Способ измерения параметров плазмы в магнитном поле Советский патент 1988 года по МПК G21B1/00 

Изобретение относится к области физики плазмы, в частности к диагр ностике высокотемпературной плазмы. Известные способы измерения полоидального магнитного поля в плазме основаны на использовании эффекта Фарадея Для этого электромагнитная волна пропускается через плазму вдоль направления магнитного поля и по повороту поляризации делается вывод о величине магнитного поля в плазме. Недостатком способа является сложность измерения малых поворотов плоскости поляризации волн в плазме в условиях термоядерных установок Токамак., . Наиболее близок к предлагаемому спосо.б измерения параметров плазмы S магнитном поле, в частности распределения плотности плазмы, основан ный на использовании интерферендии двух лазерных пучков, один из кото рых опорный, а другой пропускается через плазму. Излучение, прошедшее через плазму, приобретает набег фазы зависящий от плотности плазмьк Сложение (интерференция) лучей, прршед.ших черкез плазму и вне плазмы, позволяет выделить этот дополнительньгй набег фаз и затем, решая Обратную задачу, по измеренным фазам врсстано вить профиль плотности плазмы в прос:транстве. Йнтерферометрический споiEo6 измерения плотности плазмы наибо лее разработан и широко применяете в диагностике высокотемпературной плазмы на установках Токамак, так как позволяет достаточно просто и надежно определять поведение в пространстве и во времени одного из важ нейших параметров плазмы - её плотности. ,;.. г . ; --. :. Однако известный интерферрметрический способ не позволяет измерять другой важный параметр плазмь, а именно,величину и распределение в пространстве прлОидального магнитнрго поля,, или, что то же самое, распределение тока в плазме Это являет ся следствием тогр, что используется электромагнитная волна только с одной поляризацией, и обычно точность измерениясдвигов фаз невысока. Целью изобретения является осуществление измерений полоидальнргР магнитного поля в 11лазме Дпя этого в способе измерения параметров плазмы в магнитном поле, основанном на интерференции лазерного излучения, пропускаемого через плазму, излучение пропускают поляризованным по направлению основного магнитного поля и . перпендикулярно направлению, основного магнитного поля и по разности фаз мезкду ними при известной Форме магнитньпс поверхностей и вида функции распределения плотности плазмы определяют величину полоидального магнитного поля. Поляризованные излучения выбираются сдвинутыми по частоте друг относительно друга на промежуточную частоту Л. Интерференция этих лучей позволяет перенести на низкую (промежуточную) частоту и затем измерить разность фаз между, рассматриваемыми волнами, которая зависит от величины полоидальнрго магнитного поля в плазме. На фиг,1 показана геометрия опыта; на фиг.2 часть схемы интерферометра с переносом измеряемой фазы на радиочасто ту, где X, Y, Z - оси координат; В вектор тороидального магнитного поля, направленный по оси Z; Вр - вектор ; полоидальногО магнитного поля, лежащий в плоскости XY и Образующий с осью Y угол о/; В - вектор суммарного магнитного поля, образующий с осью Y угол 0 ; К - волновой вектор зондирующего излучения, направленного вдоль оси Y. Просвечивание плазмы Происходит вдоль оси Y перпендикулярно тороидальному магнитному по. .; ..- .. .-- . IBJ ffp/ Jo Полагая можно написатьcos 0 (--). Это выражение не меняется при изменении направления зондирования на обратное, Рассмо рим два предельных случая квазиперпендикулярного распространения волн через плазмУ. В первом случае будем считать, что полоидальные поля, появляющиеся в плазме при протекании через нее тока, малы, а именно )2 Во втором случае - искажение тороидального магнитного поля велико и, следовательно: cos2e (-)2 Первое условие выполняется дЛя суб-, миллииетрового диапазона длин волн зондирующего излучения, тогда как второе - в инфракрасной области спектра.Раскладывая подкоренное выражение в уравнении Апплтона в ряд по малому периметру и учитывая, что (шри/и)) , (ш-/ш) : 1, можем написать сл1едующие выражения для разности фаз обыкновенно и необыкновенной волн соответствующие Двзгм рассмотренным вьше случаям. В первом. . . . о , .,,... Таким образом, зондирование плазмы миллиметровым (субмиллиметровым) излучением одновременно на обыкновенной и необыкновенной волнах можно ис пользовать для их:ключения влияния на измерение колебаний зеркал интерферометра и дая понижения величины:фазовых набегов, связанных с плотностью плазмы, за счет множителя . Во ВТОJIOM случае учитывая вьфажейие{1), получаем ,. Ь,(.)| (yleos dy (3) П 1/, W. .0л Из формулы видно, что из измерений разности фаз обыкновенной и необыкновенной волн можно определить величину полоидального магнитного поля, если задаться формой магнитных поверзсностей внутри плазменного шнура и независимым способом измерить распределение плотности плазмы по радиусу.. , . ; / - ,;: , ; ;. Схема интерферометра солхержит - лазер 1, четвертьволновые пластины 2, 3, электрооптический сдвигатель частоты 4, делитель пучка 5, исследуемую плазму 6, зеркала 7, 8, электрический модулятор ча тоты 9, поляризатор 10, детектор 11 преобразователь фаза-напряжение 12, /ЭВМ 13,Стрелки показывают поляриза цию волн Излучение СО4 лазера четвертьволновыми пластинами и злек рооптическим сдвигателем преобразу ется в ортогонально поляризова Ино4; излучение со сдвинутыми частотами и пропускается через плазму. Отразившись от зеркала 8 и еще раз пройдя плазму, излучение поступает на делитель 5, где. частично отражается и поступает на детектор 11. Поляризатор 10 совмещает направления поляри- заций волн. Сигналы обыкновенной и необыкновенной волн, которым соответствуют сдвинутая и несдвинутая частоты, интерферируют на детекторе, образуя сигнал разностной частотыJL с фазой, равной разности фаз обьпсновенной и необыкновенной волн. С детектора сигнал поступает на преобразователь фаза-напряжение, который В аналоговом виде вьщает зависимость разности фаз от времени. Далее сигнал подается в ЭВМ, где проходит обработку с целью выделения величины и зависимости полоидального магнитного лоля от времени согласно формуле (3). Для получения точности измерений Вру порядка 10% точность измерений сдвигов фаз также должна быть порядка 10%. Однако сама величина сдвига , фаз между обыкновенной и необыкновенной волнами будет весьма мала и по порядку величины может составлять () 1/„дС 1-0,01. Для этого чтобы измерять такие малые фазовые сдвиги, процессы переноса фазы на радиочастоту требуется осуществлять с высокой точностью, измерения должны проводиться с отношением сигнал/шум лучшеi чем 10, и необходимо разработать специальные преобразователи фаза-напряжение. Способ позволяет измерять в пространстве и во времени такой важнейший параметр термоядерной плазмы, как полоидальное магнитное поле, что невозможно сделать при помощи обычного лазерного интерферометра. При этом резко возрастает объем получаемой информации о плазме, так как, зная распределение полоидального магнитного поля, можно найти распределение тока, в плазме, коэффициент запаса устойчивости и проводимость плазмы, что значительно повышает производительность научных исследований, ,

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТ-. РОВ ПЛАЗМЫ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ, основанньй На интерференции лазерного излучения, пропускаемого плазму от ли ч а ю щ и и с я тем, что, с измерения полоидапьНого магнитного поля в плазме, излучение пропускают через плазму поляризованным по направлению основного магнитно1 о nojM и перпендикулярно направлению основного поля и по разности фаз между ними при известной форме магнитных поверхностей и плотности : плазмы определяют величину полоидального магнитного поля. 5

«М