KR102253837B1 - Plasma density measuring apparatus using dispersion interferometer with single passing non-linear crystal and plasma density measuring method using the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 헤테로다인 기법을 적용한 분산 간섭계의 구조를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라 측정 정확도도 향상시킬 수 있는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for measuring plasma density using a distributed interferometer and a method for measuring plasma density using the same.In more detail, the structure of a distributed interferometer to which a heterodyne technique is applied can be simplified, and measurement accuracy can be improved. The present invention relates to an apparatus for measuring plasma density using an interferometer and a method for measuring plasma density using the same.
물질을 수억 도(℃)까지 가열하면 분자 상태의 기체에서 전자가 하나 둘씩 떨어져 나가게 되고 결국 음전하를 띠는 전자와 양전하를 띠는 이온으로 분리되어 플라즈마(Plasma) 상태가 된다. 자기 구속 핵융합 방식은 플라즈마가 전하를 띄는 입자들로 이루어졌다는 점에 착안하여, 플라즈마에 강력한 자기장을 가하여 하전입자들이 그 주위를 맴돌게 함으로써 플라즈마를 공중에 띄워놓고 가열하는 방식이다. 예를 들어, 자기 구속 핵융합 방식을 이용한 핵융합 장치의 종류로 토카막(Tokamak) 장치, 스텔러레이터(Stellarator) 장치 등이 있다.When a substance is heated to hundreds of millions of degrees (℃), electrons are separated from the gas in a molecular state one by one, and eventually separated into negatively charged electrons and positively charged ions into a plasma state. The self-constrained fusion method is a method in which the plasma is floated in the air and heated by applying a strong magnetic field to the plasma and causing the charged particles to circulate around it, focusing on the fact that the plasma is made of charged particles. For example, there are Tokamak devices and Stellarator devices as types of nuclear fusion devices using a self-constrained fusion method.
토카막은 자기장을 이용한 둥근 도넛 모양의 플라즈마 가둠 장치이다. 토카막은 플라즈마가 빠져나가지 못하도록 끝과 끝을 연결한 도넛 모양의 진공용기를 만들고 그 주변에 자기 코일을 설치한 형태이다. 플라즈마 입자들의 진행 방향에 수직으로 자석을 설치해 자기장을 형성하면 플라즈마가 질서정연하게 자기력선 주변을 돌아가며 움직여 도넛 안에서 밖으로 도망가지 못한다. 토카막은 구조가 단순해 건설이 쉽고, 적은 비용으로 제작과 유지 보수를 할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 토카막은 고용량의 플라즈마 전류를 장시간 안정적으로 유지하고 정밀하게 제어하기 어려운 단점이 있다.Tokamak is a round donut-shaped plasma confinement device using a magnetic field. Tokamak is a form in which a donut-shaped vacuum container is made in which the end is connected to prevent the plasma from escaping, and a magnetic coil is installed around it. When a magnetic field is formed by installing a magnet perpendicular to the moving direction of the plasma particles, the plasma moves around the magnetic field line in an orderly manner and cannot escape from inside the donut. Tokamak has the advantage that it is easy to construct due to its simple structure, and it can be manufactured and maintained at low cost. However, the tokamak has a disadvantage in that it is difficult to stably maintain and precisely control a high-capacity plasma current for a long time.
스텔러레이터 또한 자기장을 이용한 도넛 모양의 플라즈마 가둠 장치라는 점에서 토카막과 유사하다. 그러나, 스텔러레이터는 코일 자체를 뫼비우스의 띠처럼 여러 번 균일하게 꼬아놓은 형태라서 플라즈마가 꽈배기처럼 꼬인 자기장을 따라 흐르며 바깥으로 빠져나가지 않는다. 스텔러레이터는 플라즈마 전류를 장시간 안정적으로 유지할 수 있고, 정밀하게 제어하는 게 가능하며 균일한 플라즈마를 형성할 수 있다는 장점이 있다. 그러나, 스텔러레이터는 구조가 복잡하여 건설하기가 쉽지 않고 제작비용이 비싼 단점이 있다.Stellar is also similar to Tokamak in that it is a donut-shaped plasma confinement device using a magnetic field. However, the Stellar is a form in which the coil itself is uniformly twisted several times like a Mobius strip, so the plasma flows along the twisted magnetic field like a pretzel and does not escape outside. Stellar has the advantage of being able to stably maintain the plasma current for a long time, precisely control it, and form a uniform plasma. However, the stellator has a disadvantage that it is not easy to construct due to its complicated structure and is expensive to manufacture.
