УДК 621.317 ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СТАЦИОНАРНОЙ ПЛАЗМЫ ИСТОЧНИКА ИОНОВ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ

УДК 621.317
ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ СТАЦИОНАРНОЙ ПЛАЗМЫ ИСТОЧНИКА ИОНОВ
СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ИНТЕРФЕРОМЕТРОМ
Д.А.Нагорный*; А.Г.Нагорный*, канд. техн. наук, ст. научн. сотр.;
В.И.Возный*, научн. сотр.; Г.С.Воробьев**, проф.
* Институт прикладной физики НАН Украины
** CумГУ
Высокочастотные источники ионов продолжают широко применяться в ускорительной технике, ионных
имплантерах и других физических установках. Совершенствованию характеристик таких источников в
последнее время уделяется много внимания. Одним из основных параметров, которые необходимо измерять
в установках по исследованию ВЧ источников, является электронная плотность плазмы газового разряда.
Традиционным методом измерения плотности плазмы на установках самого различного назначения
является
сверхвысокочастотная
(СВЧ)
интерферометрия.
Техника
СВЧ интерферометрии получила значительное развитие применительно к исследованию импульсных
плазменных процессов, что связано со спецификой установок по исследованию управляемого
термоядерного синтеза [1]. Многие из разработанных схем СВЧ интерферометров пригодны для измерения
плотности стационарной плазмы. Среди известных схем наиболее совершенными являются интерферометры
с измерением фазы на пониженной (промежуточной) частоте. Наибольшее распространение получили
интерферометры с гомодинным преобразованием частоты, использующие модуляцию частоты
СВЧ генератора по пилообразному закону и неравноплечный волноводный мост. Среди этой разновидности
схем наилучшими характеристиками обладают интерферометры, использующие для формирования
опорного сигнала промежуточной частоты дополнительный (опорный) волноводный мост [2]. Благодаря
такому техническому решению разность фаз опорного и измерительного сигналов практически не зависит
от изменений несущей частоты СВЧ генератора, поэтому такой интерферометр хорошо подходит для
диагностики стационарной плазмы.
Следует отметить, что в упомянутых схемах интерферометров неравноплечный волноводный мост
измерительного канала образуется естественным образом, поскольку СВЧ схему интерферометра обычно
располагают на удалении от экспериментальной установки. Длина волноводной линии измерительного
канала, соединяющей интерферометр с антеннами на плазменной установке, достигает 10 м и более [3].
Такую же разность плеч волноводных линий приходится обеспечивать в опорном волноводном мосте. Это
неизбежно связано с увеличением габаритов прибора, дополнительным расходом волноводной трубки,
возрастанием потерь мощности СВЧ сигнала.
Описанный ниже интерферометр лишен отмеченных недостатков, поскольку не
содержит дополнительного волноводного моста. Вместе с тем схема обладает высокой
стабильностью начальной разности фаз, не уступающей схемам с опорным волноводным
мостом, благодаря использованию формирователя опорного сигнала промежуточной
частоты оригинальной конструкции [4].
Блок-схема интерферометра представлена на рисунке 1. Работает интерферометр следующим образом.
Сигнал СВЧ с длиной волны 8мм от генератора Г, частота которого модулируется генератором
пилообразного напряжения ГПН, последовательно проходит направленные ответвители НО1 и НО2,
длинную волноводную линию, антенную систему А, исследуемую плазму и поступает на двойной
волноводный тройник ДВТ. Сигнал из бокового плеча НО 2 через аттенюатор АТ и фазовращатель Ф
поступает
на
второй
вход
ДВТ.
Оба
сигнала
смешиваются
на
СВЧ детекторе Д2. Второй выход ДВТ нагружен на согласованную нагрузку СН2.
