Допплеровская рефлектометрия

Введение.

     Допплеровская рефлектометрия является бесконтактным радиофизическим методом исследования плазмы. Данный вид диагностики широко применим в установках термоядерного синтеза поскольку он не требует непосредственного контакта установки с плазмой. Микроволновая диагностика допплеровской рефлектометрии предназначена для исследования флуктуаций плотности плазмы и измерения скорости её движения в установках магнитного удержания плазмы.

     Диагностика допплеровской рефлектометрии базируется на двух радиофизических методах: рефлектометрии (отражения от закритического слоя плазмы) и коллективного рассеяния (обратного допплеровского рассеяния от плазменных флуктуаций). К настоящему времени допплеровская рефлектометрия успешно применяется на целом ряде тороидальных установок УТС: токамаках ФТ-2, ТУМАН-3М, ASDEX, Глобус-М и стеллараторе TJ-II [1].

1. Описание установки.

1.1. Общие сведения из допплеровской рефлектометрии.

     Работа допплеровского рефлектометра основана на полном отражении СВЧ сигнала от плазмы при определенной плотности и частоте (эффект отсечки). При отражении СВЧ сигнала от плазмы возникает эффект Допплера - изменение частоты принимаемых и отраженных радиоволн при относительном движении источника радиоволн и облучаемого физического объекта.

     Когда цель неподвижна, то частота отраженных ей радиоволн соответствует частоте упавших на нее радиоволн

[pic 1];

     Если цель движется и дальность до нее изменяется, то частота отраженных радиоволн изменяется:

[pic 2],[pic 3]

                                           где [pic 4]- Доплеровская частота.

     Из последнего соотношения можно определить скорость движения плазмы.

[pic 5].

     Доплеровская флуктуационная рефлектометрия широко используется в настоящее время для изучения полоидального вращения плазмы стеллараторах и токамаках. При исследованиях этим методом в полоидальном сечении стеллоратора с наклоном по отношению к радиальному направлению вводится зондирующая волна, для которой в плазме имеется поверхность отсечки. Регистрируется сигнал рассеяния, имеющий частоту отличную от зондирующей. Смещение частотного спектра регистрируемого сигнала обычно интерпретируется как возникшее при однократном рассеянии в результате эффекта Допплера за счет полоидального вращения плазменной турбулентности.

1.2. Схема допплеровского рефлектометра.

Схема допплеровского рефлектометра показана на рисунке (1.1.):

[pic 6]

Рис. 1.1. Принципиальная схема системы

 допплеровской рефлектометрии

     Схема данной диагностики (рис. 1.1.) состоит из генератора на диоде Ганна (Г) с выходной мощностью 30 мВт, волноводной линии, двух направленных ответвителей (НО1, НО2) с короткозамкнутыми поршнями (КЗП1, КЗП2), аттенюаторов (А1, А2) и детекторных головок (Д1, Д2). Для подавления стоячих волн в системе применены три ферритовых вентиля (ФВ1, ФВ2, ФВ3). Микроволновый пучок подается в плазму посредством рупорной антенны (Р) через систему тефлоновых линз (Л). Доплеровской рефлектометрией выполняются измерения на частотах излучения 34-38 ГГц, при углах падения от -15º до +20º относительно нормали к граничной поверхности плазменного шнура.

     В установке допплеровского рефлектометра применяется квадратурная схема детектирования, изображенная на рисунке (1.2):

[pic 7]

Рис. 1.2. Структурная схема квадратурного демодулятора.

На выходе квадратурного демодулятора мы имеем комплексный сигнал. Канал полученный перемножением входного сигнала и исходного опорного сигнала соответствует вещественной части комплексного сигнала(Re) и часто называется каналом I(in-phase без сдвига). Соответственно, канал, полученный умножением входного сигнала на второй опорный сигнал, являющийся сдвинутой версией исходного, соответствует мнимой части (Im) и часто называется каналом Q (quadrature, со сдвигом на 90°). Составляющие комплексного сигнала определяются следующим образом: