Publication: Metodología para el diseño de diagnósticos interferométricos de alta resolución espacial para la medida de perfiles de densidad electrónica en plasmas de fusión: el interferómetro heterodino de haz expandido y de dos longitudes de onda del Stellarator TJ-II
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Publication date
2011-09
Defense date
2011-11-25
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Abstract
Este trabajo de tesis doctoral desarrolla una metodología para el diseño de
diagnósticos interferométricos multicanal para la medida de perfiles de densidad
electrónica de alta resolución espacial en plasmas de fusión confinados
magnéticamente y su validación a través del diseño de un diagnóstico para el
stellarator TJ-II.
A mediados del siglo XX surge la fusión termonuclear como una solución y
alternativa a los problemas que se derivan del uso de los combustibles fósiles como
fuentes de energía. Para obtener una reacción de fusión termonuclear entre deuterio y tritio (combustibles típicos en este tipo de fusión) se necesita alcanzar muy altas temperaturas y ser confinada en un tiempo específico. En dispositivos de fusión por confinamiento magnético (tokamak y stellarator), al alcanzar estas temperaturas la materia se convierte en plasma y dicha reacción es controlada mediante fuertes
campos magnéticos. Para estudiar el comportamiento del plasma confinados
magnéticamente existen varios diagnósticos, entre ellos las técnicas interferométricas. Podemos determinar la densidad electrónica local del plasma a través del desfase que introduce el plasma a una onda electromagnética cuando lo atraviesa en un punto concreto Para obtener un control total sobre la evolución temporal y espacial de la
densidad electrónica obteniendo así información sobre diferentes fenómenos
relacionados con el transporte de energía y partículas se debe iluminar el plasma en
varios puntos muy próximos entre sí simultáneamente para obtener un perfil de
densidad de alta resolución espacial. Por ello, surgen los sistemas interferométricos
multicanal entre los que cabe destacar los interferómetros de haz expandido que
iluminan el plasma con un solo haz de medida y poseen mayor resolución que los sistemas interferométricos de haces discretos.
Los interferómetros de haz expandido presentan varios inconvenientes. Desde el punto de vista de diseño, no es trivial el diseño del brazo de medida ya que depende de las dimensiones de los accesos que poseen los dispositivos de fusión así como la propagación de los haces desde la mesa óptica donde están las fuentes láser
hasta el interior del dispositivo. Por tanto, el uso de programas de diseño óptico
permite simular y posteriormente diseñar complejos brazos de medida a priori antes
de la instalación del interferómetro.
Desde el punto de vista instrumental, existen varias fuentes de error que
perjudican la obtención de la medida de densidad electrónica como son la pobre
calidad del frente de onda del haz expandido de medida, los niveles de crosstalk
óptico y electrónico asociados a la electrónica y a los elementos fotodectores
empleados en la medida y muestreo del frente de fase interferencial, las variaciones
de fase espurias debidas a las vibraciones mecánicas presentes en el entorno del
dispositivo de fusión y el propio interferómetro, y la posterior aplicación de métodos
de interpolación para la reconstrucción de dicho frente de fase y cancelación de las
variaciones de fase debidas a dichas vibraciones mecánicas. Para la calibración de la
calidad del frente de onda heterodino, la evaluación del crosstalk y el estudio de
métodos de interpolación para la reconstrucción de frentes de fase se diseñó un
interferómetro homodino/heterodino de haz expandido de He-Ne (0.633μm). En
dicho esquema interferómetrico se utilizó un detector de fase multicanal basado en
demodulación I/Q de alta precisión en la medida de fase.
Posteriormente se traslada este estudio a un interferómetro heterodino de haz
expandido de dos longitudes de onda CO2/He-Ne (10.6 μm/0.633μm) para validar
esta metodología extendida a un sistema con dos longitudes de onda y evaluar la
capacidad de sustracción de variaciones de fase debidas a las vibraciones mecánicas.
El diseño de este prototipo interferométrico ha sido diseñado mediante el programa
de diseño óptico Zemax. Además, se ha diseñado en colaboración con la empresa
Vigo System un array fotolvotaico de 32 elementos para la medida del frente de
onda interferencial de CO2.
Tras la validación de la metodología de diseño para este tipo de
interferómetros, se diseña y se instala un interfrómetro heterodino de haz expandido
de CO2/Nd:YAG (10.6 μm/1.064μm) en el stellarator TJ-II (LFN-CIEMAT) con 17
líneas de visión y 3mm de resolución espacial en el plasma. Para ello, previamente
se ha simulado mediante el programa Zemax permitiendo controlar la propagación
de los haces a lo largo de ambos brazos del interferómetro. La mayoría de los
elementos ópticos, así como sus monturas, han sido diseñados a medida debido a las
especificaciones de nuestro diseño. Además se presenta el detector de fase
multicanal, los sistemas de detección que se emplean para la medida de los frentes
de onda interferenciales para ambas longitudes de onda y la etapa de
acondicionamiento de señal previa al detector de fase.
Por último, se presenta los resultados experimentales obtenidos tras la
instalación de este sistema interferométrico durante los meses de Junio-Noviembre
de 2010 y las conclusiones finales obtenidas tras este trabajo de tesis.
Description
Keywords
Interferometría, Diagnósticos interferométricos multicanal, Plasmas de fusión, Stellarator TJ-II