Диссертация (1091233), страница 4
Текст из файла (страница 4)
Смещение частотного спектрарегистрируемого сигнала обычно интерпретируется как возникшее приоднократномрассеянииврезультатеэффектаДопплеразасчетполоидального вращения плазменной турбулентности.Измерения флуктуаций на градиенте плотности в стеллараторе Л-2Мпроводятся методом Доплеровской рефлектометрии,который позволяетизмерять также полоидальную скорость вращения флуктуаций по сдвигуцентральнойчастотыкомплексных Фурье-спектров.Схемаданнойдиагностики (рис. 1.5.) состоит из генератора на диоде Ганна (Г) с выходнойРисунок 1.5 Принципиальная схема системы допплеровской рефлектометрии настеллараторе Л-2Ммощностью 30 мВт, волноводной линии, двух направленных ответвителей(НО1,НО2)скороткозамкнутымипоршнями(КЗП1,КЗП2),3дб21аттенюаторов (А1, А2) и детекторных головок (Д1, Д2).
Для подавлениястоячих волн в системе применены три ферритовых вентиля (ФВ1, ФВ2,ФВ3). Микроволновый пучок подается в плазму посредством рупорнойантенны(Р)черезсистемутефлоновыхлинз(Л).Доплеровскойрефлектометрией выполняются измерения на частотах излучения 34-38 ГГц,при углах падения от -15º до +20º относительно нормали к граничнойповерхности плазменного шнура.Для использованных в экспериментезондирующих частот и углов падения характерный полоидальный волновойвектор колебаний плазмы составляет k 1 2 см-1, область измерения0.8 r a 0.9 .
Таким образом, диагностика Доплеровской рефлектометриипозволяет измерять флуктуации плотности на градиенте плотности плазмы (вобласти отсечки).ВдиагностикеДоплеровскойрефлектометрииприменяетсяквадратурная схема детектирования (рис.1.6), по этому методу проводятсяодновременные измерения двух временных выборок, сдвинутых по фазе наπ/2 (X и Y каналы). При обработке данных необходимо учитывать индексыканалов, так как этот параметр несет в себе информацию о знакедоплеровского сдвига частоты. С СВЧ детекторов сигналы подаются напредварительные усилители со встроенными фильтрами для отсечкипомеховой составляющей (коэффициент усиления около 10, фильтр высокихчастот с частотой среза 5 кГц).
Помеховая составляющая в основномопределялась частичным внутренним отражением зондирующей частоты наволноводных элементах тракта. После усиления сигналы регистрируются на2 синхронных АЦП c частотой оцифровки до 100 МГц на канал.22Рисунок 1.6 Блок-схема квадратурного детектирования.Из-за не идентичности каналов рефлектометра и «ухода нуля»предварительныхусилителейнеобходимоприменятьрядмерпопредварительной обработке и нормализации сигналов.При аналого-цифровой записи сигналов получаются временныевыборки, которые являются действительными отсчетами сигналов снепрерывным временем.
Однако в современных системах обработкисигналов часто такие отсчеты преобразуются в комплексные отсчеты дляоценки комплексных Фурье-спектров, в которых содержится информация нетолько о частоте, но и о фазе. В данной работетакая необходимостьвозникает при оценке доплеровского смещения спектра для вычисленияскорости флуктуаций. На рис.1.5 выше,приведена схема системыдоплеровской рефлектометрии, которая позволяет оценивать скоростьполоидального вращения плазменного слоя в тороидальных установках.
Всхеме такой диагностики мнимая и действительная составляющие сигналасоздаются по схеме квадратурного детектирования. На рис. 1.7 представленареализация комплексной демодуляции сигнала с помощью диагностикидопплеровской рефлектометрии стелларатора Л-2М по схеме квадратурногодетектирования. Вид компонент Фурье-спектра для комплексного сигналавыглядит следующим образом:23T /21Re( P( )) lim E[ x(t )(cos t )dt ] ,T T T /2(1.4)T /21 Im( P( )) lim E[ x(t )(sin t )dt ] .T T T /2(1.5)Комплексный Фурье-спектр амплитуд и фаз записывается следующимобразом (4.9, 4.10):P( ) P( ) (Re( P( )))2 (Im( P( )))2 ,(1.6) () arctg (Im( P() / Re( P())(1.7)По такому спектру можно скорость флуктуаций двумя способами: поДоплеровскому смещению спектра (1.6) или по фазе (1.7).Приведем пример определения скорости по Доплеровскому смещению.На рис.1.8 приведен типичный спектр со смешением центральной частоты,измеренныйповременнымреализациямфлуктуацийплотностивстеллараторе Л-2М.
Отчетливо видно допплеровское смещение спектра. Какизвестно частота смещения связана со скорость флуктуаций следующимсоотношением:V f / 2k ,(1.8)где k – волновой вектор флуктуаций, на которых произошло отражениеэлектромагнитной волны. Для рассмотренного ниже спектра на рис. 1.8отражение волны произошло на флуктуациях с k 2 см–1 иf 300 кГц,поэтому скорость флуктуаций (суммарная фазовая скорость и скоростьвращения шнура) составляет приблизительно 105 см/с.24Рисунок 1.7.
Создание комплексных данных (комплексная демодуляция) издействительных сигналов для получения комплексного Фурье-спектра. – нелинейный элемент. ФНЧ – фильтр низких частот.Рисунок 1.8. Нормированная действительная (амплитудная) часть комплексногоФурье-спектра обратнорассеянного излучения допплеровского рефлектометрастелларатора Л-2М.1.3. Исследование шира скорости вращения плазмы методомдопплеровской рефлектометрии на токамаке ТУМАН-3МВ данной части работы представлено исследование шира скоростивращения плазмы в токамаке ТУМАН-3М на базе Физико-техническогоинститута имени А.Ф.Иоффе в г. Санкт-Петербурге.
Декларированнаяпостановка задачи носила весьма общий характер. Следовало такжеучитывать, что изучение шира скорости вращения проводились на токамакеТУМАН-3М и ранее [14-18]. В связи с этим задача исследований была25конкретизирована. Было намечено провести исследование шира скоростивращения при развитии геодезической акустической моды (ГАМ) в процессесмены рабочего газа, а именно, при переходе от плазмы дейтерия к плазмеводорода. Исследования проводились в токамаке ТУМАН-3М (R = 53 см,a = 22 см) при токе 140 кА, в магнитном поле 1 Тл в разрядах с переходом вомическую Н-моду, инициированную импульсным газонапуском.
Средняяплотность плазмы составляла перед переходом в Н-моду 1∙1013cм-3. Переходхарактеризовался повышением плотности плазмы при одновременномпадении излучения на линии Н-альфа или D-альфа. Характерные временныезависимости, иллюстрирующие переход, показаны на рис. 1.9 и рис.1.10.Рис.1.9 Сигналы мониторных диагностик и сигналы квадратурных детекторов. Сверхувниз: среднехордовая плотность плазмы, сигналы магнитного зонда, сигналы детектораизлучения на линии Dα и Hα, четыре сигнала двух квадратурных детекторов, напряжениеобхода. Разряды #15110508 и #1511051726Рис.1.10. Некоторые мониторные характеристики установки ТУМАН-3М в момент работыдля различных импульсов.
Сверху вниз: А– напряжение на обходе, Б – плазменный ток,С – плотность, Д – регистрация МГД колебаний, Е – интенсивность линии Dα.Основным методом исследования скорости вращения плазмы, спомощью которого проводились измерения, являлась диагностикадопплеровского обратного рассеяния (ДОР) СВЧ излучения [19]. Данныйметод основан на регистрации обратно рассеянного при наклонном падениизондирующего пучка СВЧ излучения. По допплеровскому смещениюрассеянного излучения метод позволяет определять скорость вращенияфлуктуаций плазмы в направлении диамагнитных дрейфов заряженныхчастиц. Установленный на токамаке ТУМАН-3М допплеровскийрефлектометр позволяет зондировать плазму одновременно на двух частотах[20].
Рефлектометр работает в К-диапазоне (18-26 ГГц), на обыкновенноймоде излучения. Частота оцифровки АЦП - 2МГц. Его схема приедена нарис.1.11. В диагностике используются две смежные антенны, расположенныевнутри камеры. Между гетеродинами поддерживается разность частот1,82 МГц для создания промежуточной частоты, которая становится опорнойдля IQ - детекторов при смешении отражённого излучения [20]. Благодаряодновременному использованию двух частот зондирования, имеласьвозможность оценивать шир скорости плазменных флуктуаций с учётомотносительного периферийного положения отсечек (rc ≈ 22–23 см) вблизипоследней замкнутой магнитной поверхности для каждой частотызондирования.27ПринципиальнаясхемадвухчастотногодопплеровскогоРис.1.11.рефлектометра (слева) и расположения его антенной системы (справа) натокамаке ТУМАН-3М.
Чёрные линии на левой схеме – волноводная часть,серые линии – электронные компоненты [20].Шир оценивался, как разность скоростей, деленная на разностьрадиусов отсечек СВЧ пучков. Устанавливались различные парызондирующих частот в диапазоне 18-27 ГГц. Разность частот составляла1,82 ГГц. Угол падения СВЧ излучения обыкновенной моды составлял 10градусов.
Для получения спектров обратно рассеянного излучения, имеющихдопплеровское смещение, использовалось квадратурное детектирование. Навыходе каждого детектора формировались два сигнала, комбинация которыхформировала комплексный сигнал. Смещение спектра этого сигналаопределяло допплеровский частотный сдвиг. Смещение спектра оценивалосьили по производной фазы комплексного сигнала, или, как положение «центратяжести» спектра. По смещению спектра определялась скорость вращенияпри известном значении волнового числа рассеивающих плазменныхфлуктуаций.
Характерный вид четырех сигналов двух частотных каналовтакже показан на Рис. 1.9. В ходе работы была проведена предварительнаякалибровка рефлектометра.Таблица 1.2. Соотношение рабочих газов в камере токамака ТУМАН-3МShot#15110503#15110508#15110517#15110518#15110519D% - H%82% - 18%79% - 21%24% - 76%24% - 76%25% - 75%Эксперимент со сменой рабочего газа осуществлялся следующимобразом. Предварительно в качестве рабочего газа использовался дейтерий.28В процессе этих измерений были получены устойчивые режимы, в которыхнаблюдалась ГАМ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
