Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry
The basic idea of this work is simultaneous using of O- and X-modes for determination in torsatron not only average plasma density but density profile, too. The dual polarization interferometer was placed very close to E-E minor cross-section of U-3M torsatron. First measurements of phase shifts wer...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109191 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry / D.L Grekov, K.K. Tretiak, V.L. Berezhnyj, V.V. Filippov // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 249-251. — Бібліогр.: 1 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859809797443944448 |
|---|---|
| author | Grekov, D.L Tretiak, K.K. Berezhnyj, V.L. Filippov, V.V. |
| author_facet | Grekov, D.L Tretiak, K.K. Berezhnyj, V.L. Filippov, V.V. |
| citation_txt | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry / D.L Grekov, K.K. Tretiak, V.L. Berezhnyj, V.V. Filippov // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 249-251. — Бібліогр.: 1 назв. — англ. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Вопросы атомной науки и техники |
| description | The basic idea of this work is simultaneous using of O- and X-modes for determination in torsatron not only average plasma density but density profile, too. The dual polarization interferometer was placed very close to E-E minor cross-section of U-3M torsatron. First measurements of phase shifts were made. The interpretation of obtained results is presented.
Интерферометрия с использованием обыкновенной волны хорошо известна и часто применяется в диагностике плазмы. В случае перпендикулярного распространения относительно удерживающего магнитного поля волновое число обыкновенной волны зависит только от плотности плазмы k₀ = ω√ε₃ / c, ε₃ = 1 - ω₂p / ω². Для обыкновенной волны набег фазы пропорционален средней плотности вдоль зондирующего луча для частот ω больших, чем плазменная частота ωp. Для необыкновенной волны при перпендикулярном зондировании набег фазы зависит от плотности плазмы и распределения удерживающего магнитного поля kx = ω√ε₁² − ε₂² / √ε₁c, ε₁ = 1 - ωp² / (ω² - ωc², ε₂ = ωp² ωc / ((ω² - ωc²) ω. При известном магнитном поле для установок типа торсатрон, измерение набега фазы необыкновенной волны дает дополнительную информацию о профиле плотности плазмы. Величина ¬n / n0 может характеризовать пикированность профиля, где n₀ − центральная плотность плазмы в малом сечении шнура. Мы предполагаем, что профиль плазмы монотонный. Двуполяризационный интерферометр был установлен очень близко к малому сечению Е-Е-торсатрона У-3М. Представлены первые результаты измерения и их интерпретация.
Інтерферометрія з використанням звичайної хвилі добре відома і часто використовується для діагностики плазми. Для випадку перпендикулярного поширення відносно утримуючого магнітного поля хвильове число звичайної хвилі залежить тільки від густни плазми k₀ = ω√ε₃ / c, ε₃ = 1 - ω₂p / ω². Для звичайної хвиі для частот ω , що значно більші за плазмову частоту ωp, набіг фази є пропорційним до середньої густини плазми вздовж променя, що зондує. Для незвичайної хвилі при перпендикулярному поширенні набіг фази залежить від густини плазми і розподілу магнітного поля, що утримує плазму, kx = ω√ε₁² − ε₂² / √ε₁c, ε₁ = 1 - ωp² / (ω² - ωc², ε₂ = ωp² ωc / ((ω² - ωc²) ω. Для установок типу торсатрон розподіл магнітного поля є відомим. Тому вимірювання набігу фази незвичайної хвилі дає додаткову інформацію що до профілю густини плазми. Величина ¬n / n₀ може характеризувати пікированість профілю. Тут n₀ – центральна густина плазми в малому перерізі. Ми припускаємо, що профіль плазми є монотонним. Двуполяризаційний інтерферометр було встановлено дуже близько до малого перерізу Е-Е-торсатрону У-3М. Наведено перші результати вимірювань та їх інтерпретацію.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:18:59Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 249
MEASUREMENTS OF PLASMA DENSITY IN URAGAN-3M
TORSATRON USING DUAL-POLARIZATION INTERFEROMETRY
D.L Grekov, K.K. Tretiak, V.L. Berezhnyj,V.V. Filippov
Institute of Plasma Physics NSC “Kharkov Institute of Physics and Technology”, Kharkov, Ukraine
The basic idea of this work is simultaneous using of O- and X-modes for determination in torsatron not only
average plasma density but density profile, too. The dual polarization interferometer was placed very close to E-E
minor cross-section of U-3M torsatron. First measurements of phase shifts were made. The interpretation of
obtained results is presented.
