два пучка: рабочий и опорный, которые после отражения от зеркал 3 вновь соединяются полупрозрачной пласти

Рис. 0.2: Схема интерферометра Маха-Цандера. ной 4, интерферируют н регистрируются детектором 5. При этом рабочий пучок проходит через плазму G один раз, что дает в два раза меньшую чувствительность по сравнению со схемой Майкельсона. К преимуществам этой схемы по сравнению с предыдущей следует отнести более просто организуемый гетеродинный метод регистрации.

Рассмотрим теперь, какие интерферометры применяются в современных исследованиях по магнитному удержанию плазмы.

• ЛЕТ: Многохордовый субмиллиметровый интерферометр [5].

• JT-60:

- Двуххордовый субмиллиметровый (118.8 мкм СН3ОН) интерферометр Майкельсона стабилизированный (IleNe) с гетеродинной регистрацией. Интерферометр позволяет измерять линейную плотность с разрешением 10й см-2 с временным разрешением 5 мс [3].

- Два совмещенных СО2 10.6 мкм н 9.27 мкм интерферометра с гетеродинной регистрацией, стабилизированных при помощи HeNe лазера. Данный интерферометр позволяет измерять линейную плотность с разрешением 1015 см-2 и временным разрешением 10 мс [4].

DIII-D: Четыреххордовый СО2 интерферометр Маха-Цандера с гетеродинной регистрацией, стабилизированный при помощи HeNe лазера [6].

ASDEX: Восьмихордовый субмиллиметровый (135 мкм DCN) интерферометр Маха-Цандера с гетеродинной регистрацией. Позволяет восстанавливать плотность с разрешением 5 • 10й см-2 и временным разрешением 1 мс [7J.

LHD:

- Тринадцатихордовый субмиллиметровый (118.8 мкм CII3OH) интерферометр. Позволяет восстанавливать плотность с разрешением 5 • 1012 см-2 [8].

- Восьмихордовый С02 интерферометр Маха-Цандера стабилизированный Nd:YAG с гетеродинной регистрацией [9].

TEXTOR: Десятихордовый субмиллиметровый (336.6 мкм HCN) интерферометр Маха-Цандера с гетеродинной регистрацией. Позволяет измерять линейную плотность с разрешением 6.6 • 1012 см-2 с временным разрешением 50 мке И

Т-15 и Т-10: Девятихордовый субмиллиметровын (336.6 мкм HCN) интерферометр Маха-Цандера с гетеродинной регистрацией. Виброизолирующую конструкцию заменяют жесткие лучеводы. Точность измерения составляет 2-1013 см-2 [10]. 3

Рис. 0.3: Схема дисперсионного интерферометщт.

0.3 Дисперсионный интерферометр

Относительно новым типом интерферометра является дисперсионный интерферометр (ДИ), впервые предложенный независимо [11] и [12]. Оптические каналы ДИ разделены но частотам, причем излучение в коротковолновом канале формируется методом удвоения частоты зондирующего излучения. Свойства большинства нелинейных кристаллов позволяют организовать такой режим удвоения частоты, при котором излучение второй гармоники распространяется точно по тому же пути, что и излучение первой гармоники. Это обстоятельство позволяет создать интерферометр, чувствительный только к дисперсии изучаемой среды и слабо чувствительный к вибрациям оптических элементов.

ДИ в простейшем случае состоит из двух оптических удвоителей частоты, между которыми помещен исследуемый объект (см. рис. 0.3). Зондирующее излучение с частотой и частично преобразуется в излучение второй гармоники (ВГ) в первом удвоителе частоты (2). Через исследуемый объект по одному и тому же пути распространяются две электромагнитных волны с частотами и и 2и. Во втором удвоителе частоты (4) компонента излучения с частотой и вновь преобразуется во ВГ. Оставшаяся часть излучения с частотой w поглощается фильтром (5). Таким образом сигнал, регистрируемый детектором (G) есть результат интерференции двух волн с частотой 2lo. Одна из волн генерируется в кристалле (2), а другая - в кристалле; (4) после прохождения плазмы.