Элементы, включенные после НО2, образуют "классический" измерительный неравноплечный
волноводный мост. Сигнал промежуточной частоты образуется на детекторе Д2 в результате запаздывания
СВЧ сигнала в длинном плече по отношению к короткому. С другой точки зрения неравноплечный
волноводный мост вместе с детектором Д2 можно рассматривать как частотный дискриминатор (детектор)
сверхвысокочастотного сигнала. Амплитудно-частотная характеристика его имеет вид синусоидальной
функции. При достаточной величине девиации частоты СВЧ сигнала во время прямого хода,
модулирующего напряжения на детекторе Д2, наблюдаются колебания в виде отрезка синусоиды. При
правильном выборе размаха напряжения модулирующей "пилы" колебания образуют близкий к
синусоидальному сигнал, первая гармоника которого и используется в качестве сигнала промежуточной
частоты. Необходимо подчеркнуть, что при неизменной разности плеч моста каждая точка синусоидальной
характеристики однозначно связана с мгновенным значением частоты СВЧ генератора. И как следствие,
фаза сигнала промежуточной частоты связана с несущей частотой генератора.
Рисунок 1 – Блок-схема СВЧ интерферометра:
Г - СВЧ генератор; ГПН - генератор пилообразного напряжения;
НО1, НО2 – направленные ответвители; Д1, Д2 – СВЧ детекторы;
ОР - объемный резонатор; СН1, СН2 – согласованные нагрузки; АТ - аттенюатор;
Ф – фазовращатель; ДВТ – двойной волноводный тройник; А – антенная система
Для формирования опорного сигнала промежуточной частоты в схеме используется
направленный ответвитель НО1, объемный резонатор ОР и СВЧ детектор Д1. Объемный
резонатор включен по проходной схеме и его выход нагружен на согласованную нагрузку
СН1. Настраивают ОР так, чтобы резонансная частота рабочего типа колебаний была
близка к несущей частоте СВЧ генератора. Тогда на детекторе Д1 во время каждого
прямого хода "пилы" будет наблюдаться импульс, форма которого определяется
резонансной кривой ОР. При неизменной настройке ОР максимумы колебаний на
детекторе Д1 однозначно соответствуют определенному мгновенному значению частоты
СВЧ генератора. Импульсы на Д1 следуют с частотой модулирующей "пилы". Выделив
первую гармонику этого сигнала с помощью полосового усилителя, получают опорный
сигнал промежуточной частоты.
Как было отмечено выше, фазы измерительного и опорного сигналов в отсутствие
плазмы однозначно определяются мгновенными значениями частоты СВЧ генератора. Это
означает, что разность фаз этих сигналов не зависит от медленных изменений несущей
частоты СВЧ сигнала. Важно только, чтобы уходы частоты были менее величины
пилообразной девиации, иначе объемный резонатор перестанет давать отклик и опорный
сигнал не будет сформирован.
Описанный выше интерферометр был разработан для измерения электронной
плотности стационарной плазмы высокочастотного источника ионов [5]. Плазменная
камера источника представляет собой стеклянный цилиндр диаметром 25 мм. Доступ к
камере возможен со стороны образующей цилиндра вдоль его диаметра. Ожидаемая
средняя плотность плазмы находилась в пределах от 1011 до 5∙1012 см-3 в зависимости от
режима работы источника. Выбранная рабочая частота СВЧ генератора (37,5 ГГц) с
запасом обеспечила выполнение условия прозрачности плазмы и позволила с
приемлемыми потерями провести пучок излучения через камеру установки. Ввиду
небольшого размера плазмы расчетные фазовые сдвиги оказались сравнительно малыми –
примерно от 3 до 40 градусов. Это предъявляло достаточно жесткие требования к
стабильности начальной разности фаз опорного и измерительного сигналов и во многом
определило выбор схемного решения интерферометра.
В качестве источника СВЧ излучения нами использован генератор сигналов Г4-141,
работающий на частоте 37,5 ГГц. Этот генератор построен на основе лампы обратной
волны и позволяет осуществлять узкополосную частотную модуляцию с минимальным
уровнем паразитной амплитудной модуляции. Частота пилообразного модулирующего
напряжения выбрана равной 20 кГц, соответственно такую же величину имеет и
промежуточная частота. Разность плеч измерительного волноводного моста в нашем
случае составила 3,6 м. Это определило размах пилообразной частотной модуляции СВЧ
генератора –
около 100 МГц.