핵융합 장치의 기술적 목표 가운데 하나는 원자 핵융합 반응에 의해 발생된 핵융합 에너지로 스스로 극한 상태를 유지할 수 있는 높은 온도와 높은 밀도 상태의 연소 플라즈마(Burning Plasma)를 얻는 것이다. 이와 같은 플라즈마를 얻기 위해 수억 도(℃) 이상의 플라즈마를 만들어야 하며, 높은 온도의 플라즈마를 유지하기 위해 밀도가 높은 플라즈마를 제어하면서 오랜 시간 동안 가두고 열손실을 방지하여야 한다.One of the technological goals of a fusion device is to obtain a burning plasma with a high temperature and high density that can maintain its own extreme state with the fusion energy generated by the atomic fusion reaction. In order to obtain such a plasma, it is necessary to create a plasma of hundreds of millions of degrees (℃) or more. In order to maintain the plasma at a high temperature, a high-density plasma must be controlled while confining it for a long time to prevent heat loss.
이러한 이유로, 핵융합 장치의 제작과 운영에 있어서 플라즈마의 밀도를 측정하고 모니터링하는 것은 중요한 문제가 된다.For this reason, measuring and monitoring the density of plasma is an important issue in the fabrication and operation of fusion devices.
본 발명은 헤테로다인 기법을 적용한 분산 간섭계에서 분산 간섭계의 구조를 단순하게 구성할 수 있는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법을 제공한다.The present invention provides a plasma density measurement apparatus using a distributed interferometer that can simply configure a structure of a distributed interferometer in a distributed interferometer to which a heterodyne technique is applied, and a plasma density measurement method using the same.
본 발명은 헤테로다인 기법을 적용한 분산 간섭계에서 별도의 레이저 광 정렬없이 서로 다른 파장을 가진 두개의 광이 항상 일치되어 플라즈마를 투과하도록 함으로써, 측정 정확도를 향상할 수 있는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법을 제공한다.The present invention is a plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer capable of improving measurement accuracy by allowing two lights of different wavelengths to always coincide and transmit the plasma in a distributed interferometer to which a heterodyne technique is applied, without separate laser light alignment. And it provides a plasma density measurement method using the same.
본 발명은 분산 간섭계의 구조를 단순하게 구성함으로써 장치의 비용을 낮추고 유지관리를 용이하게 할 수 있는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법을 제공한다.The present invention provides a plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer and a plasma density measuring method using the same, which can reduce the cost of the apparatus and facilitate maintenance by simply configuring the structure of the distributed interferometer.
본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치는 제1 주파수의 레이저 광을 출력하는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기로부터 레이저 광을 수광하여 제1 주파수의 레이저 광(제1광)과 제2 주파수의 레이저 광(제2광)을 출력하는 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystals), 상기 비선형 결정체로부터 상기 제1광과 제2광을 수광하여 각각 주파수 변조하고, 제1광, 제2광, 상기 제1광을 주파수 변조한 레이저 광(제3광) 및 상기 제2광을 주파수 변조한 레이저 광(제4광)을 출력하는 광학 변조기(AOM, Acousto-Optic Modulator), 상기 광학 변조기로부터 수광된 제1광과 제2광을 플라즈마로 입사시키고, 상기 플라즈마를 통과하여 나온 제1광과 제2광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하며, 상기 광학 변조기로부터 수광된 제3광과 제4광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하는 광학계, 상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제1광과 상기 제3광을 수광하는 제1 검출기, 상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제2광과 상기 제4광을 수광하는 제2 검출기 및 상기 제1 검출기와 제2 검출기에서 출력된 신호를 기초로 플라즈마를 통과한 레이저 광의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 기초로 상기 플라즈마의 밀도를 측정하는 밀도 측정기를 포함한다.The apparatus for measuring plasma density using a distributed interferometer according to the present invention includes a laser oscillator that outputs a laser light of a first frequency, and receives laser light from the laser oscillator to obtain a first frequency of laser light (first light) and a second frequency. Non-linear crystals (NLC) that output laser light (second light), the first light and the second light are received from the non-linear crystal and frequency-modulated, respectively, and the first light, the second light, and the second light are An optical modulator (AOM, Acousto-Optic Modulator) that outputs a frequency-modulated laser light (third light) of one light and a frequency-modulated laser light (fourth light) of the second light, and a second light received from the optical modulator. The first light and the second light are incident into the plasma, the first light and the second light emitted through the plasma are changed in a predetermined direction, and the third light and the fourth light received from the optical modulator are An optical system that changes an optical path in a preset direction, a first detector that receives the first light and the third light that has passed through the plasma from the optical system, and the second light and the fourth light that has passed through the plasma from the optical system A second detector that receives a second detector and a density meter that measures the phase of the laser light that has passed through the plasma based on the signals output from the first and second detectors, and measures the density of the plasma based on the measured phase. Includes.