Найдем зависимость набега фазы от параметров плазмы. Набег фазы волны, получившейся во втором кристалле: где ^-показатель преломления па длине волны первой гармоники, набег фазы волны, получившейся в первом кристалле: где пг^-иоказатель преломления па длине волны второй гармоники. Используя (0.8), получим разность фаз: где А-длина волны первой гармоники. Заметим, что приведенная выше схема интерферометра слабо чувствительна, как к изменению расстояния между кристаллами, так и к вибрациям оптических элементов, поскольку воздух и оптические материалы имеют относительно малую дисперсию. Для длин волн в диапазоне 1 — 10 мкм разность [N(А) - N(А/2)] составляет < 5 • 10~° для воздуха [13] и < 5 • 10~2 для DaF2 [14]. Так как большую часть пути излучение интерферометра проходит в воздухе, то отношение чувствительности к продольным вибрациям ДИ и интерферометра, построенного но классической схеме ~ Ю-5. Элементы обладающие большей чем воздух дисперсией (окна) пе приводят к увеличению чувствительности к вибрациям, так как они представляют собой твердое тело и их геометрические размеры не меняются из-за вибрации. Поперечные вибрации оптических элементов приводят к смещению лучей и изменению углов распространения излучения. Если при разработке ДИ удалось избежать применения линз между кристаллами, то чувствительность ДИ к смещению луча пропорциональна клиновидностыо элементов с дисперсией (окон) и меньше чувствительности классического интерферометра в ~ 30 раз для BaF'2 (отношение показателя преломления к дисперсии). Измсние угла

0.16)

0.17)

0.18) распространения излучения приводит к изменению эффективной толщины элементов с дисперсией, но этот эффект следующего порядка малости. Отмеченное обстоятельство дает возможность создать на основе ДП двухироходный интерферометр, в котором основные оптические элементы располагаются компактно на оптическом столе, закрепленном на жестком основании вне экспериментальной установки. Исключение должны составить только окно для ввода излучения в вакуумную камеру и ретро-рефлектор, который можно установить на противоположной от окна стенке камеры. Интерферометры такого типа могут быть использованы для диагностики термоядерной плазмы в установках следующего поколения, в том числе ITER [15].

0.4 Попытки реализации дисперсионного интерферометра на основе Nd:YaG лазера

Интерферометры, построенные по этому принципу были, использованы в экспериментах на нескольких установках: C-mocl [1С]; [17], Kalif [18], ГДЛ [19], и показали свою работоспособность в реальном эксперименте. Во всех перечисленных системах применялось излучение Nd : YAG лазера (А = 1.0G мкм), что вызвано высоким уровнем развития техники генерации второй гармоники в ближнем ИК диапазоне. Однако, для установок следующего поколения более выгодным представляется использования излучения с длиной волны около 10 мкм [1]. Такая длина волны оказывается выгодной благодаря следующим обстоятельствам.

• Набег фаз оказывается существенно большим, что позволяет измерять линейную плотность плазмы с достаточно высокой точностью.

• Коэффициент отражения зеркал и пропускание оптических окон для длины волны 10 мкм, по сравнению с излучением видимого диапазона, менее чувствительны к образованию пленок на поверхности оптических элементов за счет осаждения частиц, эмитированных из плазмы.

По сравнению с субмиллиметровыми длинами воли сохраняются преимущества видимого излучения.

• Рефракция не оказывает существенного влияния па результат измерений.

• Существуют достаточно интенсивные, надежные, дешевые и компактные СО2 лазеры, способные генерировать пучки зондирующего излучения с высокой степенью качества.

• Имеются высокочувствительные детекторы излучения, обладающие высоким быстродействием и хорошими шумовыми характеристиками.

• Существуют высокоэффективные удвоители частоты.

Последнее обстоятельство дает возможность реализовать дисперсионный интерферометр с лазером, работающим в непрерывном режиме. Это позволяет создать надежную систему фазового детектирования.

По сравнению с двухцветными интерферометрами ДИ имеет следующие преимущества:

• В ДИ используется один источник излучения и один приемник излучения.

