close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

Настоящее сообщение предоставлено непосредственно;pdf

код для вставкиСкачать
Проект диагностики
лазерного рассеяния для ГДЛ
А. Лизунов, В. Максимов (сектор 9-11)
Т. Бербасова, Н. Васильева (НКО)
А. Хильченко
(сектор 9-15)
Семинар плазменных лабораторий ИЯФ 30 сентября 2014 г.
Содержание
I.
II.
Рассеяние электромагнитной волны на электроне
Томсоновское рассеяние на установках для исследований
термоядерной плазмы
III. Диагностика томсоновского рассеяния на ГДЛ
IV. Физические задачи ГДЛ, цели модернизации диагностики
V. Лазер
VI. Оптическая система
VII. Спектрометр
VIII. Система регистрации сигналов
IX. Система управления
X. Заключение: состояние на 30 сентября 2014 и план работ
Элементарная теория
Некогерентное рассеяние электромагнитного излучения (рассеяние на
изолированном электроне)

1
1.08 ∙ 10−4 0 
=
=

sin⁡(/2)

1/2
≪1
Для параметров плазмы ГДЛ и излучения оптического диапазона 0.03

Отношение рассеянной мощности к падающей:  ≅ 0 2  , где 0 ≅ 2.8 ∙ 10−13 ⁡см – классический радиус электрона
Измеряемая мощность (интенсивность) рассеяния:  ≅ 8 ∙ 10−26 ∙ / ∙  ∙  ∙ 
Величина etendue  =  ∙  ≤ 0.2⁡ ∙ 2⁡ ∙ 
Для грубой оценки следует использовать коэффициент ослабления  ≤ 0.1
Тогда: для плотности электронов  = 2 ∙ 1013 ⁡см−3 ,  ≅ 6.4 ∙ 10−14 ∙  .
Когерентное (коллективное) рассеяние

~1,  ≫ 1
Помимо измерения плотности и температуры электронов, даёт возможность изучать коллективные явления в плазме, в
частности, турбулентность.
Типичные параметры плазмы на большинстве ТЯ установок требуют использование излучения миллиметрового или субмм диапазона для CTS.
I.
Томсоновское рассеяние на установках для исследований
термоядерной плазмы

JET (LIDAR) рубиновый лазер 4 Гц, 40 пространственных точек

DIII-D core TS: семь лазеров Nd:YAG (1064 нм, 20 Гц каждый), 36
пространственных точек

JT-60U: два рубиновых лазера (0.2 мс в пакетном режиме или 0.5 Гц) +
Nd:YAG, 60 пространственных точек

LHD: три лазера Nd:YAG (1064 нм, 10 Гц, 20 Гц, 50 Гц), до 200
пространственных точек

MST: Два лазера Nd:YVO+Nd:YAG в режиме генерации «пачек»
импульсов (1064 нм, 25 кГц), 21 пространственная точка
II.
Диагностика томсоновского рассеяния на ГДЛ

1992 г.: Рубиновый лазер (694.3 нм), один импульс, одна пространственная «точка».
Регистрация: 3 спектральных канала, ФЭУ-37, осциллограф


1995 г.: Рубиновый лазер (694.3 нм), один импульс, одна пространственная «точка».
Регистрация: 9 спектральных каналов, ФЭУ-84, АФИ-2000+АЦП-101SK


А. Хильченко, В. Максимов
2005-2006 г.: переход на Nd:Glass лазер (1054 нм), один импульс, одна
пространственная «точка». Регистрация: 6 спектральных каналов, лавинные фотодиоды.


В. Максимов
1996 г.: Модернизация системы регистрации: серия АЦП-824


В. Максимов
1996 г.: Модернизация оптической системы: возможность сканирования по радиусу
(измерение радиального профиля температуры и плотности по серии выстрелов).


В. Бочаров, В. Максимов
В. Максимов, С. Попов, Л. Вячеславов
2007-2014 г.: Модернизация оптической системы и системы регистрации: ЛФД PerkinElmer серии C30659 (диаметр 3 мм), ADC-12500.