В тракте формирования опорного сигнала промежуточной частоты использован
цилиндрический объемный резонатор волномера ЧР-02 (от генератора ГЧ-115). Все
элементы СВЧ тракта интерферометра выполнены на основе прямоугольного волновода
сечением 7,2х3,4 мм2. Антенная система состоит двух конических рупорных антенн с
диаметром раскрыва около 10 мм.
Блок электроники включает:
-усилители промежуточной частоты опорного и измерительного сигналов;
-схемы выделения переходов через нуль и формирователи сигналов типа меандр уровня
ТТЛ;
-фазовый детектор триггерного типа, измеряющий разность фаз измерительного и
опорного сигналов.
Усилители промежуточной частоты представляют собой резонансные усилители на
частоту 20 кГц с полосой пропускания +2 кГц и коэффициентом усиления около 100.
Такие усилители эффективно выделяют первую гармонику сигналов с СВЧ детекторов и
обеспечивают работу интерферометра при значительном затухании СВЧ сигнала в плазме.
Схемы выделения переходов через нуль построены на основе интегральных
компараторов. Сигналы на их выходах принимают вид симметричных импульсов с
крутыми фронтами.
Фазовый детектор представляет собой RS-триггер, переключаемый сигналами
измерительного и опорного каналов. На его выходе получаются следующие с частотой 20
кГц импульсы, длительность которых пропорциональна измеряемой разности фаз.
Однозначно измеряется фазовый сдвиг от 0 до 3600. Имеются аналоговый и цифровой
выходы. Последний используется для связи с компьютером.
Технические параметры интерферометра: рабочая длинна волны 8 мм, диапазон
однозначно измеряемых сдвигов фазы от 1,5 до 360 градусов; допустимое затухание
мощности сигнала в плазме - не менее 16 дБ; относительная погрешность измерения фазы
- не более 5%.
Разработанный интерферометр успешно эксплуатируется в составе диагностического
комплекса установки по исследованию высокочастотного источника ионов, упомянутого
выше. На рисунке 2 представлены типичные экспериментальные зависимости средней
плотности плазмы от величины вкладываемой ВЧ мощности. Рисунок 2а соответствует
случаю аргоновой плазмы при давлениях аргона 0,3 Па и 1 Па. На рисунке 2б представлены
аналогичные зависимости для водородной плазмы.
Рисунок 2 – Зависимость плотности аргоновой (а) и водородной (б) плазмы высокочастотного источника ионов от величины
вкладываемой мощности
Интерферометр может быть применен также для измерения плотности плазмы
импульсного разряда с максимальной плотностью менее 1013 см-3, а также для измерения
параметров диэлектриков на сверхвысоких частотах. Описанный способ формирования
опорного сигнала промежуточной частоты может быть применен практически на любой
частоте СВЧ диапазона. В качестве открытого резонатора с успехом можно использовать
волномер на соответствующую длину волны.
SUMMARY
An 8-mm microwave interferometer with frequency conversion for plasma density measurements has been constructed and tested for plasma
of RF ion source. In this interferometer a new method for reference intermediate frequency signal shaping is used. It consists in microwave
resonator (wave meter) using. In this case interferometer has vary high long-time phase stability.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.
2.
3.
Душин Л.А. СВЧ интерферометры для измерения плотности плазмы в импульсном газовом разряде. - М.: Атомиздат, 1973. – 128 с.
Малых Л.Я., Малых Н.И., Ямпольский Е.С. Трехканальный СВЧ-фазометр // В кн.: Диагностика плазмы. - М.: Атомиздат, 1968. Вып.2. – С. 253-257.
Малых Н.И., Ямпольский Е.С., Гаранжа И.Н. и др. Трехканальный интерферометр 2 мм диапазона для измерения плотности
плазмы // Приборы и техника эксперимента. - 1983. - №5. - С.144.
4.
5.
Заявка на изобретение №20040402872 от 20 апреля 2004 г. Приоритетная справка Государственного департамента
интеллектуальной собственности, Украина.
Возный В.И., Мирошниченко В.И., Мордик С.Н. и др. Экспериментальная установка для тестирования ВЧ-источников ионов //
Вопросы атомной науки и техники. Серия Плазменная электроника и новые методы ускорения. – 2003. - №4(3). – С. 284-287.
Поступила в редакцию 18 мая 2004 г.