• Более простая оптическая схема.

• Изменение фазы за счет механических вибраций в ДИ подавляется самой оптической схемой. В двухцветных интерферометрах изменение фазы за счет механических вибраций необходимо вычитать с помощью обработки полученных сигналов. По этой причине двухцветный интерферометр, имеющий такую же как ДИ точность, должен иметь намного больший динамический диапазон.

0.5 Основные этапы работы и описание структуры диссертации

Настоящая работа посвящена описанию результатов работ по созданию двухпро-ходного дисперсионного интерферометра па основе С02 лазера для диагностики плазмы в современных термоядерных установках и установках следующего поколения. Диссертация организована следующим образом. В главе 1 описаны результаты изучения процесса генерации ВГ излучения С02 лазера в нелинейных кристаллах ZnGeP2 и GaSe. Также в этой главе описано создание настольного варианта дисперсионного интерферометра и пилотного варианта дисперсионного интерферометра на установке ГДЛ. Эта часть работы была мотивирована двумя обстоятельствами:

1. недостаточными данными относительно параметров нелинейных кристаллов для генерации ВГ непрерывного излучения С02 лазера [20];

2. необходимостью выбрать тип удвоителя частоты, параметры которого оптимальны для решения поставленной задачи;

3. необходимостью детальной проверки качества выбранных образцов нелинейных кристаллов.

Глава 2 посвящена описанию дисперсионного интерферометра на установке ГДЛ, системы фазового детектирования, которая была предложена автором специально для ДИ, работающего в режиме регистрации больших изменений фазы 1). Подробно изложены результаты анализа влияния различных факторов па точность вычисления фазы. Также в этой главе приведено краткое описание аппаратно-программного комплекса, который был специально создан для управления дисперсионным интерферометром, регистрации и обработки данных. Заключительная часть главы 2 посвящена описанию результатов испытаний разработанного ДИ в экспериментах па установке ГДЛ. Представлены и обсуждаются также наиболее важные результаты измерений при помощи ДМ в экспериментах па установко ГДЛ. Глава 3 посвящена описанию ДИ созданного для экспериментов на тока-маке TEXTOR. Приведены результаты измерении линейной плотности плазмы в различных режимах работы установки. В главе 4 обсуждаются пути дальнейшего усовершенствования ДИ, а также перспективы его использования для диагностики плазмы в термоядерных установках следующего поколения. В заключение кратко сформулированы основные выводы работы.

Заключение

Подводя итоги, кратко сформулируем основные результаты настоящей работы:

1. Впервые создан двухпроходиый дисперсионный интерферометр на основе С02 лазера.

2. Предложена система фазового детектирования и алгоритм вычисления фазы, позволившие в результате их реализации измерять линейную плотность плазмы с точностью 2 • 1()13 см-2 и разрешением по времени 100 мкс.

3. Продемонстрированы основные преимущества дисперсионного интерферометра: простота конструкции и слабая чувствительность к вибрациям оптических элементов в условиях реальных экспериментов на установках ГДЛ и TEXTOR.

4. В эксперименте с дополнительным пробкотроном на установке ГДЛ изучен процесс накопления быстрых ионов и измерена величина их линейной плотности. Результаты измерений позволили сделать два наиболее важных вывода для этого эксперимента: 1)нлотность анизотропных ионов со средней энергией т 8 кЭв более чем в три раза превысила плотность теплых ионов и достигла величины 1.2 • 1013 см2)удержание горячих ионов определяется кинетикой кулоновских столкновений.

5. В экспериментах по изучению влияния радиального электрического поля на удержание плазмы в ГДЛ измерено время удержания частиц плазмы для различных профилей радиального потенциала. Показано, что при формировании оптимального профиля потенциала время удержания определяется скоростью продольного газодинамического истечения, несмотря на неблагоприятную для МГД-устойчивости конфигурацию магнитного поля.

В заключение автор выражает глубокую признательность научному руководителю Багрянскому Петру Андреевичу за общее руководство и постоянную помощь в работе. Автор выражает искреннюю благодарность разработчикам электроники: Р.В.Воскобойникову, А.А.Зуеву, А.Н.Квашнину, А.Д.Хильченко; программистам: П.В.Зубареву, Д.Н.Степанову; инженерам Л.В.Анкудинову, И.Ю.Иванову; лаборанту В.Н.Бородкину; научным сотрудникам: А.А.Лизунову, В.В.Максимову и все остальной группе ГДЛ за плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь па всех этапах работы. Автор выражает также благодарность В.С.Бурмасову, Л.Н.Вя-чеславову и А.Л.Санину за помощь и консультации па начальном эта не работы.

1. Кругляков Э. П. Методы оптической интерферометрии в системах с магнитным удержанием плазмы. — Новосибирск, 198G. — (Преприпт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 8G-156).

2. Koslowski II. П., Soltwisch II. Electron density and q profile measurements with the far-IR, iiiterfcroincter-polarimeter on the TEXTOR tokamak. // Fusion Engineering and Design 1997.- Vol.34-35,- P. 143-150.

3. Fukuda Т., Nayashima A. Frequency stabilized single mode cw 118.8 mkm CH3OH waveguide laser for large tokamak diagnostics. // Rev.Sci.lustrum.— 1989.— Vol.60, N 6.- P.1080-1085.

4. Kawano Y., el. al, Dual C02 laser interferometer with a wavelength combination of 10.G and 9.27 mkm for electron density measurement on large tokamaks. // Rev. Sci. lustrum.- 1996.— Vol.67, N 4.- P. 1520-1528.

5. EFDA-JET: Report of Activities. 1 Jan 2000 31 Mar 2001. (Отчеты о работе JET.) (http://www.jet. efda.org/pages/rcp-of-activ. html)

6. ASDEX Upgrade Database. Max-Planck-Institut fur Plasmapliysik, EURATOM Association. February 15, 2000. (База данных но апгрейду ASDEX.) (http://www.ipp.mpg.de/eng/for/projektc/asdex/database2/)

7. Diagnostics for LHD. (Диагностики на LHD.) (http://dgl.nifs.ac.jp).

8. Вячеславов Jl. H. Изображающий СО2 интерферометр для измерения профиля плотности и мпкротурбулентности на LHD. Семинар плазменных лабораторий. ИЯФ 25.03.2003.

9. Горбунов и др. Применение многоканального лазерного интерферометра верти-калыюго зондирования для измерения профиля плотности плазмы в токамаке Т-15. // Физика плазмы. 1992 - т.18,- C.1G2-1G5.

10. Kli.P. Alum, Yu.V. Kovalchuk, G.V. Ostrovskaya.// Pisrna Zh. Tekh. Fiz. -1981.- Vol.7.- P.1359.

11. F.A. Hopf, A. Tomita, G. Al-Jumaily.// Opt. Lett.- 1980.- Vol.5.- P.38G.113J Справочник „Физические величипы".-М.: Энергоатомиздат, 1991.

12. Оптические материалы для инфракрасной техники./Воронкова Е. М., Гречуш-пикоа Б. II., Дистлер Г. И., Петров И. П.;— 141.: Наука, 1965.

13. R.Aimar, P.Barabaschi and Y.Shimomura The ITER design. // Plasma Physics and Controlled Fusion. 2002,- Vol.44, N 5.- P.519-5G5.

14. Bretz N., Jobes F., Irby. The design of a second harmonic tangential array interferometer for C-Mod. // Rev. Sci. lustrum. -1997 Vol.68, N 1.- P.713-716.

15. Bretz N., Jobes F. A prototype imaging second harmonic interferometer. // Rev. Sci. Instrum. -1997.- Vol.68, N 1,- P.709-712.

16. Licht V., Blumh H. A sensitive despersion interferometer with high temporal resolution for electron density measurements. // Rev. Sci. Instrum. —2000.— Vol.71, N 7,- P.2710-2715.

17. Drachev V. P., Krasnikov Yu. I., Bagryansky P. A. Dispersion interferometer for controlled fusion devices. —Новосибирск, 1991. — (Препринт/Институт теплофизики CO АН СССР; 248-91).

