СВЧ-интерферометр

СВЧ-интерферометр (англ. microwave interferometer, MIV) токамака Т-15МД предназначен для измерения линейно-интегрированной электронной плотности плазмы и контроля средней электронной плотности в ходе разряда. Сигнал диагностики используется в системе обратных связей для управления плотностью плазмы. Зондирование осуществляется в вертикальном направлении через центральную область вакуумной камеры с однократным прохождением волны через плазму.

Помимо измерения квазистационарного хода электронной плотности, высокое временное разрешение СВЧ-интерферометра позволяет исследовать колебания линейной плотности плазмы. В экспериментах на Т-15МД с его помощью зарегистрированы низкочастотные МГД-возмущения и пилообразные колебания <ref>Дрозд А. С. и др. Наблюдение колебаний плотности плазмы с помощью СВЧ-интерферометра Т-15МД //Журнал технической физики. – 2026. – Т. 96. – №. 4. – С. 678-684.</ref>.

Физический принцип работы диагностики

Плазма представляет собой оптически неоднородную среду. При прохождении электромагнитной волны через плазму её фаза изменяется относительно волны, распространяющейся в вакууме. При зондировании обыкновенной волной пусть выполняется условие:

<math display="block">\omega \gg \omega_{p} = \sqrt{\frac{n_e e^2}{\varepsilon_0m_e}},</math>где <math display="inline">\omega</math> — частота зондирующего излучения, а <math display="inline">\omega_p</math> — плазменная частота. Тогда дополнительный фазовый набег можно считать пропорциональным интегралу от электронной плотности вдоль хорды зондирования: <math display="block">\Delta \varphi = - \frac{ \lambda e^2}{4\pi\varepsilon_0 m_ec^2} \int_L n_e (l) dl,</math>где <math display="inline">r_{e} = \frac{e^2}{4\pi\varepsilon_0 m_ec^2}</math> — классический радиус электрона, <math display="inline">\lambda</math> — длина волны зондирующего излучения, <math display="inline">L</math> — хорда зондирования.

Величина <math display="inline">nl = \frac{-4\pi\varepsilon_0 m_ec^2}{\lambda e^2}\Delta \varphi</math> представляет собой линейную электронную плотность плазмы. При известной длине хорды через плазму может быть определена средняя вдоль хорды электронная плотность: <math display="inline">\langle n_e \rangle = \frac{1}{L}\int_L n_e(l)dl .</math>

Таким образом, измерение фазового сдвига между зондирующим и опорным сигналами позволяет определить электронную плотность плазмы. Для ожидаемого диапазона средней плотности 10¹⁹ – 10²⁰ м⁻³ расчётная величина фазового набега вертикального канала составляет приблизительно от 5 до 80 полос по 2π в зависимости от плотности и конфигурации плазменного шнура <ref>Сергеев Д. С. и др. Оценка влияния эволюции плотности плазмы токамака Т-15МД на изменение фазы и частоты сигналов вертикального канала СВЧ-интерферометра //ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. – 2022. – Т. 5. – №. 3. – С. 23.</ref>.

Геометрия

Зондирование осуществляется по вертикальной хорде, проходящей через центральную область вакуумной камеры Т-15МД, передатчик и детектор расположены в 6B и 6J патрубках. Электромагнитное излучение однократно проходит через плазменный шнур и поступает в приёмную антенну.


Параметр	Значение
Направление зондирования	Однопроходное, вертикальное
Длина волны	0,936 мм
Частота зондирующего излучения	320,4 ГГц
Промежуточная частота	5 МГц
Опорный сигнал 10 МГц	10 МГц
Погрешность измерений линейной плотности	2·10¹⁶ м^-2

Устройство

Интерферометр построен по гетеродинной схеме (зондировании на промежуточной частоте) <ref>Drozd A., Sergeev D. Design of a phasemeter for real-time measurements of the average plasma density with the microwave interferometer of the tokamak T-15MD //Review of Scientific Instruments. – 2022. – Т. 93. – №. 6.</ref><ref>Drozd A. S. et al. T-15MD tokamak microwave interferometer for measuring the average electron density of plasma //Plasma Physics Reports. – 2024. – Т. 50. – №. 5. – С. 568-572.</ref>. Источником сигналов является синтезатор, синхронизированный от общего кварцевого осциллятора (КО). В блоке генерации формируются сигналы частотой около 7,28 ГГц, а также сигналы 85 МГц и 10 МГц.

Сигнал передающего канала поступает в передатчик, где его частота увеличивается в 44 раза, после чего зондирующее излучение с частотой около 320,4 ГГц вводится в камеру токамака. В приёмном тракте частота второго сигнала 7,28 ГГц увеличивается в 22 раза. На смесителе его гармоника смешивается с прошедшим через плазму зондирующим излучением, в результате чего формируется первая промежуточная частота ПЧ1 = 80 МГц. После смешения с сигналом 85 МГц формируется основной измерительный сигнал ПЧ = 5 МГц. Вместе с ним в систему регистрации поступает референсный сигнал кварцевого осциллятора 10 МГц.

Фаза сигнала ПЧ содержит информацию о фазовом набеге, приобретённом зондирующим излучением при прохождении через плазму. Благодаря высокой фазовой стабильности системы фазовый сдвиг может определяться как относительно фазы ПЧ в начальный момент времени, так и по разности фаз между сигналами ПЧ и кварцевого осциллятора.

Вакуумная часть

Вакуумная часть антенной системы отделена от атмосферы окнами из плавленого кварца марки КУ. Экспериментально определённый показатель преломления кварца в используемом СВЧ-диапазоне составляет n = 2,66. Толщина окна 3,0 мм выбрана для уменьшения отражения СВЧ-излучения. Измеренные потери составляют около −1,48 дБ на одно окно.

Система обработки и регистрации

Сигналы ПЧ и кварцевого осциллятора передаются из зала токамака в центральную систему регистрации по коаксиальным кабелям длиной около 35 м. После длинной линии сигнал усиливается усилителем на операционных усилителях LM6172. Сигнальные линии имеют волновое сопротивление 50 Ом, а коэффициент усиления может регулироваться приблизительно от 0,13 до 20. На каждый вход предусмотрено два выхода – для одновременной передачи сигнала на фазометр и быстродействующий АЦП.

В диагностике реализованы два независимых способа обработки данных:

аналоговая обработка при помощи фазометра на основе детекторов AD8302;
цифровая постобработка зарегистрированных сигналов ПЧ и кварцевого осциллятора.

Задержка фазометра составляет около 2 мкс, благодаря чему его выходной сигнал может использоваться для управления электронной плотностью в режиме реального времени. Цифровая регистрация сигналов позволяет получить более высокое временное разрешение и проводить подробный анализ быстрых процессов в плазме.

Основная система регистрации построена на платформе PXIe. Сигналы ПЧ и кварцевого осциллятора регистрируются быстродействующим модулем PXIe-5153, а сигналы фазометра – модулем PXIe-6358. Для синхронизации используется модуль PXIe-6674T. В опубликованной конфигурации частота регистрации исходных сигналов ПЧ и КО составляла 104 МГц при разрядности 8 бит, а выходных сигналов фазометра – 50 кГц на канал.

Структура записи данных

TBA

Ссылки