Development of Interferometer System for Versatile Experiment Spherical Torus (VEST)

Abstract

서울대학교 다목적 실험용 구형 토러스 (VEST) 장치의 플라즈마 밀도를 측정하기 위한 마이크로파 간섭계 시스템이 개발되었다. VEST의 초기 운전은 주로 중심축의 수직 끝에 설치된 두개의 부분 솔레노이드 코일을 이용한 double null merging 스타트업을 중심으로 하게 된다. 밀도 분포의 변화는 이 장치의 플라즈마 특성을 알기 위해 진단되어야 할 중요한 특성이다. 본 간섭계 시스템은 수평면의 선적분된 플라즈마 밀도를 각각의 동일한 조건의 운전마다 수직으로 움직이면서 측정하도록 설계되었고, 94 GHz 주파수의 마흐 젠더 타입의 헤테로다인 단채널 간섭계와 빔 포커싱 시스템이 실제로 설치되었으며 테스트가 이루어졌다. 본 간섭계 시스템은 94 GHz 헤테로다인 마이크로파 시스템과 빔 포커싱 시스템으로 구성되어 있다. 94 GHz의 주파수는 컷오프 주파수, 측정 밀도의 분해능, 진동 및 굴절에 의한 영향을 고려하여 결정되었다. 이 마이크로파 시스템은 마이크로파를 입사하고 위상 이 변화된 빔을 수신하여 전기 회로 상에서 플라즈마 밀도를 측정할 수 있는 신호를 생성한다. IF 주파수는 60 MHz 정도로 설정되었으며, 두 개의 믹서에서 나오는 신호의 위상차는 위상 비교회로에 전송되어 위상차에 비례하는 전압 신호를 생성하게 된다. 또한 준광학계 가우시안 빔 경로 분석에 따라, 빔의 초점을 맞추고 반사를 가능하게 하여 효율적인 빔 수신 및 공간 분해능을 증가시키는 빔 포커싱 시스템이 설계되었다. 단채널 시스템의 경우 평면-곡면의 구형 렌즈 한 쌍과 오목의 원형 거울로 설계되었다. 그리고 수직 스캔 측정의 경우 두 쌍의 평면-곡면의 실린더형 렌즈 두 쌍과 오목의 실린더형 거울로 구성하여 설계되었다. 이어서 단채널 시스템 측정을 위해 설계된 빔 포커싱 시스템과 빔 경로 분석이 실제 진공 용기와 같은 크기를 갖는 실험 조건에서 실험적으로 확인되었다. 광학 부품들 사이의 최적 거리와 빔 경로를 따른 빔 반경 측정 결과는 가우시안 광학에 따라 분석된 결과와 잘 일치한다. 실험과 수치적 계산 결과를 통해 설계된 빔 포커싱 시스템이 시스템의 공간 분해능을 20 mm 이상으로 높이게 되며, 또한 최소 빔 반경 지점이 플라즈마 중심에 위치하게 되어 플라즈마에서의 위상 변화를 더욱 효과적으로 생성할 수 있다. 이러한 실험에 기초하여, 수평면의 단채널 구조가 VEST의 상부 용기에 설치되었다. 구성 부품 테스트를 통해 빔 포커싱 시스템 정렬이 최적화 되었으며 굴절률이 알려진 물질을 통해 위상 변화를 시험해 본 결과 이론적으로 예측되는 값과 일치하는 것을 확인했다. 또한, ECH 전이온화 실험에 대한 측정이 이루어졌으며, 그 결과 값이 트리플 프로브의 측정 결과 값과 비교되었다. 플라즈마 전자 밀도가 측정된 선적분된 밀도 값에서 추정되었으며, 그 값은 트리플 프로브의 결과와 거의 일치함을 보였다. 이 논문에서 개발된 단채널 간섭계 시스템은 VEST의 스타트업 단계에서 플라즈마의 선적분된 밀도값을 측정하는 데에 쓰일 것이며, 근 시일 내에 수직 스캐닝이 가능한 완전한 간섭계 시스템의 제작이 완료되어 플라즈마 밀도 분포 측정을 가능하게 할 것이다.

A microwave interferometer system has been developed to measure plasma densities of Versatile Experiment Spherical Torus (VEST) at Seoul National University. Initial operation of the VEST will focus on double null merging start-up schemes using two partial solenoid coils installed at both vertical ends of a center stack. In order to understand plasma behaviors of this machine, evolution of density profiles is an important plasma parameter to be diagnosed. The interferometer system to measure line-integrated plasma densities at several horizontal planes by moving vertically in repeating identical shots is designed, and a single chord interferometer system in Mach-Zehnder type is constructed and tested as a first step by developing a 94GHz heterodyne microwave system and a relevant beam focusing system. The interferometer system comprises 94GHz heterodyne microwave system and beam focusing system. The frequency of 94GHz has been chosen in the consideration of cutoff frequency, resolution of measurement, vibration effect and refraction effect. The microwave system injects microwave beams, receives phase-shifted beams, and generates output signals to measure the plasma density with electronic circuits. Two 94 GHz Gunn Oscillators are used in a heterodyne Mach-Zehnder type configuration. IF frequency is set to about 60MHz, and the phase difference of signals from two mixers will be transmitted to phase comparator, which generates voltage signal in proportion to the phase shift. According to quasi-optical Gaussian beam path analysis, beam focusing systems which can focus and reflect the beam for effective beam reception and enhanced spatial resolution are designed. A beam focusing system with a pair of plano-convex spherical lenses and a concave spherical mirror is designed for a single chord measurement, and another system with two pairs of plano-convex cylindrical lenses and a concave cylinder mirror is designed for the interferometer system with vertical moving measurement capability. The design of the beam focusing system and the beam path analysis for the single chord measurement are experimentally verified where an experimental test bed is built with real dimensions of a vacuum vessel. Optimum distances between the optical components and the beam radii along the beam path obtained from the experiments are in good agreements with the beam path analysis using the Gaussian optics. Both experiments and numerical calculations confirm that the designed beam focusing system maximize the spatial resolution of the measurement to the value of 20 mm

moreover, the beam waist is located at the center of the plasma to generate a phase shift more effectively in plasmas. Based on these preliminary experiments, the horizontal single chord configuration is installed on the upper chamber of the VEST. Component testing has been done to optimize the alignment of the beam focusing system and to test phase shift with a material of known refractive index, of which results show a good agreement with theoretically predicted phase shift value. Also, real plasma measurements in ECH pre-ionization experiment are performed with triple probe measurements. Plasma electron densities are estimated from the measured line-integrated density, showing good agreements with triple probe measurements. The single chord interferometer system developed in this thesis is expected to be used in the measurements of line integrated plasma densities during the start-up phase of VEST, and a full interferometer system with vertical moving measurement capability will be completed in near future for the measurement of plasma density profiles.