III.
В. Максимов, А. Хильченко
Диагностика томсоновского рассеяния на ГДЛ

В настоящее время:

Лазер на фосфатном стекле, два усилителя на силикатном стекле (один импульс, 20 Дж)

Система регистрации позволяет измерять температуру и плотность в одной пространственной
точке за выстрел, сканирование по радиусу по серии выстрелов.
Спектр рассеяния в режиме с
локальным нагревом
электронов при инжекции
СВЧ-излучения (В. Максимов)
 При параметрах плазмы как на рис.
слева, S/N~1.
 Для измерения усреднённого
профиля требуется 20-50 выстрелов
(от дня до недели работы).
 Для измерения усреднённой
зависимости от времени требуется 2050 выстрелов. Некоторые
динамические эффекты могут быть не
замечены вовсе.
III.
Физические задачи ГДЛ, цели модернизации диагностики


Физические задачи ГДЛ:

Изучение режимов ЭЦР-нагрева плазмы

Изучение равновесия и устойчивости плазмы с ~1

Исследование продольных потерь и поперечного переноса в режимах с вихревым
удержанием

…
Цели модернизации диагностики лазерного рассеяния:

Измерение поперечных профилей  ,  (электронной функции распределения) в
каждом выстреле с пространственным разрешением  ≤ ∆ , где ∆ характерный градиентный масштаб

Измерение динамики профилей  ,  в каждом выстреле с разрешением по
времени  ≤  , где  - характерное время изменения параметров плазмы
IV.
Лазер
Общая концепция диагностики: регистрация 90-рассеяния излучения
основной гармоники неодимового лазера при помощи спектрометров на
базе интерференционных фильтров и лавинных фотодиодов.
Требования к неодимовому лазеру:

Не менее 10 импульсов за 10 мс по внешнему сигналу тайминга;

Энергия в каждом импульсе 1 Дж;

Длительность импульса 5-30 нс;

Угловая расходимость <5 мрад;

Линейная поляризация.
Некоторые из производителей серийных импульсных и импульсно-частотных неодимовых лазеров:

Spectron (UK)

Continuum (USA)

JK Lasers (part of GSI Group, UK)

Newport (USA)

Quantel (France)