PACS: 52.70.-m
INTRODUCTION
Ordinary O-mode interferometry is well known and
common used plasma diagnostic for fusion devices and
plasma technology [1]. The O-mode wave number
depends only on plasma density in the case of
perpendicular to the confining magnetic field probing
22
33 ω/ω1ε,/εω po =c=k − . So, O-mode phase shift
is proportional to average plasma density n along the
hord of probing for wave frequency ω greater then
plasma frequency ωp. For extraordinary X-mode
perpendicular probing ( )c=kx 1
2
2
2
1 ε/εεω − ,
ωωω/ωωε,)ωω/ω1ε 222
2
222
1 )((=(= ccpcp −−−
, and X-mode phase shift depends on plasma density
and confining magnetic field distributions. As magnetic
field is known for torsatron-type devices, additional
information as to plasma density profile may be
inferкed from the X-mode phase shift measurements.
For example, this may be plasma density profile
peakedness 0/ nn , where 0n is the plasma density in
the centre of minor cross-section.
1. FORMULATION OF THE PROBLEM
Our purpose is to determine plasma density profile
in U-3M via phase shifts of X-mode and O-mode
measured experimentally. Experimental datasets consist
of phase shifts values measured during the discharge.
To simulate propagation of X-mode and O-mode in
plasma and calculate phase shifts for this waves the
numerical code was developed. This code computes ray
trajectories of X-mode and O-mode in plasma volume
taking into account real geometry and magnetic field
distribution for U-3M (Fig. 1). Density profile can varies
from flat to sharp form. Finding density profile from phase
shifts is reduced to solving two functional equations
x
L
x
o
L
o
=l)d),(n(k
=l)d),(n(k
ωξ
ωξ
0
0
ϕ
ϕ
∫
∫
rr
rr
(1)
where ω is wave frequency, ξ - peak/flat parameter,
0n - central density and density )n(ξ defines as
1
)ξ ξ
ξξ
0
−
− ⋅
e
een=n(
x
where χ is the label of magnetic surface (0≤x≤1).
(2)
Fig. 1. Ray trajectories of X-wave (dash line) and
O-wave (solid line) in poloidal cross-section of U-3M
and density profile in 1012 cm-3
So, calculated phase shifts (Fig. 2) were matched with
experimental results (Fig. 3) in order to determine
central density and peak/sharp parameter for U-3M
plasma.
Fig .2. Calculated phases of X-wave(dash line) and O-
wave(solid line) depending on density profile; circle -
n0=1·1012 cm-3; square - n0=2·1012 cm-3; triangle -
n0=3·1012 cm-3; star - n0=3.5·1012 cm-3; rhomb -
n0=4·1012 cm-3
250 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82)
Fig. 3. Measured phase shifts for X-wave(dash line) and O-wave(solid line) depending on time of discharge in
U-3M and calculated density profiles corresponding to two time points; 1st -31.44 ms, ξ =-1, n0=3·1012 cm-3;
2nd -35.06 ms, ξ =0, n0=3.5·1012 cm-3
2. EXPERIMENTAL ASPECTS
The horn antennas which were connected to the
oversized waveguides were used for probing plasma in
Uragan-3M. These waveguides allow propagation of E-
and H-polarizations modes without their interference.
For independent determination of the phase shifts of O-
and X-waves we have fabricated and tested an
orthomode transducer (OMT). OMT has one input for
oversized waveguide and two outputs which operate in
the single mode regime.
The classic homodyne interferometers which have
double balanced detection were connected to the output
waveguides of OMT. Measurement scheme is shown in
Fig. 4. The output signals of interferometer are:
(t)(t)AgAs=S2(t)
(t)(t)AgAs=S1(t)
wxx.w
woo.w
..
..
sin
sin , (3)
where: Ag is amplitude of the reference signal, o.wAs
and x.wAs are amplitudes of signals passing through
the plasma.
Double balanced mixer additionally contains signals
proportional to the sum of the amplitudes of the
reference signal and passing through the plasma signal.
But for the high quality determination of the phase
shifts the accurate calibration must be performed. It was
not made at this time.
During the determination of the value of phase shifts
we had some difficulties which were caused by fast
changes in the amplitude of signals passing through the
plasma during plasma discharge. Also, the small
differential sensitivity of sin (ϕ) when ϕ ≈ 0.5π+mπ,
m=0,1… made difficult determination the dynamics of
change of the phase shift in these areas. In part the latter
problem was solved by not-in-phase signal of phase
shift for the ordinary and extraordinary waves.
Therefore, the exact values of the phase shifts
determined where its equal to mπ, m=0,1…
OMT
out S1(t)
out S t2( )
GenerotorVacuum chamber
vacuum entry
o.w.
x.w.
helical coil
plasma
horh
mirror
doublebalanced mixer
Fig. 4 Principal scheme of dual polarization interferometry at Uragan-3M torsatron
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 251
DISCUSSION
Measurements of plasma density by dual-
polarization interferometry give us information not only
about average plasma density and about density profile
form too. Plasma density profiles were established for
two time periods of U-3M discharge. But, we need in
simultaneous (in the same time points) and more precise
data to make conclusion about plasma profile behavior
from the beginning to the end of U-3M discharge.
We have to start the work at modification of the
interferometer in order to obtain signals proportional to
cos(ϕ) and sin(ϕ) for each polarization. This
modification will solves the problem with the change of
the signal amplitude and the exact definition of the
dynamics of the phase shift during plasma discharge.
Supposed accuracy of the phase shift will be about 2
degrees.
REFERENCES
1. V.E. Golant. Microwave methods of plasma
investigation. Moskow: “Soviet Radio”, 1968.
Article received 16.10.12
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ПЛАЗМЫ В ТОРСАТРОНЕ У-3М С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ДВУПОЛЯРИЗАЦИОННОЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИИ
Д.Л. Греков, К.К. Третьяк, В.Л. Бережный, В.В. Филипов
Интерферометрия с использованием обыкновенной волны хорошо известна и часто применяется в
диагностике плазмы. В случае перпендикулярного распространения относительно удерживающего
магнитного поля волновое число обыкновенной волны зависит только от плотности плазмы c=ko /εω 3 ,
22
3 ω/ω1ε p= − . Для обыкновенной волны набег фазы пропорционален средней плотности вдоль
зондирующего луча для частот ω больших, чем плазменная частота pω . Для необыкновенной волны при
перпендикулярном зондировании набег фазы зависит от плотности плазмы и распределения удерживающего
магнитного поля c=kx 1
2
2
2
1 ε/εεω − , 222
1 ωω/ω1ε cp (= −− , ωωω/ωωε 222
2 )((= ccp − . При
известном магнитном поле для установок типа торсатрон, измерение набега фазы необыкновенной волны
дает дополнительную информацию о профиле плотности плазмы. Величина 0/ nn может характеризовать
пикированность профиля, где 0n − центральная плотность плазмы в малом сечении шнура. Мы
предполагаем, что профиль плазмы монотонный. Двуполяризационный интерферометр был установлен
очень близко к малому сечению Е-Е-торсатрона У-3М. Представлены первые результаты измерения и их
интерпретация.