일 실시예에서, 제1항에 있어서, 상기 비선형 결정체는 w 주파수의 레이저 광(제1광)과 2w 주파수의 레이저 광(제2광)을 출력할 수 있다.In one embodiment, the nonlinear crystal may output w-frequency laser light (first light) and 2w-frequency laser light (second light).
일 실시예에서, 상기 비선형 결정체는 수광된 레이저 광의 입사 방향과 동일한 방향으로 상기 제1광과 제2광을 출력할 수 있다.In an embodiment, the nonlinear crystal may output the first light and the second light in the same direction as the incident direction of the received laser light.
일 실시예에서, 상기 광학 변조기는 상기 제1광과 제2광을 각각 RF(Radio Frequency) 주파수 대역의 신호로 주파수 변조하여 제3광과 제4광을 출력할 수 있다.In an embodiment, the optical modulator may frequency-modulate the first light and the second light into signals of a radio frequency (RF) frequency band, respectively, and output third light and fourth light.
일 실시예에서, 상기 광학 변조기는 상기 제1광과 제2광은 동일한 방향으로 출력하고, 상기 제3광과 제4광은 각각 변조에 의해 굴절된 각도로 출력할 수 있다.In an embodiment, the optical modulator may output the first light and the second light in the same direction, and output the third light and the fourth light at an angle refracted by modulation.
일 실시예에서, 상기 광학계는 상기 광학 변조기로부터 수광된 제1광과 제2광은 진행방향으로 통과시켜 플라즈마로 입사시키고, 상기 플라즈마를 통과한 후 나온 제1광과 제2광은 기 설정된 방향으로 반사하는 제1 미러, 상기 제1 미러에서 반사된 제1광은 상기 제1 검출기 방향으로 반사하고, 상기 제1 미러에서 반사된 제2광은 상기 제2 검출기 방향으로 통과시키는 빔 스플리터, 상기 광학 변조기로부터 수광된 제3광을 상기 제1 검출기 방향으로 반사하는 제2 미러 및 상기 광학 변조기로부터 수광된 제4광을 상기 제2 검출기 방향으로 반사하는 제3 미러를 포함할 수 있다.In an embodiment, in the optical system, the first light and the second light received from the optical modulator are passed in a traveling direction to enter the plasma, and the first light and the second light emitted after passing through the plasma are in a preset direction. A first mirror that is reflected by a light beam, a beam splitter that reflects the first light reflected from the first mirror toward the first detector, and passes the second light reflected from the first mirror toward the second detector, the A second mirror reflecting the third light received from the optical modulator toward the first detector, and a third mirror reflecting the fourth light received from the optical modulator toward the second detector.
일 실시예에서, 상기 제1 검출기는 간섭(Interference)된 제1광과 제3광에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력할 수 있다.In an embodiment, the first detector may output a signal in an RF frequency band by removing a high-frequency component and a low-frequency component from the first light and the third light interfered with each other.
일 실시예에서, 상기 제2 검출기는 간섭(Interference)된 제2광과 제4광에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력할 수 있다.In an embodiment, the second detector may output a signal in an RF frequency band by removing high-frequency components and low-frequency components from the second light and the fourth light interfered with each other.
일 실시예에서, 상기 밀도 측정기는 상기 제1 검출기에서 출력된 신호의 주파수를 2배로 증폭하는 주파수 배율기, 상기 주파수 배율기에서 출력된 신호와 상기 제2 검출기에서 출력된 신호를 믹싱하는 믹서, 상기 믹서에서 출력된 신호에서 고주파수 성분을 제거하여 출력하는 필터 및 상기 필터에서 출력된 신호의 위상값을 출력하는 위상 측정기를 포함할 수 있다.In one embodiment, the density meter is a frequency multiplier that amplifies the frequency of the signal output from the first detector by a factor of two, a mixer that mixes the signal output from the frequency multiplier and the signal output from the second detector, the mixer A filter that removes and outputs a high-frequency component from the signal output from the filter, and a phase measurer that outputs a phase value of the signal output from the filter.
