Интерферометрия и поляриметрия

Интерферометрия — это метод измерения параметров плазмы на основе анализа изменения фазы электромагнитного излучения, проходящего через среду. Основной принцип заключается в том, что прохождение света через плазму с плотностью электронов ne приводит к фазовому сдвигу:

$$ \Delta \phi = \frac{e^2}{2 \pi \varepsilon_0 m_e c f} \int n_e \, dl, $$

где e — заряд электрона, ε0 — диэлектрическая постоянная, me — масса электрона, c — скорость света, f — частота излучения, интеграл берется по длине луча через плазму.

Фазовый сдвиг пропорционален интегральной плотности электронов вдоль траектории луча. Это позволяет определять пространственные распределения плотности с высокой точностью, особенно в экспериментах на токамаках и стеллараторах.

Важные аспекты интерферометрии:

  • Выбор длины волны: Обычно используют инфракрасное или миллиметровое излучение, чтобы минимизировать влияние поглощения и рассеяния на лазерном луче.
  • Схемы интерферометров: Применяются различные конфигурации — Маха–Цендера, Фабри–Перро, гетеродинные и поляризационные схемы.
  • Разрешение и шум: Разрешение интерферометра зависит от длины волны и стабильности лазера. Для уменьшения шумов используют частотно-модулированные лазеры и цифровую обработку сигналов.

Поляриметрия и измерение тока в плазме

Поляриметрия основана на эффекте Фарадея — вращении плоскости поляризации электромагнитной волны при прохождении через магнитизированную плазму. Угол вращения θF определяется формулой:

$$ \theta_F = \frac{e^3}{8 \pi^2 \varepsilon_0 m_e^2 c^3 f^2} \int n_e B_\parallel \, dl, $$

где B∥ — компонент магнитного поля вдоль направления луча. Измерение угла Фарадея позволяет:

  • Определять токовые профили в токамаках.
  • Восстанавливать распределение магнитного поля внутри плазменного столба.

Ключевые моменты поляриметрии:

  • Выбор длины волны: чем длиннее волна, тем больше угол вращения, но возрастает чувствительность к шуму.
  • Комплексные схемы: современные установки используют многолучевые поляриметры с одновременным измерением нескольких проходов через плазму.
  • Синхронизация с интерферометрией: сочетание интерферометрических и поляриметрических измерений позволяет разделять влияние плотности и магнитного поля.

Синтез интерферометрии и поляриметрии

Современные диагностические системы используют комбинированные подходы, где один лазерный луч одновременно выполняет функцию интерферометра и поляриметра. Это позволяет:

  • Получать одновременные карты плотности и тока в плазме.
  • Минимизировать погрешности, связанные с турбулентностью и флуктуациями плазмы.
  • Использовать алгоритмы томографической реконструкции для восстановления пространственного распределения параметров.

Технические аспекты и алгоритмы обработки данных

  1. Детекторы и сенсоры: Используются высокочувствительные фотодиоды, CCD-матрицы, микроволновые детекторы для разных диапазонов излучения.
  2. Синхронизация с пульсом плазмы: В экспериментах с импульсной плазмой (например, в токамаках) необходимо синхронизировать измерения с точными моментами времени для уменьшения артефактов.
  3. Цифровая обработка: Применяются фильтры Фурье, алгоритмы фазовой разности, методы обратной томографии для построения двумерных и трехмерных профилей плотности и магнитного поля.
  4. Коррекция влияния турбулентности: Используются многолучевые системы, позволяющие учитывать колебания плотности и компенсировать дрейф фаз.

Применение в экспериментах термоядерного синтеза

Интерферометрия и поляриметрия являются ключевыми методами диагностики плазмы в токамаках, стеллараторах и инерциально-ограниченных системах. Их применение позволяет:

  • Определять эффективность нагрева плазмы и профили плотности.
  • Изучать стабильность магнитной конфигурации и возникновение токовых каналов.
  • Контролировать градиенты плотности, что важно для подавления макроскопических нестабильностей (например, мода m = 1, m = 2).
  • Верифицировать теоретические модели транспорта частиц и энергии в плазме.

Ограничения и перспективы

  • Длинноволновые лазеры увеличивают чувствительность, но снижают пространственное разрешение.
  • Турбулентность плазмы и отражения от стенок могут создавать шумы и ложные сигналы.
  • Перспективные направления: использование когерентных источников с частотной модуляцией, многолучевые поляриметрические системы с алгоритмами машинного обучения для анализа больших объемов данных.

Эти методы остаются неотъемлемым инструментом диагностики для создания стабильной и управляемой термоядерной плазмы, что критически важно для разработки реакторов будущего.

Оглавление