SOLAR LS (Belarus)
V.
Лазер
Рабочий вариант: неодимовый лазер с генерацией «пачек» импульсов (pulse burst)
разработки Университета Висконсин-Мэдисон (Лаборатория физических наук)
“Pulse-burst laser systems for fast Thomson scattering (invited)”, D. J. Den Hartog, J. R.
Ambuel, M. T. Borchardt, A. F. Falkowski, W. S. Harris et al., Rev. Sci. Instrum. 81, 10D513
(2010).
Параметр
Значение
Тип лазера
Pulse burst
Схема
Квантрон Nd:YVO4, два усилителя Nd:YAG
Длина волны
1064 нм
Энергия в импульсе с модулированной
добротностью
До 2 Дж
Длительность импульса
9 нс
Угловой разброс
<1.5 мрад
Количество импульсов в «пачке»
До 15
Частота следования импульсов в
«пачке»
1-12.5 кГц (может быть реализована частота до 250 кГц)
Управление лампами накачки и
модулятором
IGBT ключи, до четырёх импульсов модулятора на одном
импульсе ламп
V.
Оптическая система
Моделирование объектива сбора света (трассировка лучей, оптимизация схемы)
Параметр
Значение
Оптическая схема
объектива
Двойной объектив Гаусса (6 линз)
Апертура, угловое поле
153 мм, 36.4
Фокусное расстояние
350 мм
Апертурный угол
12 (F/2.35, NA 0.21)
Увеличение
1:1.4 – 1:1.8 по полю изображения (мин. на оси)
Геометрические аберрации
Макс. 190 мкм (на краю поля изображения)
Хроматические аберрации
По 1064 нм и 630 нм: макс. 117 мкм
VI.
Оптическая система
Оптическая система диагностики лазерного рассеяния на ГДЛ
VI.
Оптическая система
Параметр
Значение
Вход
Прямоугольный, 6.251.31 мм
Выход
Диаметр 3.06 мм
Количество волокон
150
Параметры волокна
Anhydroguide(low OH, Vis-IR): 3002400nm, 200/220um core/clad dia,
NA:0.26
Длина световода
10 м
Производитель
Fiberguide Industries (USA)
Схема группировки волокон в сборке
Параметры оптоволоконной сборки
Основные параметры системы сбора света диагностики лазерного рассеяния
Параметр
Значение
Количество линий наблюдения
11
Диапазон координат «точек» наблюдения
-155.05 мм  155.05 мм вдоль луча (за радиальный лимитер)
Разрешение по радиусу
Макс. 8.26 мм (ось), мин. 10.1 (на R=150 мм)
Разрешение вдоль Z
Определяется каустикой лазерного пучка. Предполагается 2 мм
Производитель оптики
Институт физики им. Б.А. Степанова НАН Республики Беларусь
VI.
Спектрометр на основе узкополосных
интерференционных фильтров
Принцип работы спектрометра
(полихроматора) на основе
интерференционных фильтров:
•
•
•
Форма спектра рассеянного излучения для Te=640 эВ и
полосы пропускания фильтров.
VII.
Пропускание части излучения,
соответствующего полосе данного
фильтра, зеркальное отражение
излучения за пределами полосы
пропускания
Полосы пропускания фильтров не
пересекаются
Задача: оптимизация полос
пропускания фильтров
Спектрометр: параметры интерференционных фильтров
Параметры интерференционных фильтров:
• Расчёт полос пропускания (см. табл. слева) – из условия близких сигналов ЛФД (не
интенсивностей) в спектральных каналах в диапазоне температур 200-500 эВ (возможность
использования одинаковых усилителей при максимальном сохранении эффективного
динамического диапазона регистрирующей аппаратуры).
• Рабочий диапазон температур: 50-1000 эВ (макс. отношение сигналов ≈20).
• Полный эффективный диапазон измеряемых температур может быть определён только с
учётом шумов ЛФД, усилителя, динамического диапазона системы регистрации.
VII.
Параметр
Значение
Диаметр
1.25” (31.75 мм)
Световой диаметр
1.06” (26.9 мм)
Толщина
4 мм
Отклонение формы
< ¼ длины волны на 1064 нм
Угол падения света
4.5 для всех фильтров
Пропускание в полосе
> 80%
Пропускание вне полосы
< 10−5
Отражение вне полосы
> 95%
Клиновидность
< 1 угловой минуты
Рабочая температура
20 1 С
Производитель
Materion Barr (USA)
Полный угловой разброс в
падающем пучке: 3.2 . Это
приводит к плавным
границам полос пропускания
с шириной 1.5 нм
Спектрометр:
оптическая схема
“A compact, low cost, seven channel polychromator for Thomson scattering
measurements,” T. N. Carlstrom, J. C. DeBoo, R. Evanko, C. M. Greenfield, C.L.
Hsieh, R. T. Snider, and P. Trost, Review of Scientific Instruments 61, 2858 (1990).
Изображение световода
на ЛФД №6
(с запасом вписывается
в диаметр 1.5 мм)
Моделирование оптической схемы спектрометра (трассировка лучей, оптимизация схемы)
VII.
Спектрометр: конструкция
Конструкция спектрометра
VII.
Спектрометр: выбор ЛФД для регистрации излучения
Детектор: лавинный фотодиод HAMAMATSU S1151915
Параметр
Значение
Диаметр
1.5 мм
Длина волны макс. QE
960 нм
Спектральный диапазон
6001150 нм
Ёмкость
3.5 пФ
Частота среза (M=100, R=50 Ом)
380 МГц
Темновой ток
6 нА
В линейке ЛФД Excelitas («детекторное»
подразделение Perkin Elmer) нет диодов подходящего
диаметра (для ГДЛ оптимально 1.5 мм)
Сравнение чувствительности (А/Вт) и квантовой
эффективности ЛФД серии S11519 и ЛФД предыдущей серии
S8890
VII.
Спектрометр: сводная таблица параметров
VII.
Параметр
Значение
Количество спектральных каналов
6
F/#
F/1.73 (NA 0.29)
Рабочий спектральный диапазон
9001060 нм
Световой диаметр (по фильтрам)
2425.5 мм
Ввод излучения
Световод 3.06 мм, NA 0.26
Детектор
ЛФД HAMAMATSU S11519-15
Компоновка
Усилители сигнала ЛФД и система
регистрации на борту (приборный бокс)
Габариты
790430100 мм
Масса
≈25 кг
Система регистрации сигналов:
усилитель для лавинного фотодиода
Простейший схема трансимпедансного усилителя
для ЛФД со вторым каскадом по напряжению
Источники шума в схеме ЛФД-усилитель:
• Дробовой шум
• Шумы ЛФД (темновой ток усиливается, ток утечки – нет)
• Токовый шум усилителя
• Шум напряжения усилителя
• Внешняя наводка
•
•
Полоса усиления шумов больше
полосы усиления сигнала
Схема с большой полосой имеет
большой коэффициент усиления
шумов на высоких частотах
Усилитель для ЛФД HAMAMATSU или Perkin Elmer (разработка В. Овчара для диагностики
лазерного рассеяния ГЛОБУС-М): шумы усилителя в полосе 250 МГц, отнесённые ко входу,
соответствуют приблизительно 100 фотонам.
VIII.
Система регистрации сигналов
Подход №1: «быстрые» АЦП
Time-interleaving Technology
ADC122000 (разработка группы А. Хильченко ИЯФ)
Для системы регистрации диагностики
томсоновского рассеяния на ГДЛ хорошо подходят
ADC12500 (с прямым преобразованием)
• Частота дискретизации 500 MSPS
• Цифровое разрешение 12 бит
• Эффективный динамический диапазон 65 дБ
• Программируемый входной усилитель
VIII.
SP Devices ADQ412DC-4G
12 bit, 4 GHz
Система регистрации сигналов
Подход №2: преобразование шкалы времени + «медленные» АЦП
Domino Ring Sampler (DRS)
•