ВИМІРЮВАННЯ ГУСТИНИ ПЛАЗМИ В ТОРСАТРОНІ У-3М З ВИКОРИСТАННЯМ
ДВОПОЛЯРИЗАЦІЙНОЇ ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ
Д.Л. Греков, К.К. Третяк, В.Л. Бережний, В.В. Філіпов
Інтерферометрія з використанням звичайної хвилі добре відома і часто використовується для діагностики
плазми. Для випадку перпендикулярного поширення відносно утримуючого магнітного поля хвильове число
звичайної хвилі залежить тільки від густни плазми c=ko /εω 3 , 22
3 ω/ω1ε p= − . Для звичайної хвиі
для частот ω , що значно більші за плазмову частоту pω , набіг фази є пропорційним до середньої густини
плазми вздовж променя, що зондує. Для незвичайної хвилі при перпендикулярному поширенні набіг фази
залежить від густини плазми і розподілу магнітного поля, що утримує плазму, c=kx 1
2
2
2
1 ε/εεω − ,
222
1 ωω/ω1ε cp (= −− , ωωω/ωωε 222
2 )((= ccp − . Для установок типу торсатрон розподіл магнітного
поля є відомим. Тому вимірювання набігу фази незвичайної хвилі дає додаткову інформацію що до профілю
густини плазми. Величина 0/ nn може характеризувати пікированість профілю. Тут 0n – центральна
густина плазми в малому перерізі. Ми припускаємо, що профіль плазми є монотонним. Двуполяризаційний
інтерферометр було встановлено дуже близько до малого перерізу Е-Е-торсатрону У-3М. Наведено перші
результати вимірювань та їх інтерпретацію.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109191 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1562-6016 |
| language | English |
| last_indexed | 2025-12-07T15:18:59Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Grekov, D.L Tretiak, K.K. Berezhnyj, V.L. Filippov, V.V. 2016-11-21T19:11:01Z 2016-11-21T19:11:01Z 2012 Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry / D.L Grekov, K.K. Tretiak, V.L. Berezhnyj, V.V. Filippov // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 249-251. — Бібліогр.: 1 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.70.-m https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109191 The basic idea of this work is simultaneous using of O- and X-modes for determination in torsatron not only average plasma density but density profile, too. The dual polarization interferometer was placed very close to E-E minor cross-section of U-3M torsatron. First measurements of phase shifts were made. The interpretation of obtained results is presented. Интерферометрия с использованием обыкновенной волны хорошо известна и часто применяется в диагностике плазмы. В случае перпендикулярного распространения относительно удерживающего магнитного поля волновое число обыкновенной волны зависит только от плотности плазмы k₀ = ω√ε₃ / c, ε₃ = 1 - ω₂p / ω². Для обыкновенной волны набег фазы пропорционален средней плотности вдоль зондирующего луча для частот ω больших, чем плазменная частота ωp. Для необыкновенной волны при перпендикулярном зондировании набег фазы зависит от плотности плазмы и распределения удерживающего магнитного поля kx = ω√ε₁² − ε₂² / √ε₁c, ε₁ = 1 - ωp² / (ω² - ωc², ε₂ = ωp² ωc / ((ω² - ωc²) ω. При известном магнитном поле для установок типа торсатрон, измерение набега фазы необыкновенной волны дает дополнительную информацию о профиле плотности плазмы. Величина ¬n / n0 может характеризовать пикированность профиля, где n₀ − центральная плотность плазмы в малом сечении шнура. Мы предполагаем, что профиль плазмы монотонный. Двуполяризационный интерферометр был установлен очень близко к малому сечению Е-Е-торсатрона У-3М. Представлены первые результаты измерения и их интерпретация. Інтерферометрія з використанням звичайної хвилі добре відома і часто використовується для діагностики плазми. Для випадку перпендикулярного поширення відносно утримуючого магнітного поля хвильове число звичайної хвилі залежить тільки від густни плазми k₀ = ω√ε₃ / c, ε₃ = 1 - ω₂p / ω². Для звичайної хвиі для частот ω , що значно більші за плазмову частоту ωp, набіг фази є пропорційним до середньої густини плазми вздовж променя, що зондує. Для незвичайної хвилі при перпендикулярному поширенні набіг фази залежить від густини плазми і розподілу магнітного поля, що утримує плазму, kx = ω√ε₁² − ε₂² / √ε₁c, ε₁ = 1 - ωp² / (ω² - ωc², ε₂ = ωp² ωc / ((ω² - ωc²) ω. Для установок типу торсатрон розподіл магнітного поля є відомим. Тому вимірювання набігу фази незвичайної хвилі дає додаткову інформацію що до профілю густини плазми. Величина ¬n / n₀ може характеризувати пікированість профілю. Тут n₀ – центральна густина плазми в малому перерізі. Ми припускаємо, що профіль плазми є монотонним. Двуполяризаційний інтерферометр було встановлено дуже близько до малого перерізу Е-Е-торсатрону У-3М. Наведено перші результати вимірювань та їх інтерпретацію. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Диагностика плазмы Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry Измерение плотности плазмы в торсатроне У-3М с использованием двуполяризационной интерферометрии Вимірювання густини плазми в торсатроні У-3М з використанням двополяризаційної інтерферометрії Article published earlier |
| spellingShingle | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry Grekov, D.L Tretiak, K.K. Berezhnyj, V.L. Filippov, V.V. Диагностика плазмы |
| title | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry |
| title_alt | Измерение плотности плазмы в торсатроне У-3М с использованием двуполяризационной интерферометрии Вимірювання густини плазми в торсатроні У-3М з використанням двополяризаційної інтерферометрії |
| title_full | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry |
| title_fullStr | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry |
| title_full_unstemmed | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry |
| title_short | Measurements of plasma density in URAGAN-3M torsatron using dual-polarization interferometry |
| title_sort | measurements of plasma density in uragan-3m torsatron using dual-polarization interferometry |
| topic | Диагностика плазмы |
| topic_facet | Диагностика плазмы |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109191 |
| work_keys_str_mv | AT grekovdl measurementsofplasmadensityinuragan3mtorsatronusingdualpolarizationinterferometry AT tretiakkk measurementsofplasmadensityinuragan3mtorsatronusingdualpolarizationinterferometry AT berezhnyjvl measurementsofplasmadensityinuragan3mtorsatronusingdualpolarizationinterferometry AT filippovvv measurementsofplasmadensityinuragan3mtorsatronusingdualpolarizationinterferometry AT grekovdl izmerenieplotnostiplazmyvtorsatroneu3msispolʹzovaniemdvupolârizacionnoiinterferometrii AT tretiakkk izmerenieplotnostiplazmyvtorsatroneu3msispolʹzovaniemdvupolârizacionnoiinterferometrii AT berezhnyjvl izmerenieplotnostiplazmyvtorsatroneu3msispolʹzovaniemdvupolârizacionnoiinterferometrii AT filippovvv izmerenieplotnostiplazmyvtorsatroneu3msispolʹzovaniemdvupolârizacionnoiinterferometrii AT grekovdl vimírûvannâgustiniplazmivtorsatroníu3mzvikoristannâmdvopolârizacíinoíínterferometríí AT tretiakkk vimírûvannâgustiniplazmivtorsatroníu3mzvikoristannâmdvopolârizacíinoíínterferometríí AT berezhnyjvl vimírûvannâgustiniplazmivtorsatroníu3mzvikoristannâmdvopolârizacíinoíínterferometríí AT filippovvv vimírûvannâgustiniplazmivtorsatroníu3mzvikoristannâmdvopolârizacíinoíínterferometríí |