18. Дмитриев В. Г., Тарасов Л. В. Прикладная нелинейная оптика. — М.: Радио и связь, 1982.

19. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Электродинамика сплошных сред. — М.: Наука, 1982.

20. Справочник по лазерам. — М.: Советское радио, 1978.

21. Гончареико А. М. Гауссовы пучки света. — Минск: Наука и техника, 1977.

22. Горшуиов Н. М., Зотип Г. Е., Карчевский А. И., Мишин К. В., Серегин А. М. Преобразование ипульсно-периодического излучения СОг-лазера во вторуюгармонику в кристаллах AgGaSe2. // Квантовая электроника. — 1995.— Т.22, N 3.- C.2G8-270.

23. Калитеевский Я. Я. Волновая оптика. — М.: Высшая школа, 1995.

24. Андреев 10. М., Бадиков Б. Б., Боеводин Б. Г., Гейко JI. Г., Гейко П. П., Иванченко М. Б., Карапузиков А. Я, Шерстов И. В. Лучевая стойкость нелинейных кристаллов па длине волны 9.55 мкм. // Квантовая электроника. — 2001.— Т.31, N 12,- С.1075-1078.

25. EKSPLA. Infrared nonlinear crystals. (Инфракрасные нелинейные кристаллы.) (littp: / / www.ekspla.com / repository/catalogue/pdfai/NLOC/IR Crystals.pdf).

26. M. A. Heald and С. Б. Warton Plasma Diagnostics with Microwaves (Wiley, New York, 1965)

27. Мирное Б.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая линейная ловушка для удержания плазмы. // Письма в ЖЭТФ. 1979 - т.5. - С.678.

28. Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка. // В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. — М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1980. Вып.1(5). - С.57-66.

29. P.A.Bagryansky, A.A.Ivanov, E.P.Kruglyakov, A.M.Kudryavtsev, Yu.A.Tsidulko, A.V.Aridriyash, A.L.Lukin, Yu.N.Zoucv Gas dynamic trap as high power 14 MeV neutron source. // Fusion Engineering and Design.— 2004.- Vol.70,- P.13-33.

30. Дисперсионный интерферометр на основе С02 лазера/A.JI. Соломахин, П.А. Багряпский, Р.В. Воскобойников и др. // Приборы и техника эксперимента. — 2005. N 5. - С.96-106.

31. Мирное В.В., Ткачеико О.А. Распределение электростатического потенциала в газодинамической ловушке. — Новосибирск, 1986. — 30с.— (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР; 86-28).

32. Мирное В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка. — Новосибирск, 198 62с. - (Препринт/Ии-т ядер, физики СО АН СССР; 88-70).

33. Мурахтин С.В. Динамика нейтрального газа и удержание быстрых ионов газодинамической ловушке: Дисс. канд. физ.-мат. наук.—Новосибирск,2001.

34. Максимов В.В. Термоядерные реакции в газодинамической ловушке с инже цией дейтонов: Дисс. канд. физ.-мат. наук.— Новосибирск,2004.

35. Бушкова О.А., Мирное В.В. Влияние конфигурации магнитного поля на Ml устойчивость газодинамической ловушки// Вопросы атомной пауки и техник сер. Термоядерный синтез. М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ,1980. - Вып.2. - С.1 24.

36. A dispersion interferometer based on C02 laser for TEXTOR and burning plasr experiments/ P.A. Bajryansky, A.D. Khilchenko, A.N. Kvashnin e. a.// Rev. S Instrum. —AIP ID : 250605RSI, Ed Code : A060092R.

37. Описание модуля WebARM. (http://webnet. iocon.dk/Hardvvare/webann. html)

38. Linux для микроконтролеров, (http: / / www.uclinux.org)

39. Эксперименты на SHIP ГДЛ. Первые результаты. (http://epsppd.epn.cli/Tarragona/pdf/P5077.pdf)45J Токамак TEXTOR.http://www.fz-juelich.de/ipp/en

40. Описание системы The TEC Web-Umbrella, (http://ipptwu.ipp.kfa-juelich.de/)