•
•
Принцип «преобразования шкалы времени»
(из презентации PSI)
VIII.
Форма входного сигнала фиксируется при
помощи массива емкостных ячеек
(switched capacitor array, SCA) с
частотой до 6 GSPS
Заполнение массива производится
циклически, внешний запуск
останавливает запись
Вычитывание и оцифровка производится
на частоте десятков МГц (33 МГЦ для
DRS4)
Система регистрации сигналов
Возможная реализация на базе DRS
Блок-схема системы регистрации на основе DRS
Достоинства:
• 9 каналов на кристалле
• Динамический диапазон 69 дБ
• Аналоговая полоса 950 МГц
• Интегральный шум 0.35 мВ в полосе 950 МГц
• Возможность параллельного чтения либо
мультиплексирование
• Низкое потребление энергии: 17.5 мВт/канал
VIII.
Сложности:
• Требуется выравнивание шкалы времени
• Необходима калибровка (учёт смещения и
шумов КМОП-ключей)
Для ГДЛ разрабатывается многоканальная
система регистрации на основе CSA
(группа А. Хильченко)
Система регистрации сигналов
Резюме
 Для диагностики томсоновского рассеяния на ГДЛ требуется
минимум 611+2=68 каналов регистрации
 Цена за канал АЦП 500 MSPS, 12 бит (на мировом рынке): 4-5 kEUR
 Итого за 68 каналов регистрации: более 300,000 EUR по мировым ценам
В условиях ИЯФ, производство необходимого количества каналов «быстрых»
АЦП также требует больших затрат сил, времени и денег.
Несомненно, нужно развивать современные многоканальные широкополосные
регистраторы формы импульса с высокой частотой дискретизации и внедрять
их в диагностики на плазменных установках. Диагностика лазерного рассеяния
– классический пример применения подобных приборов.
Для решения конкретной задачи системы регистрации сигналов томсовского
рассеяния на ГДЛ, кажется разумным избрать подход DRS/«медленные» АЦП.
«Медленные» АЦП: приборы разработки группы А. Хильченко ADC1250
Есть в распоряжении 32 канала
Нужно произвести ещё 36 каналов (для различных работ уже произведено
около четырёхсот каналов таких АЦП)
VIII.
Заключение: состояние проекта на 30 сентября 2014 и
план работ
Подсистема
Лазер
Оптическая
система
Спектрометры
Система
регистрации
Система
управления
Система
формирования
и ввода пучка
Система
вывода пучка и
оптическая
ловушка
X.
Предварит.
дизайн
Окончательный
дизайн
Закупка
компонентов
Производство
Сборка и ввод в
эксплуатацию
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа