KR101647063B1 - 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템 - Google Patents

다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템 Download PDF

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윤승현
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Abstract

본 발명은 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 관한 것이다. 상기 플라즈마 진단 시스템은, 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스를 이용하여, 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 플라즈마로 제공하는 광학계; 상기 광학계로부터 제공된 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 집속되었을 때 플라즈마에서 산란된 제1 집광 신호를 측정하고, 상기 광학계로부터 제공된 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 집속되었을 때 플라즈마에서 여기된 제2 집광 신호를 측정하는 집광계; 및 상기 집광계에 의해 측정된 제1 및 제2 집광 신호들을 이용하여, 플라즈마에 대한 톰슨 산란 신호를 측정하는 제어부;를 구비하고, 상기 제1 집광 신호는 톰슨 산란 신호와 배경 산란 잡음 신호가 혼합된 신호이며, 제2 집광 신호는 배경 산란 잡음 신호로 구성된다.
본 발명에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템은 플라즈마 내부로 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 제공하여 플라즈마로부터 산란된 신호들을 측정함으로써, 배경 산란 잡음 신호가 제거된 톰슨 산란 신호를 정확하게 측정하는 것을 특징으로 한다.

Description

다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템{Plasma diagnostic system using multiple round trip Thomson scattering}
본 발명은 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 톰슨 산란이 이를 유도시키는 선형으로 편광된 입력광의 편광방향과 같은 방향으로 산란광을 방출시키지 않는다는 톰슨산란의 고유한 특성을 이용한 발명으로, 입력광의 왕복 진행 횟수에 따라 편광이 90도 회전하도록 구성된 광학계를 이용하여 핵융합로 내의 플라즈마에서의 톰슨 산란 신호와 배경 산란 잡음 신호를 번갈아 측정하고, 이를 이용하여 배경 산란 잡음 신호가 제거된 정확한 톰슨 산란 신호를 측정해 낼 수 있는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 관한 것이다.
토카막(Tokamak) 방식의 핵융합은 대표적으로 중수소 원자와 삼중수소 원자에 높은 온도를 가열하여 원자핵들과 전자들 각각이 자유로운 이동도를 갖는 원자들이 이온화된 플라즈마 상태가 되며, 강한 토로이드 자기장을 이용하여 이들을 구속시킴으로써 충분히 높은 온도의 원자핵들이 쿨롱 힘을 극복하고 충분히 가까워져 핵 융합 반응이 일어난다. 이 고온 고밀도의 플라즈마 상태를 안정적으로 운영 및 컨트롤하기 위해 플라즈마의 온도와 밀도를 알아야 하며, 따라서 이들에 대한 정밀한 측정이 요구된다. 이러한 요구에 의해, 다양한 방식의 플라즈마 진단 장치들이 개발되어 사용되고 있으며, 그 중 하나가 톰슨 산란(Thomson Scattering)을 이용한 진단 장비이며 플라즈마에서 전자의 온도와 밀도를 측정하는 데 필수적인 기초진단장치 이다.
도 1은 핵융합로의 토카막 내부의 플라즈마 상태를 진단하기 위한 종래의 톰슨 산란을 이용한 진단 장비를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 핵융합로의 토카막(5) 내부의 플라즈마 상태를 진단하기 위한 전술한 종래의 톰슨 산란을 이용한 진단 장비(1)는, 도1 면에 수직한 방향으로 편광된 강한 펄스 레이저 빛을 출력하는 광원(100), 수직 편광 상태의 레이저 빛을 토카막 내부의 플라즈마로 집속시키는 광학계(110), 상기 토카막 외부에 장착되어 토카막으로부터 나온 레이저 빔을 흡수하여 제거하는 레이저 빔 덤프(120), 레이저 빛에 의해 산란된 빛들을 집광하는 집광계(130)를 구비한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 전술한 톰슨 산란을 이용한 진단 장비(1)는 플라즈마에서 전자의 온도와 밀도를 측정하기 위해, 광원(100)과 광학계(110)를 이용하여 토카막(5) 외부에서 단일파장(1064nm)의 강한 세기를 갖는 레이저 펄스를 플라즈마로 채워진 토카막 내부에 집속(focusing)을 한다. 집속된 단일 방향으로 진동하는 강한 전기장에 의해, 플라즈마를 구성하는 전하들, 특히 전자들은 레이저 빛의 전기장 방향으로 진동하기 때문에 입사된 레이저 빛과 같은 진동수로 진동하는 전기쌍극자 모멘트에 의해 방출되는 광, 즉 톰슨 산란광을 방출한다. 따라서 톰슨 산란광은 진동하는 전기쌍극자모멘트와 같은 세기분포로 산란광을 방출하며, 따라서 레이저 빛의 편광 방향에 평행한 방향으로는 톰슨 산란광이 방출되지 않는다. 따라서 도 1의 토카막 단면으로 들어오는 레이저 빛의 편광이 이 면에 대하여 수직인 경우는 집광계(collection optics) 방향으로 방출된 톰슨 산란광을 받아들일 수 있다. 그에 반해, 도 1의 토카막 단면에 대하여 수평으로 편광 된 레이저 빛의 경우에는 집광계 방향으로 톰슨 산란광이 방출되지 않기 때문에 집광계로 받아들여지는 톰슨 산란 빛이 거의 없다.
한편, 플라즈마들이 가만히 있는 것이 아니라 빠르게 이동하고 있으므로 산란되는 빛은 도플러효과에 의해서 파장의 도플러 이동(Doppler shift)이 일어나게 된다. 따라서, 톰슨 산란을 이용한 진단 장비는 도플러 효과에 의한 파장 변이를 측정함으로써 플라즈마에서 전자의 온도를 알 수 있으며, 또한 측정되는 빛의 분포 세기에 따라 전자의 밀도도 알 수 있다. 즉, 플라즈마에서 톰슨 산란 빛의 신호를 정확히 측정할 수 있다면, 플라즈마의 온도와 밀도를 정확하게 알 수 있게 된다.
하지만, 완전치 않은 광부품 등에 의해 반사되어 토카막으로 입사된 빛과 토카막의 벽면 등에서 산란된 다수의 산란된 빛들이 존재하는데, 이를 미광(stray light)이라 한다. 종래의 톰슨 산란을 이용한 진단 장비에 의해 측정되는 톰슨 산란 신호에 전술한 미광(stray light)에 의한 배경 산란 잡음 신호(Background noise)가 포함됨에 따라, 측정된 톰슨 산란 신호의 정확도가 떨어지게 되는 문제점이 발생한다. 특히 플라즈마로부터 발생한 톰슨 산란 단면적(scattering cross section)이 매우 작기 때문에 미광에 의한 효과가 톰슨산란에 대한 신호분석에 커다란 장애가 되고 있다.
한국특허공개공보 제 10-2014-0007145호 한국특허공개공보 제 10-2013-0099641호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 광학계를 이용하여 배경 산란 잡음 신호가 제거된 정확한 톰슨 산란 신호를 측정할 수 있는 다중 왕복경로 톰슨 산란시스템을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 관한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템은, 사전 설정된 편광과 파장의 레이저 빔 펄스를 제공하는 광원; 상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스를 이용하여, 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 플라즈마로 제공하는 광학계; 상기 광학계로부터 제공된 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 집속되었을 때 플라즈마에서 산란된 제1 집광 신호를 측정하고, 상기 광학계로부터 제공된 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 집속되었을 때 플라즈마에서 산란된 제2 집광 신호를 측정하는 집광계; 및 상기 집광계에 의해 측정된 제1 및 제2 집광 신호들을 이용하여, 플라즈마에 대한 톰슨 산란 신호를 측정하는 제어부;를 구비하고, 상기 제1 집광 신호는 톰슨 산란 신호와 배경 산란 잡음 신호가 혼합된 신호이며, 제2 집광 신호는 배경 산란 잡음 신호로 구성된다.
전술한 특징에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 상기 광학계는, 상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스의 광경로상에 배치된 편광 빔 스플리터; 상기 편광 빔 스플리터로부터 투과된 레이저 빔 펄스를 다시 편광 빔 스플리터로 제공하는 제1 반사 거울; 상기 편광 빔 스플리터를 투과한 레이저 빔 펄스의 광 경로상에 배치되어, 편광 상태를 45도 회전시켜 출력하는 패러데이 편광 회전자; 상기 패러데이 회전자로부터 출력된 레이저 빔 펄스의 광 경로상에 배치된 반파장판; 상기 반파장판으로부터 제공된 레이저 빔 펄스를 플라즈마로 집속시키는 집속 렌즈; 상기 집속된 레이저 빔 펄스를 되반사시켜 상기 집속 렌즈로 제공하는 제2 반사 거울; 을 구비하여, 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 플라즈마로 제공하는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 상기 수직으로 편광된 펄스가 왕복하는 동안 측정된 톰슨 신호를 동기시켜 더해줌으로써 신호 대 잡음비를 향상시키는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 상기 광원과 광학계의 사이에 반파장판;을 구비하는 것이 더욱 바람직하다.
전술한 특징에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 상기 플라즈마 진단 시스템은 상기 광학계로부터 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 제공될 때 각각 트리거 신호들을 생성하여 출력하는 트리거 모듈을 구비하고, 상기 집광계는 트리거 모듈로부터 출력되는 트리거 신호들에 따라 구동되는 것이 바람직하며,
상기 트리거 모듈은 상기 광원과 상기 광학계의 사이 또는 광학계의 임의의 위치에 배치되어, 상기 광원으로부터 상기 광학계로 레이저 빔 펄스가 제공되는 것을 감지하거나 상기 광학계로부터 토카막으로 레이저 빔 펄스가 제공되는 것을 감지하거나 상기 광학계의 임의의 위치에서 레이저 빔 펄스가 제공되는 것을 감지하면, 트리거 신호를 생성하여 출력하는 것이 더욱 바람직하다.
전술한 특징에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 상기 플라즈마 진단 시스템은 토카막(Tokamak) 방식의 핵융합로에 적용되며, 상기 광학계는 토카막 내부로 레이저 빔 펄스를 집속시키며, 상기 집광계는 상기 토카막 내의 산란된 빛 신호들을 집광시키고 폴리크로메터(polychrometer)를 사용하여 파장대역 별로 측정하며, 상기 제어부는 토카막 내의 톰슨 산란 신호를 측정하여 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 플라즈마 진단 시스템은 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 다중 왕복경로를 통해 순차적으로 토카막으로 제공하여 집속함으로써, 배경 산란 잡음 신호가 제거된 톰슨 산란 신호를 정확하게 측정하여 제공할 수 있다.
도 1은 핵융합로의 토카막 내부의 플라즈마 상태를 진단하기 위한 종래의 단일 경로 톰슨 산란을 이용한 진단 장비를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 각 단계에서의 레이저 빔 펄스의 편광 상태를 설명하는 도표이다.
본 발명에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템은 핵융합로의 토카막 내부로 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 다중 왕복경로를 통해 순차적으로 제공하여 토카막 내부의 산란 신호들을 측정함으로써, 배경 산란 잡음 신호가 제거된 톰슨 산란 신호를 정확하게 측정하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템의 구조 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템을 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 플라즈마 진단 시스템(2)은 핵융합로의 토카막(5)의 외부에 설치되는 것으로서, 광원(200), 레이저 빔 펄스의 수직 편광 빔과 수평 편광 빔을 순차적으로 토카막으로 제공하는 광학계(220), 토카막 내부의 산란 빛을 집광하는 집광계(230), 트리거 모듈(240) 및 제어부(250)를 구비한다.
상기 광원(200)은 1064nm의 단일 파장의 강한 전기장 세기를 갖는 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 출력한다.
상기 제1 반파장판(Half Wave Plate:'HWP', 214)은 상기 광원으로부터 출력된 레이저 빔 펄스의 광 경로상에 배치되어, 진행하는 레이저 빔 펄스의 편광 상태를 선택하여 유지시키게 된다.
상기 광학계(220)는 광원과 토카막(5)의 사이에 설치되어, 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 토카막으로 제공하게 된다.
상기 광학계(220)는 상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스의 광경로상에 배치된 편광 빔 스플리터(Polarizing Beam Splitter;'PBS', 221), PBS을 투과한 레이저 빔 펄스의 광경로상에 순차적으로 배치되는 패러데이 회전자(Faraday Rotator;'FR', 222), 제2 반파장판(HWP, 224), 및 집속 렌즈(Focusing Lens, 226), 그리고 상기 집속 렌즈(226)에 의해 집속된 광을 집속 렌즈로 다시 반사시켜 제공하는 제2 반사 거울(Mirror, 227), 상기 PBS의 반사 경로에 배치되는 제1 반사 거울(Mirror, 229)를 구비한다.
상기 제2 반사거울은 빛을 톰슨 산란 위치에 다시 집속시키기 위하여 오목 거울(Concave Lens)를 사용하고, 제1 반사 거울은 반사된 빛을 시준시키기 위하여 볼록 거울(Convex Lens)를 사용한다.
상기 편광 빔 스플리터(PBS, 221)는 수평 편광 상태의 빔은 투과시키고 수직 편광 상태의 빔은 반사시킨다.
상기 패러데이 회전자(222), 제2 반파장판(224), 및 집속 렌즈(226)가 상기 PBS(220)를 투과하는 레이저 빔 펄스의 광 경로상에 순차적으로 배치된다. 상기 패러데이 회전자(222)는 상기 PBS(221)를 투과한 레이저 빔 펄스의 편광 상태를 45도 회전시켜 출력하며, 상기 제2 반파장판(224)은 패러데이 회전자(222)로부터 출력된 빔을 45도 회전시킴으로써, 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스는 패러데이 회전자(222) 및 제2 반파장판(224)에 의해 수직 편광 상태가 된다. 제1 반파장판(214)는 레이저 광원의 편광이 완벽히 수평 편광상태일 경우 제거하여도 무방하다. 제2 반파장판(224)는 경우에 따라서 톰슨산란 집광기의 위치에 따라 제거하여도 원리적으로 무방하다. 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스는 집속 렌즈(226)에 의해 핵융합로 내의 토카막 내부의 정해진 위치에서 집속(focusing)된다. 상기 집속 렌즈에 의해 토카막 내부에서 광 집속됨에 따라 첫번째 톰슨 산란이 집광계 방향으로 강하게 일어나게 되고, 그 결과 배경 산란 잡음 신호와 톰슨 산란 신호가 혼합된 제1-1 집광 신호가 집광계(230)에 의해 모아져서 폴리크로메타로 전달되어 파장 대역별로 측정된다.
상기 제2 반사 거울(227)는 토카막의 내부 또는 외부에 설치될 수 있으며, 상기 토카막을 통과한 광을 되반사시켜 다시 집속 렌즈로 제공한다. 이 과정에서 다시 배경 산란 잡음 신호와 톰슨 산란 신호가 혼합된 제1-2 집광 신호가 집광계에 의해 측정된다.
제1 반사 거울(229)는 상기 PBS(221)의 반사 경로에 배치된다. PBS로부터 반사된 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 진행하여 제1 반사 거울(229)에 의해 반사되어 PBS로 다시 입사하게 된다.
전술한 구성을 갖는 광학계(220)는 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스 및 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 핵융합로 내의 토카막 내부로 제공하게 된다.
상기 집광계(230)는 토카막 내부에서 산란되는 빛을 집광하여 세기를 측정한다. 상기 집광계는 트리거 모듈의 트리거 신호에 따라 집광하고, 집광된 신호들을 제어부로 제공하게 된다.
상기 트리거 모듈(240)은 상기 광학계로부터 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 제공될 때 트리거 신호(trigger signal)를 생성하여 집광계 및/또는 제어부로 출력하게 된다. 상기 트리거 모듈은 상기 광원과 상기 광학계의 사이, 또는 광학계의 임의의 위치에 설정되는 트리거 포인트 지점(trigger point)에 배치된 폴딩 거울을 투과하는 여분의 레이저 빔 신호를 감지하여 트리거 신호로 사용할 수 있다.
상기 집광계는 트리거 모듈로부터 출력되는 트리거 신호에 따라 구동되어, 토카막 내부에 산란된 빛을 집광하여 제공하게 된다.
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상기 제어부(250)는 집광계로부터 제공된 제1 집광 신호 및 제2 집광 신호를 이용하여 배경 산란 잡음 신호가 없는 톰슨 산란 신호를 측정하여 제공한다. 좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 제어부는 광학계의 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스에 의해 토카막 내부에서 톰슨 산란이 일어나도록 하여 톰슨 산란 신호와 배경 산란 잡음 신호가 혼합된 제1 집광 신호를 측정하고, 광학계의 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스에 의해 토카막 내부에 집광계 방향으로 톰슨 산란이 일어나지 않도록 하여 배경 산란 잡음 신호만으로 구성된 제2 집광 신호를 측정하게 된다. 따라서, 상기 제어부는 톰슨 산란 신호와 배경 산란 잡음 신호가 혼합된 제1 집광 신호로부터 배경 산란 잡음 신호만으로 구성된 제2 집광 신호를 제거함으로써, 순수한 톰슨 산란 신호만을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 플라즈마 진단 시스템은 광원과 광학계의 사이에 광 차폐 모듈을 더 구비할 수 있으며, 상기 광 차폐 모듈은 상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스가 광학계로 진행하도록 하되, 상기 광학계로부터 출력된 광이 광원으로 들어가지 못하도록 구성된 광학 소자를 사용할 수 있다.
이하, 도 3을 참조하여, 전술한 구성을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템의 동작에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템에 있어서, 각 단계에서의 레이저 빔 펄스의 편광 상태를 설명하는 도표이다.
도 3을 참조하면, 광원으로부터 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 출력되어 제공되면, 첫번째 정방향 과정에 있어서, PBS(221)를 투과하여 FR(222)을 통과하면서 45도 회전되며, 다시 제2 HWP(224)에 의해 45도 회전되어, 수직 편광 상태가 된다. 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 토카막 내부의 정해진 위치에 집속되면, 첫번째 톰슨 산란이 집광계(230) 방향으로 강하게 일어나게 되고 배경 산란 잡음 신호와 톰슨 산란 신호가 혼합된 제1-1 집광 신호가 집광계에 의해 측정된다.
다음, 토카막 내부에 집속된 빔은 톰슨 산란 이후 진행되어 제2 반사 거울(227)에 의해 반사되어, 첫번째 역방향 과정이 진행된다. 첫번째 역방향 과정에 있어서, 토카막 내부에서 다시 집속됨에 따라 두번째 톰슨 산란이 일어나게 되고 두번째 톰슨 산란에 의해 배경 산란 잡음 신호와 톰슨 산란 신호가 혼합된 제1-2 집광 신호가 집광계에 의해 측정된다.
다음, 첫번째 역방향 과정에 있어서, 토카막을 통과한 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 제2 HWP(224)를 통과하여 45도 역방향 회전하여 원래의 상태로 되돌아오게 되고, 다시 FR(222)에 의해 45도 회전함에 따라 수직 편광 상태가 된다. 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스는 PBS(221)에서 반사되어 제1 반사 거울(229)로 진행하게 된다. 제1 반사 거울에서 반사된 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스는 다시 PBS(221)로 입사된 후 반사된다.
다음, 두번째 정방향 과정에 있어서, 제1 반사 거울에서 PBS로 입사된 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스는 PBS에서 반사되어 FR(222)을 통과하여 45도 회전하게 되며, 제2 HWP(224)에 의해 수평 편광 상태가 된다. 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 토카막 내부에 집속됨에 따라 집광계(230) 방향으로 톰슨 산란이 일어나지 않게 되고, 집광계는 배경 산란 잡음 신호만으로 구성된 제2-1 집광 신호를 측정하게 된다.
다음, 토카막 내부에 집속된 빔은 진행되어 제2 반사 거울(227)에 의해 반사되어, 두번째 역방향 과정이 진행된다. 두번째 역방향 과정에 있어서, 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 토카막 내부에서 다시 집속되고 집광계(230) 방향으로 톰슨 산란 없이 집속 렌즈로 진행한다. 이 때, 집광계는 배경 산란 잡음 신호만으로 구성된 제2-2 집광 신호를 측정하게 된다.
상기 제어부는 집광계로부터 배경 산란 잡음 신호와 톰슨 산란 신호가 혼합된 제1-1 및 제1-2 집광 신호들을 제공받고, 배경 산란 잡음 신호만으로 구성된 제2-1 및 제2-2 집광 신호들을 제공받게 되며, 이들 집광 신호들을 이용하여 톰슨 산란 신호만을 정확하게 측정할 수 있게 된다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템은 톰슨 산란 신호를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
한편, 본 발명에 따른 플라즈마 진단 시스템은 토카막(Tokamak) 방식의 핵융합로에 적용될 수 있으며, 이 경우 상기 광학계는 토카막 내부로 레이저 빔 펄스를 집속시키며, 상기 집광계는 상기 토카막 내의 산란된 빛 신호들을 집광하며, 상기 제어부는 토카막 내의 톰슨 산란 신호를 측정하게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 플라즈마 진단 시스템은 플라즈마의 온도 및 밀도의 측정이 필요한 장치에 다양하게 사용될 수 있으며, 특히 토카막 방식의 핵융합로 내부의 플라즈마의 상태를 진단하기 위하여 사용될 수 있다.
1, 2 : 플라즈마 진단 시스템
5 : 핵융합로의 토카막
100, 200 : 광원
214 : 제1 반파장판
220 : 광학계
230 : 집광계
240 : 트리거 모듈
250 : 제어부
221 : 편광 빔 스플리터
222 : 패러데이 회전자
224 : 제2 반파장판
226 : 집속 렌즈
227 : 제2 반사 거울
229 : 제1 반사 거울

Claims (7)

  1. 사전 설정된 편광과 파장의 레이저 빔 펄스를 제공하는 광원;
    상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스를 이용하여, 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 플라즈마로 제공하는 광학계;
    상기 광학계로부터 제공된 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 집속되었을 때 플라즈마에서 산란된 제1 집광 신호를 측정하고, 상기 광학계로부터 제공된 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 집속되었을 때 플라즈마에서 산란된 제2 집광 신호를 측정하는 집광계; 및
    상기 집광계에 의해 측정된 제1 및 제2 집광 신호들을 이용하여, 플라즈마에 대한 톰슨 산란 신호를 측정하는 제어부;
    를 구비하고, 상기 제1 집광 신호는 톰슨 산란 신호와 배경 산란 잡음 신호가 혼합된 신호이며, 제2 집광 신호는 배경 산란 잡음 신호인 것을 특징으로 하며,
    상기 제어부는 제1 집광 신호로부터 제2 집광 신호를 감산하여 배경 산란 잡음 신호가 제거된 톰슨 산란 신호를 측정하는 것을 특징으로 하는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 광학계는,
    상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스의 광경로상에 배치된 편광 빔 스플리터;
    상기 편광 빔 스플리터로부터 반사된 레이저 빔 펄스를 다시 편광 빔 스플리터로 제공하는 제1 반사 거울;
    상기 편광 빔 스플리터를 투과한 레이저 빔 펄스의 광 경로상에 배치되어, 편광 상태를 45도 회전시켜 출력하는 패러데이 회전자;
    상기 패러데이 회전자로부터 제공된 레이저 빔 펄스를 플라즈마로 집속시키는 집속 렌즈;
    상기 집속된 레이저 빔 펄스를 되반사시켜 상기 집속 렌즈로 제공하는 제2 반사 거울;
    을 구비하여, 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스를 순차적으로 플라즈마로 제공하는 것을 특징으로 하는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광원과 광학계의 사이에 광 차폐 모듈을 더 구비하고,
    상기 광 차폐 모듈은 상기 광원으로부터 제공된 레이저 빔 펄스가 광학계로 진행하도록 하되, 상기 광학계로부터 출력된 광이 광원으로 들어가지 못하게 하는 것을 특징으로 하는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 플라즈마 진단 시스템은 상기 광학계로부터 수평 편광 상태의 레이저 빔 펄스와 수직 편광 상태의 레이저 빔 펄스가 제공될 때 각각 트리거 신호들을 생성하여 출력하는 트리거 모듈을 더 구비하고,
    상기 집광계는 트리거 모듈로부터 출력되는 트리거 신호들에 따라 구동되는 것을 특징으로 하는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 트리거 모듈은 상기 광원과 상기 광학계의 사이 또는 광학계의 임의의 위치에 배치되어, 상기 광원으로부터 상기 광학계로 레이저 빔 펄스가 제공되는 것을 감지하거나 상기 광학계로부터 플라즈마로 레이저 빔 펄스가 제공되는 것을 감지하거나 상기 광학계의 임의의 위치에서 레이저 빔 펄스가 제공되는 것을 감지하면, 트리거 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학계는 플라즈마 내부로 레이저 빔 펄스를 집속시키며, 상기 집광계는 상기 플라즈마 내의 산란된 빛 신호들을 집광하여 측정하며, 상기 제어부는 플라즈마 내의 톰슨 산란 신호를 측정하여 제공하는 것을 특징으로 하는 다중 왕복경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플라즈마 진단 시스템은 전자의 온도와 밀도 측정이 필요한 플라즈마 장치에 적용되는 것을 특징으로 하는 다중 왕복 경로 톰슨 산란을 이용한 플라즈마 진단 시스템

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