Способ измерения параметров плазмы

 

Изобретение относится к методам диагностики лабораторной турбулентной плазмы путем зондирования ее электромагнитными волнами. Целью изобретения является измерение флуктуаций плотности плазмы, а именно амплитуды и частоты флуктуаций, на действующей плазменной установке. Измерения осуществляются с помощью СВЧ-резонаторного метода диагностики, основанного на изменении резонансной частоты и формы резонансной кривой при помещении в резонатор исследуемой плазмы, параметры которой флуктуируют. При этом одновременно с измерением смещения резонансной частоты измеряется величина отношения ширины резонанса с плазмой и без плазмы и отношения ширины отдельных максимумов резонансной кривой к ее ширине без плазмы и по формулам вычисляются искомые параметры. 1 ил.

Изобретение относится к физике плазмы и проблеме управляемого термоядерного синтеза и может быть использовано для диагностики плазмы, в частности для изменения флуктуаций плотности плазмы, в которой плазменная частота много меньше частоты зондирования, например в диверторных потоках плазмы в замкнутых ловушках с магнитным удержанием плазмы. Целью изобретения является измерение флуктуаций плотности плазмы. На чертеже приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа измерения параметров плазмы. Устройство для реализации предлагаемого способа содержит измерительный резонатор 1, волноводные линии передачи СВЧ-сигналов 2.1 и 2.2, ферритовый вентиль 3, СВЧ-генератор 4, детектор 5, усилитель 6, блок 7 генерации пилообразного и ступенчатого напряжения и осциллограф 8. При реализации способа использовался конкретный тип СВЧ-резонатора - открытый двухзеркальный резонатор типа Фабри-Перо. При этом объем резонатора V_р заменен на длину резонатора l_р, а объем плазмы V на толщину плазменного слоя l. Для получения информации на резонатор 1 от СВЧ-генератора 4 через ферритовый вентиль 3 по волноводной линии 2.1 поступает частотно-модулированная электромагнитная волна ( λ 8 мм). Частота волны клистронного генератора 4 модулируется пилообразными импульсами напряжения, поступающими от блока 7, который также генерирует импульсы ступенчатого напряжения для смещения луча осциллографа 8 при многократном его запуске. Резонансный сигнал из резонатора 1 по волноводной линии 2.2 после детектирования детектором 5 через усилитель 6 поступает на осциллограф 8, на котором регистрируется смещение резонанса в зависимости от плотности плазмы и изменения формы резонанса. При этом измеряются резонансная частота невозмущенного резонатора f_o, сдвиг частоты при наличии плазмы Df которая используется для определения n1, а также интервалы времени Δt_o по которым определяется амплитуда флуктуаций и их частота. Из теории резонаторов известно, что при использовании резонатора типа Фабри-Перо среднестатическое значение линейной плотности плазмы может быть определено по формуле где n_кр критическое значение плотности плазмы для частоты f_o; l_р длина резонатора. Известно, что амплитуда резонансной кривой описывается формулой где A_o максимальное значение резонансного сигнала; A и f текущие значения амплитуды и частоты; f_р резонансное значение частоты; δf ширина резонансной кривой, невозмущенного резонатора. При наличии флуктуации плотности плазмы форма резонансной кривой изменяется: расщепляется на несколько максимумов. На основе выбранной модели процесса проведен расчет и эксперименты, в результате чего установлено, что амплитуда флуктуаций определяется по формуле:
а характерная частота флуктуаций по формуле

где β = A_β/A₀
A_β амплитуда СВЧ-колбаний на уровне, составляющем b -долю от максимума A_o;
Q добротность резонатора;
K крутизна перестройки частоты генератора от напряжения;
Т_п период модуляции частоты;
f_o частота генератора при отсутствии модуляции;
U_п амплитуда пилообразного импульса модуляции частоты;
отношение ширины расщепленной резонансной кривой к ширине невозмущенной резонансной кривой Δt_o
отношение ширины единичного пика расщепленной резонансной кривой к ширине невозмущенной резонансной кривой Δt_o
измеряются на уровне β
При произвольном виде резонатора по смещению резонанса определяют полное число частиц nV, а в случае же резонатора Фабри-Перо nV переходит в линейную плотность nl. Если область расщепленной резонансной кривой существенно больше ширины нерасщепленной резонансной кривой, то формула (3) сводится к виду

где Δf_мин и Δf_макс соответственно начало и конец области расщепленной резонансной кривой. Способ позволяет измерять не только nV или nl в спокойной плазме, но и определять среднестатистическое значение плотности (или <nl>), а также глубину и частоту флуктуации ее в турбулентной плазме. Достоинством метода является то, что указанный результат достигается простым невозмущающим плазму методом путем использования того же СВЧ-резонаторного устройства, которым измеряется плотность. Метод пригоден для исследования указанных параметров в широком интервале плотностей
а

Формула изобретения

Способ измерения параметров плазмы, помещенной в резонатор, возбуждаемый электромагнитной волной с модулированной частотой, включающий определение плотности плазмы путем измерения сдвига резонансной кривой по шкале частот, отличающийся тем, что, с целью измерения флуктуаций плотности плазмы, период и напряжение модуляции частоты электромагнитной волны изменяют до появления отдельных пиков на резонансной кривой, регистрируют изменение формы резонансной кривой, затем измеряют отношение η₁ - ширины резонансной кривой при наличии флуктуаций параметров плазмы и без плазмы, а также отношение η₂ - ширины одиночного пика резонансной кривой при наличии флуктуаций параметров плазмы к ширине резонансной кривой при наличии флуктуаций параметров плазмы к ширине резонансной кривой без плазмы на одном и том же уровне β, и определяют по формулам амплитуду флуктуаций δ

и характерную частоту F

где Q добротность резонатора;
β - отношение амплитуды резонансной кривой на уровне измерения ее ширины к максимальному значению;
f_о резонансная частота без плазмы;
Т_п период модуляции частоты;
К крутизна вольтчастотной характеристики генератора;
n_кр критическая плотность плазмы для частоты f_о;
n плотность измеряемой плазмы;
V_р объем резонатора;
V объем, занимаемый плазмой;
U_п амплитуда пилообразного напряжения модуляции частоты.

РИСУНКИ

Рисунок 1