Аннотация результатов, полученных в 2021 году
На токамаке Глобус-М2 установлен дисперсионный интерферометр. Продемонстрирована его работоспособность в реальных экспериментах в разрядах токамака Глобус-М2 с применением систем дополнительного нагрева и генерации безындукционного тока. Выявлены и устранены недостатки в конструкции дисперсионного интерферометра уменьшающие точность измерения. Методом сравнения показаний дисперсионного интерферометра с данными других диагностик, измеряющих плотность плазмы, установлено, что дисперсионный интерферометр правильно работает только при низкой плотности плазмы. При высокой плотности плазмы показания дисперсионного интерферометра не соответствуют показаниям других диагностик. Выяснено, что это связанно с неправильной работой элемента оптической схемы, отвечающего за модуляцию фазы. Куплен новый модулятор, рабочие характеристики которого уже опробованы в похожем интерферометре на стеллараторе W7-X. Создан измерительный модуль дисперсионного интерферометра на основе СО2 лазера, позволяющий проводить измерения интегральной плотности плазмы с разрешением 4*10^11 см^-2 с временной дискретностью 4 мкс. Такие характеристики прибора позволяют использовать результаты его измерений в контурах обратной связи для управления плотностью плазмы. Основными элементами измерительного модуля являются кристаллы аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и узел цифровой потоковой обработки данных, построенный на базе программируемой пользователем вентильной матрицы (FPGA - field-programmable gate array). Реализованный в цифровом узле алгоритм вычисления плотности плазмы основан на гармоническом анализе сигналов интерферометра и является устойчивым к воздействию шумов и изменениям глубины модуляции.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Для регистрации характера поведения плотности плазмы во время разряда и реализации в будущем возможности управления этим параметром на токамаке Глобус-М2 (Санкт-Петербург, Россия) в ИЯФ СО РАН им. Г.И. Будкера был создан дисперсионный интерферометр (ДИ) на основе CO2 лазера с искусственной фазовой модуляцией зондирующего излучения. В качестве прототипа при разработке данного ДИ использовались схемы интерферометров, ранее созданные командой авторов для установок ГДЛ (Новосибирск, Россия) [1] и TEXTOR (Юлих, Германия) [2]. Для регистрации сигналов ДИ и вычисления плотности плазмы был разработан описанный в [3] измерительный модуль. В рамках экспериментальной кампании 2021 года был выявлен ряд существенных недостатков в работе дисперсионного интерферометра (ДИ), которые не позволили производить полноценные измерения электронной плотности и тем более использовать их в контурах управления плотностью плазмы. Причиной такого поведения являлась некорректная работа электрооптических ячеек, которые должны давать приращение фазы пропорциональное приложенному к ним напряжению. В реальности же приращение фазы в этих ячейках зависело от напряжения нелинейно, что приводило к искажениям сигнала детектора и, как следствие, к некорректному исполнению алгоритмов восстановления плотности плазмы измерительным модулем. При этом сама нелинейность была неоднородна по сечению электрооптического кристалла. Замена электрооптических ячеек на новые, изготовленные из кристаллов той же партии, также не повлияла на ситуацию. Все это мотивировало принятие решения о переходе на другой тип модулятора. Кроме этого, при проведении экспериментов было выявлено сильное влияние вибраций уголкового отражателя, закреплённого на вакуумной камере токамака Глобус - М2, на результаты измерений. Причинами этого могут быть неоднородность по сечению пучка нелинейности в модуляции фазы электрооптическими ячейками, наличие в тракте элементов с дисперсией, снос излучения в удвоителе частоты, а также влияние отражённого от уголкового отражателя на длину волны лазера из-за появления паразитной обратной связи. Этот эффект приводил к возникновению на сигнале низкочастотных колебаний. Перечисленные выше недостатки потребовали модернизации как оптического, так и измерительного трактов ДИ. В рамках модернизации ДИ электрооптическая ячейка была заменена на эластооптический модулятор (Hinds Instruments PEM-200 II/ZS50), который представляет собой плоскопараллельную пластину из ZnSe. Эта пластина с помощью двух пьезоэлектрических элементов, установленных на противоположных гранях пластины, сжимается и растягивается в одном направлении. При такой деформации изначально изотропный кристалл ZnSe становится анизотропным для излучения и показатель преломления для первой и второй гармоники становится разным. Это даёт дополнительный набег фазы между интерферирующими на детекторе лучами второй гармоники. К пьезоэлектрическим элементам приложено синусоидальное напряжение с частотой 50 кГц. Это даёт возможность реализовать надёжный алгоритм восстановления фазы, который идентичен алгоритму, применённому при работе с электрооптической ячейкой [3]. Частота модулирующего сигнала в новом модуляторе в пять раз меньше, чем в предыдущем, что вполне приемлемо для токамака Глобус-М2. Источником этого сигнала в модернизированной версии ДИ является контроллер эластооптического модулятора. С целью исключения влияния вибраций вакуумной камеры на результаты измерений, уголковый отражатель был размещён на отдельной стойке, механически изолированной от вакуумной камеры токамака. Необходимость модернизации измерительного модуля была в основном обусловлена переходом на новый тип модулятора. В рамках этой процедуры, помимо необходимости замены источника модулирующего сигнала и изменения частоты последнего, учитывались недостатки, выявленные в процессе испытаний предыдущей версии ДИ: - ввиду больших потерь на элементах оптического тракта амплитуда сигнала фотодетектора оказалась практически в 10 раз меньше, чем предполагалось. Все это приводило к уменьшению разрешающей способности измерительного модуля и большей погрешности при вычислении плотности плазмы; - недостаточный объем памяти для записи «сырых» сигналов фотодетектора в осциллографическом режиме не позволял записывать полный объем данных за один разряд. Это в итоге не позволяло полноценно контролировать и отлаживать работу алгоритмов восстановления плотности. В состав нового измерительного модуля включены: 1) усилители с программно-управляемым коэффициентом усиления (PGA), согласующие диапазоны изменения сигнала фотодетектора и модулятора по амплитуде с амплитудной шкалой измерительных трактов; 2) приемник поступающего от контроллера эластооптического модулятора синхросигнала с частотой 50 кГц, а также генератор с фазовой автоподстройкой частоты (PLL), формирующий опорный синхросигнал (51.2МГц), задающий частоту дискретизации АЦП; 3) цифровой узел на основе программируемой вентильной матрицы (FPGA) семейства CycloneV с интегрированным процессорным ядром (ARM-9), работающим под управлением ОС Linux, ОЗУ (DDR3) объемом 1 Гбайт и контроллером канала связи Ethernet-1000; 4) контроллер памяти с буферным FIFO, обеспечивающий запись в режиме прямого доступа в ОЗУ процессора «сырых» данных, поступающих от АЦП в режиме реального времени на временном интервале длительностью до 10 сек; 5) контроллер для управления плотностью плазмы на основе ПИД регулятора, взаимодействующий по последовательному каналу связи с выносным модулем управления пьезоэлектрическим клапаном напуска газа. Он ориентирован на формирование в токамаке Глобус-М2 заданного оператором характера изменения плотности плазмы во время разряда. ДИ в конфигурации с эластооптическим модулятором перед измерениями на Глобус-М2 был откалиброван с помощью подвижного клина, установленного в области прямого и обратного лучей, пересекающих плазму. Калибровка показала совпадение результатов измерений и расчетов в пределах неопределённости ожидаемого сдвига по фазе. Ошибка измерения абсолютного значения фазового сдвига составила менее 2,5%. На сегодняшний день ДИ является полноценной частью диагностического комплекса токамака Глобус-М2 и позволяет в реальном времени получать надежные данные об абсолютной величине электронной плотности плазмы во всех режимах работы установки. Размах шумовой компоненты при измерениях линейной плотности не превышает <nl>min ≈ 6×10^12 см^-2 при временном разрешении в 20 мкс. В модернизированной версии измерительного модуля реализована возможность управления клапаном для инжекции газа в вакуумную камеру токамака в процессе рабочего импульса с целью планируемого в дальнейшем построения системы с обратной связью для управления плотностью плазмы, используя ДИ в качестве детектора. [1]. Соломахин А.Л., Багрянский П.А., Воскобойников Р.В., Зубарев П.В., Квашнин А.Н., Лизунов А.А., Максимов В.В., Хильченко А.Д. Дисперсионный интерферометр на основе CO2 лазера. – Приборы и техника эксперимента, 2005, N5, с. 96-106. [2]. Dreier H., Bagryansky P., Baumgarten N., Biel W., Lambertz H. T., Lehnen M., Lizunov A., Solomakhin A. First results from the modular multi-channel dispersion interferometer at the TEXTOR tokamak. – Review of Scientific Instruments, 2011, 82, 063509 [3]. Иваненко С.В., Гринемайер К.А., Пурыга Е.А., Квашнин А.Н., Багрянский П.А. Измерительный модуль дисперсионного интерферометра на основе СО2 лазера для управления плотностью плазмы. – ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2022, т. 45, вып. 1, с.67 - 78

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1. Была создана системы автоматического контроля и управления элементами и режимами работы дисперсионного интерферометра (ДИ). 1.1. На основе свободно программируемого контроллера ADAM-5510E/TCP с набором аналоговых и цифровых модулей ввода/вывода была создана аппаратура системы управления ДИ 1.2. Было создано трехуровневое программное обеспечение (ПО) системы управления ДИ: - нижний уровень: ПО контроллера ADAM-5510; - средний уровень: ПО фазометра; - верхний уровень: управляющие программы на ПК. 1.3. За год эксплуатации ДИ на установке Глобус-М2 система управления показала хорошие уровни надежности, стабильности и помехоустойчивости. 2. Была разработана схема с обратной связью для контроля плотности плазмы в камере токамака Глобус-М2, использующая результаты измерений дисперсионного интерферометра для формирования сигналов управления пьезоэлектрическим газовым клапаном. 2.1. Был разработан алгоритм управления плотностью плазмы на основе пропорционально-интегрально-дифференцирующего (ПИД) регулятора. Алгоритм был написан в среде Quartus на языке описания аппаратуры Verilog и реализован в цифровом узле измерительного модуля дисперсионного интерферометра, основой которого является программируемая вентильная матрица с интегрированным процессорным ядром. Данный алгоритм выполняет сравнение реального сигнала плотности плазмы, вычисленного измерительным модулем ДИ, с опорным сигналом, заданным оператором, описывающим характер изменения плотности плазмы во время разряда. На основании полученного сигнала ошибки и формирования из него пропорциональной, интегральной и дифференциальной компонент, контроллер формирует сигнал управления пьезоэлектрическим клапаном. 2.2. Был реализован и отлажен алгоритм передачи/приема данных по оптоволоконной линии связи от измерительного модуля к модулю управления клапаном. 2.3. Был внесен дополнительный функционал в работу программного обеспечения, позволяющий задавать опорные значения плотности плазмы и параметров ПИД-регулирования (период и коэффициенты). 3. Для проверки работы схемы с обратной связью в ИЯФ СО РАН была реализована система управления плотностью газа в камере вакуумного стенда, где в качестве детектора использовался датчик давления газа ионизационного типа, в качестве процессора – контроллер плотности плазмы на основе ПИД регулятора, реализованный в цифровом узле измерительного модуля ДИ, а в качестве актуатора – модуль управления пьезоэлектрическим клапаном и сам клапан. 3.1. Был создан вакуумный стенд с системой инжекции водорода на основе пьезоэлектрического клапана. Была выполнена наладка вакуумного стенда, демонстрация отсутствия вакуумных течей и демонстрация давления остаточного газа не хуже 10^-3 ПА. 3.2. Была выполнена разработка, монтаж и настройка импульсного измерителя давления газа на основе датчика ионизационного типа с быстродействием не хуже 100 микросекунд. 3.3. Был реализован дополнительный режим работы измерительного модуля, позволяющий осуществлять контроль давления в камере. В этом режиме на вход измерительного модуля подается сигнал с датчика давления, по каналу Ethernet происходит задание опорное значения давления и параметров ПИД-регулирования, а в память записываются текущие измерения давления в осциллографическом режиме и сигнал сформированный для управления клапаном. 4. Были проведены успешные испытания системы с обратной связью для контроля давления в камере вакуумного стенда и получен устойчивый режим ее работы с учетом временных характеристик пьезоэлектрического клапана и тракта инжекции газа в вакуумную камеру стенда. 5. Была проведена первая серия экспериментов по управлению плотностью плазмы в токамаке Глобус-М2 с помощью газонапуска в вакуумную камеру токамака под управлением дисперсионного интерферометра. 5.1. Был выполнен монтаж и подключение системы управления плотностью плазмы. 5.2. Была проведена предварительная серия экспериментов по проверке адекватности работы алгоритма ПИД-регулирования в реальных условиях без подключения обратной связи. 5.3. Была проведена первая серия экспериментов по управлению плотностью плазмы в токамаке с оценкой задержек транспортного тракта инжекции газа в камеру токамака и предварительных параметров ПИД-регулирования. 5.4. По результатам первой серии экспериментов, была показана принципиальная возможность управления плотностью плазмы в токамаке Глобус-М2 при помощи ДИ. 6. По результатам предварительной серии экспериментов была проведена оптимизация модулей системы управления плотностью плазмы. 6.1. Были внесены схемотехнические изменения в модуль управления клапаном, связанные с дополнительной защитой для принудительного закрытия клапана по окончании регулирования. 6.2. Были внесены дополнительные изменения в алгоритм работы контроллера плотности плазмы на основании анализа зарегистрированных сигналов плотности плазмы. 6.3. Были внесены дополнительные отладочные режимы работы, с возможностью записывать и просматривать сигналы на входе и выходе модуля управления клапаном.