일 실시예에서, 상기 밀도 측정기는 상기 측정된 위상값에 대응되는 플라즈마의 밀도 값을 산출하는 디지타이저(digitiger)를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the density meter may further include a digitizer that calculates a plasma density value corresponding to the measured phase value.
일 실시예에서, 상기 위상값은 핵융합 장치의 진동에 의해 유발된 진동 노이즈 성분이 제거된 위상값에 해당할 수 있다.In one embodiment, the phase value may correspond to a phase value from which a vibration noise component caused by vibration of the fusion device is removed.
본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법은 레이저 발진기가 제1 주파수의 레이저 광을 출력하는 단계, 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystal)가 상기 레이저 발진기로부터 레이저 광을 수광하여 제1 주파수의 레이저 광(제1광)과 제2 주파수의 레이저 광(제2광)을 출력하는 단계, 광학 변조기(AOM, Acousto-Optic Modulator)가 상기 비선형 결정체로부터 상기 제1광과 제2광을 수광하여 각각 주파수 변조하고, 제1광, 제2광, 상기 제1광을 주파수 변조한 레이저 광(제3광) 및 상기 제2광을 주파수 변조한 레이저 광(제4광)을 출력하는 단계, 광학계가 상기 광학 변조기로부터 수광된 제1광과 제2광을 플라즈마로 입사시키고, 상기 플라즈마를 통과하여 나온 제1광과 제2광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하며, 상기 광학 변조기로부터 수광된 제3광과 제4광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하는 단계, 제1 검출기가 상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제1광과 상기 제3광을 수광하는 단계, 제2 검출기가 상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제2광과 상기 제4광을 수광하는 단계 및 밀도 측정기가 상기 제1 검출기와 제2 검출기에서 출력된 신호를 기초로 플라즈마를 통과한 레이저 광의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 기초로 상기 플라즈마의 밀도를 측정하는 단계를 포함한다.In the method for measuring plasma density using a distributed interferometer according to the present invention, a laser oscillator outputs laser light of a first frequency, and a nonlinear crystal (NLC) receives laser light from the laser oscillator to obtain a first frequency. Outputting a laser light (first light) and a second frequency laser light (second light), an optical modulator (AOM, Acousto-Optic Modulator) receives the first light and the second light from the nonlinear crystal Frequency-modulating each, and outputting a first light, a second light, a laser light (third light) obtained by frequency-modulating the first light, and a laser light (fourth light) obtained by frequency-modulating the second light, optical system The first light and the second light received from the optical modulator are incident into the plasma, the first light and the second light emitted through the plasma are changed in a predetermined direction, and received from the optical modulator. Changing the optical path of the third light and the fourth light in a predetermined direction, the first detector receiving the first light and the third light passing through the plasma from the optical system, the second detector is the optical system Receiving the second light and the fourth light that has passed through the plasma from and a density meter measures the phase of the laser light that has passed through the plasma based on the signals output from the first and second detectors, and the measurement And measuring the density of the plasma based on the phase.
일 실시예에서, 상기 밀도를 측정하는 단계는 주파수 배율기가 상기 제1 검출기에서 출력된 신호의 주파수를 2배로 증폭하는 단계, 믹서가 상기 주파수 배율기에서 출력된 신호와 상기 제2 검출기에서 출력된 신호를 믹싱하는 단계, 필터가 상기 믹서에서 출력된 신호에서 고주파수 성분을 제거하여 출력하는 단계 및 위상 측정기가 상기 필터에서 출력된 신호의 위상값을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.In one embodiment, the step of measuring the density includes a frequency multiplier amplifying the frequency of the signal output from the first detector by a factor of two, and the mixer is the signal output from the frequency multiplier and the signal output from the second detector. Mixing, the filter outputting by removing a high frequency component from the signal output from the mixer, and a phase meter outputting a phase value of the signal output from the filter.
일 실시예에서, 상기 밀도를 측정하는 단계는 디지타이저(digitiger)가 상기 측정된 위상값에 대응되는 플라즈마의 밀도 값을 산출하는 단계를 더 포함할 수 있다.In an embodiment, the measuring of the density may further include calculating, by a digitizer, a plasma density value corresponding to the measured phase value.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법은 헤테로다인 기법을 적용한 분산 간섭계에서 분산 간섭계의 구조를 단순하게 구성할 수 있다.As described above, the apparatus for measuring plasma density using the distributed interferometer and the method for measuring plasma density using the same according to the present invention can simply configure the structure of the distributed interferometer in the distributed interferometer using the heterodyne technique.
본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법은 헤테로다인 기법을 적용한 분산 간섭계에서 별도의 레이저 광 정렬없이 서로 다른 파장을 가진 두개의 광이 항상 일치되어 플라즈마를 투과하도록 함으로써, 측정 정확도를 향상할 수 있다.The apparatus for measuring plasma density using a distributed interferometer according to the present invention and a method for measuring plasma density using the same are applied so that two lights having different wavelengths are always coincident without separate laser light alignment in a distributed interferometer to which the heterodyne technique is applied to transmit the plasma. By doing so, the measurement accuracy can be improved.
본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법은 분산 간섭계의 구조를 단순하게 구성함으로써 장치의 비용을 낮추고 유지관리를 용이하게 할 수 있다.The apparatus for measuring plasma density using the distributed interferometer and the method for measuring plasma density using the same according to the present invention can reduce the cost of the apparatus and facilitate maintenance by simply configuring the structure of the distributed interferometer.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치의 구성을 나타내는 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법을 설명하는 흐름도1 is a block diagram showing the configuration of a plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer according to an embodiment of the present invention
2 is a flowchart illustrating a plasma density measurement method using a distributed interferometer according to an embodiment of the present invention
이하, 본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 플라즈마 밀도 측정 방법을 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a detailed description of the plasma density measurement apparatus using the distributed interferometer and the plasma density measurement method using the same according to the present invention will be described.
레이저(Laser)를 이용한 간섭계(Interferometer)는 레이저 광(Beam)의 위상이 통과하는 매질의 거리와 굴절률에 비례하여 변하는 특성을 이용하여, 매질의 거리(또는, 두께)측정, 굴절률 측정 및 밀도측정 등에 활용될 수 있다. 예를 들어, 간섭계는 핵융합 장치의 플라즈마(Plasma) 밀도를 측정하는 데 사용될 수 있다. 플라즈마의 밀도를 측정하는 경우, 거리 변화에 의한 영향을 없애기 위해 서로 다른 두개의 파장(wave length)을 이용하는 이색 간섭계가 활용될 수 있다. 예를 들어, 분산 간섭계(Dispersion Interferometer)는 하나의 레이저 발진기에서 나온 레이저 광을 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystal)에 투과시켜 서로 다른 파장을 갖는 두 개의 레이저 광을 만들고, 이를 이용하여 플라즈마의 밀도를 측정할 수 있다.An interferometer using a laser measures the distance (or thickness) of the medium, measures the refractive index, and measures the density by using the characteristic that the phase of the laser beam changes in proportion to the distance and refractive index of the medium passing through it. It can be used for the etc. For example, an interferometer can be used to measure the plasma density of a fusion device. When measuring the density of the plasma, a dichroic interferometer using two different wavelengths may be used in order to eliminate the effect of the distance change. For example, a Dispersion Interferometer transmits laser light from one laser oscillator through a nonlinear crystal (NLC) to create two laser lights with different wavelengths, and uses this to create plasma density. Can be measured.
분산 간섭계(Dispersion Interferometer)는 만들어진 레이저 광을 주파수 변조한 후, 이를 이용하여 플라즈마의 밀도를 측정할 수 있다. 이렇게 변조된 레이저 광을 활용하는 방식을 헤테로다인(Heterodyne) 기법이라고 한다. 헤테로다인 기법을 분산 간섭계에 적용하는 경우, 레이저 광의 위상변화의 방향(증가 방향 또는 감소 방향)도 측정할 수 있고, 레이저 광을 다루기 쉬운 전파 범위의 주파수로 낮추어 신호를 처리할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 헤테로다인 기법을 분산 간섭계에 적용하는 경우, 주파수 변조를 위해 서로 다른 파장을 가진 두 개의 레이저 광 가운데 하나를 분리하여야 하며, 주파수 변조 후 다시 두 개의 레이저 광을 합해야 한다. 따라서, 헤테로다인 기법을 분산 간섭계에 적용하는 경우, 서로 다른 파장을 가진 두개의 레이저 광의 경로를 항상 일치시켜 측정 대상(예를 들어, 플라즈마)에 투과시키는 분산 간섭계의 장점이 손상될 수 있다.Dispersion interferometer can measure the density of plasma by frequency-modulating the generated laser light. This method of utilizing the modulated laser light is called the Heterodyne technique. When the heterodyne technique is applied to a distributed interferometer, the direction of the phase change (increase or decrease direction) of the laser light can also be measured, and there is an advantage in that the signal can be processed by lowering the laser light to a frequency of the easy-to-handle propagation range. . However, when the heterodyne technique is applied to a distributed interferometer, one of two laser lights having different wavelengths must be separated for frequency modulation, and the two laser lights must be combined again after frequency modulation. Therefore, when the heterodyne technique is applied to a distributed interferometer, the advantage of a distributed interferometer that always matches the paths of two laser lights having different wavelengths and transmits them to a measurement object (eg, plasma) may be impaired.
본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치는 서로 다른 파장을 가진 두 개의 레이저 광을 분리하지 않고 항상 경로를 일치시켜 측정 대상에 통과시킴으로써 분산 간섭계의 장점을 그대로 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치는 하나의 비선형 결정체(NLC)만 사용하여 분산 간섭계의 구조를 단순화할 수 있으며, 장치의 비용 및 유지 관리가 용이한 장점이 있다.The apparatus for measuring plasma density using a distributed interferometer according to the present invention can maintain the advantages of a distributed interferometer by not separating two laser beams having different wavelengths, but always matching the paths and passing them through the measurement object. In addition, the apparatus for measuring plasma density using a distributed interferometer according to the present invention can simplify the structure of the distributed interferometer by using only one nonlinear crystal (NLC), and has advantages in that cost and maintenance of the apparatus are easy.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.1 is a block diagram showing the configuration of a plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치(100)는 레이저 발진기(110), 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystal)(120), 광학 변조기(AOM, Acousto-Optic Modulator)(130), 미러(150), 광학계(162, 164, 166, 168), 제1 검출기(170), 제2 검출기(180) 및 밀도 측정기(190)를 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a plasma
레이저 발진기(110)는 제1 주파수의 레이저 광을 출력한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 레이저 발진기(110)가 기 설정된 ω의 각주파수(ω = 2πf, f는 주파수)를 갖는 레이저 광을 출력하는 경우를 가정한다.The
비선형 결정체(120)는 레이저 발진기(110)로부터 레이저 광을 수광하여 제1 주파수의 레이저 광(이하, 제1광(102))과 제2 주파수의 레이저 광(이하, 제2광(104))을 출력한다. 일 실시예에서, 비선형 결정체(120)는 ω주파수의 레이저 광(제1광(102))과 2ω주파수의 레이저 광(제2광(104))을 출력할 수 있다. 비선형 결정체(NLC)는 기능성 소재의 일종으로, 레이저 광의 주파수 변환에 사용될 수 있다. 비선형 결정체(120)는 수광된 레이저 광의 입사 방향과 동일한 방향으로 제1광(102)과 제2광(104)을 출력한다. 레이저 광은 플라즈마를 통과하기 전에 한 번 비선형 결정체로 입사된다. 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치(100)는 비선형 결정체(120)를 하나만 사용하여 구현되므로 제작 비용을 절감할 수 있으며, 복수의 비선형 결정체를 사용하는 경우 발생할 수 있는 광(beam) 정렬 문제를 원천적으로 차단할 수 이다.The
광학 변조기(130)는 비선형 결정체(120)로부터 제1광(102)과 제2광(104)을 수광하여 각각 주파수 변조한다. 광학 변조기(130)는 제1광(102), 제2광(104), 제1광을 주파수 변조한 레이저 광(이하, 제3광(106)) 및 제2광을 주파수 변조한 레이저 광(이하, 제4광(108))을 출력한다. 비선형 결정체(120)에서 출력된 제1광(102)과 제2광(104)은 분리되지 않고 동일한 방향으로 광학 변조기(130)에 입사되며, 광학 변조기(130)에서 출력되는 제1광(102)과 제2광(104) 또한 광 경로가 분리되지 않고 동일한 방향으로 출력된다. 일 실시예에서, 광학 변조기(130)는 제1광(102)과 제2광(104)은 동일한 방향으로 출력하고, 제3광(106)과 제4광(108)은 각각 변조에 의해 굴절된 각도로 출력할 수 있다. 예를 들어, 광학 변조기(130)는 입사 방향과 동일한 방향으로 제1광(102)과 제2광(104)을 출력할 수 있다.The
광학 변조기(130)는 수광된 제1광(102)과 제2광(104)을 각각 주파수 발생기(191)에서 발생된 변조 주파수(f0) 대역의 신호로 주파수 변조(Frequency Modulation) 시켜 각각 제3광(106)과 제4광(108)을 출력할 수 있다. 일 실시예에서, 광학 변조기(130)는 제1광(102)과 제2광(104)을 각각 RF(Radio Frequency) 주파수 대역의 신호로 주파수 변조하여 제3광(106)과 제4광(108)을 출력할 수 있다. 가시광선 또는 적외선 주파수 대역인 ω주파수와 2ω주파수에 비해 변조 주파수(f0)는 수십 MHz에서 수백 MHz에 불과하여, 약 백만 배 이상의 주파수 차이가 날 수 있다.(ω >> f0)The
일 실시예에서, 레이저 광을 정현파 신호로 가정할 경우 각 레이저 광의 I채널 (In-phase Channel) 값은 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.In an embodiment, when the laser light is assumed to be a sinusoidal signal, an I-channel (In-phase Channel) value of each laser light may be expressed as
[수학식 1][Equation 1]
제1광 : Acos(ωt)First light: Acos(ωt)
제2광 : Bcos(2ωt)Second light: Bcos(2ωt)
제3광 : Ccos((ω+ f0)t)3rd light: Ccos((ω+ f 0 )t)
제4광 : Dcos((2ω+ f0)t)Light 4: Dcos((2ω+ f 0 )t)
여기에서, A, B, C, D는 임의의 계수, t는 시간을 나타낸다.Here, A, B, C, and D are arbitrary coefficients, and t is time.
광학계는 광학 변조기(130)로부터 수광된 제1광(102)과 제2광(104)을 플라즈마(140)로 입사시키고, 플라즈마(140)를 통과하여 나온 제1광(102)과 제2광(104)을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경한다. 광학계는 광학 변조기(130)로부터 수광된 제3광(106)과 제4광(108)을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경한다.In the optical system, the
일 실시예에서, 제1 미러(162)는 광학 변조기(130)로부터 수광된 제1광(102)과 제2광(104)은 진행방향으로 통과시켜 플라즈마(140)로 입사시키고, 플라즈마(140)를 통과한 후 나온 제1광(102)과 제2광(104)은 기 설정된 방향으로 반사한다. 예를 들어, 제1 미러(162)는 플라즈마(140)를 통과하여 미러(150)에서 반사되어 나온 제1광(102)과 제2광(104)을 빔 스플리터(Beam Splitter)(164) 방향으로 반사할 수 있다. 플라즈마(140)는 핵융합 장치(토카막(Tokamak) 또는 스텔러레이터(Stellarator))에 가두어진 플라즈마에 해당할 수 있으며, 핵융합 장치 내부에는 레이저 광을 반사할 수 있는 미러(150)가 설치될 수 있다.In one embodiment, the
핵융합 장치에는 동작과정에서 물리적 진동이 발생할 수 있으며, 이러한 물리적 진동에 의해 핵융합 장치에 설치된 미러(150)도 영향을 받을 수 있다. 따라서, 플라즈마(140)를 통과하여 미러(150)에서 반사되어 나온 제1광(102)과 제2광(104)에는 플라즈마(140)의 밀도에 의해 변경된 위상 값과 미러(150)의 진동에 의한 위상 노이즈가 포함되어 있으며, 플라즈마(140)의 밀도를 정확하게 측정하기 위해서는 미러(150)의 진동에 의한 위상 노이즈를 제거하는 방법이 필요하다.Physical vibration may occur in the fusion device during operation, and the
일 실시예에서, 플라즈마(140)를 통과하여 미러(150)에서 반사되어 나온 제1광(102)과 제2광(104)의 I채널(In-phase Channel) 값은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.In one embodiment, the I-channel (In-phase Channel) values of the
[수학식 2][Equation 2]
플라즈마를 통과한 후 나온 제1광 : Acos(ωt + pi(ω))First light emitted after passing through plasma: Acos(ωt + pi(ω))
플라즈마를 통과한 후 나온 제2광 : Bcos(2ωt + pi(2ω))Second light emitted after passing through plasma: Bcos(2ωt + pi(2ω))
여기에서, pi()는 각 광의 위상 성분으로 플라즈마(140)의 밀도에 의한 성분과 미러(150)의 진동에 의한 성분이 포함되어 있다. pi()는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.Here, pi() is a phase component of each light and includes a component due to the density of the
[수학식 3][Equation 3]
pi(ω) = ωd/c + cpnL/ωpi(ω) = ωd/c + c p nL/ω
pi(2ω)= 2ωd/c + cpnL/(2ω)pi(2ω)= 2ωd/c + c p nL/(2ω)
여기에서, cpnL/ω와 cpnL/(2ω)는 플라즈마 밀도에 의한 성분, ωd/c와 2ωd/c는 진동에 의한 성분, cp 와 c는 비례 상수, n은 플라즈마의 밀도, L은 광이 통과한 플라즈마의 길이, d는 진동에 의한 경로 차이를 나타낸다.Here, c p nL/ω and c p nL/(2ω) are components due to plasma density, ωd/c and 2ωd/c are components due to vibration, c p and c are proportional constants, n is the density of plasma, L is the length of the plasma through which light has passed, and d is the path difference due to vibration.
빔 스플리터(164)는 제1 미러(162)에서 반사된 제1광(102)은 제1 검출기(170) 방향으로 반사하고, 제1 미러(162)에서 반사된 제2광(104)은 제2 검출기(180) 방향으로 통과시킬 수 있다.The
제2 미러(166)는 광학 변조기(130)로부터 수광된 제3광(106)을 제1 검출기(170) 방향으로 반사하고, 제3 미러(168)는 광학 변조기(130)로부터 수광된 제4광(108)을 제2 검출기(180) 방향으로 반사한다.The
제1 검출기(170)에 수광된 제1광과 제3광은 간섭(Interference)을 일으키며, 제1 검출기(170)는 간섭된 제1광(102)과 제3광(106)에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력한다.The first light and the third light received by the
일 실시예에서, 제1 검출기(170)에서 측정되는 파동의 출력은 하기 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다. In an embodiment, the output of the wave measured by the
[수학식 4][Equation 4]
I= [ Acos(ωt+pi(ω)) + Ccos((ω+ f0)t) ]2 I= [Acos(ωt+pi(ω)) + Ccos((ω+ f 0 )t)] 2
= A2/2 + C2/2 + 2ACcos(ωt+pi(ω))cos(ω+f0)t= A 2 /2 + C 2 /2 + 2ACcos(ωt+pi(ω))cos(ω+f 0 )t
= A2/2 + C2/2 + AC[cos(f0t-pi(ω))+cos((ω+f0)t+pi(ω))]= A 2 /2 + C 2 /2 + AC[cos(f 0 t-pi(ω))+cos((ω+f 0 )t+pi(ω))]
( cos α cos β = ½ [cos(α-β) + cos(α+β)] ) (cos α cos β = ½ [cos(α-β) + cos(α+β)])
제1 검출기(170)는 간섭된 제1광(102)과 제3광(106)에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력한다.The
즉, 상기 수학식 4에서 cos((ω+f0)t+pi(ω)) 항은 고주파수 성분으로 제거되며, A2/2 + C2/2 항은 저주파수 성분으로 제거된다. 따라서, 제1 검출기(170)는 최종적으로 A*cos(f0t-pi(ω))의 신호를 출력한다. (A*=AC)That is, in Equation 4, the term cos((ω+f 0 )t+pi(ω)) is removed as a high frequency component, and the term A 2 /2 + C 2 /2 is removed as a low frequency component. Accordingly, the
제2 검출기(180)에 수광된 제2광(104)과 제4광(108)은 간섭(Interference)을 일으키며, 제2 검출기(180)는 간섭된 제2광(104)과 제4광(108)에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력한다.The
일 실시예에서, 제2 검출기(180)에서 측정되는 파동의 출력은 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. In one embodiment, the output of the wave measured by the
[수학식 5][Equation 5]
I= [ Bcos(2ωt+pi(2ω)) + Dcos((2ω+ f0)t) ]2 I= [Bcos(2ωt+pi(2ω)) + Dcos((2ω+ f 0 )t)] 2
= B2/2 + D2/2 + 2BDcos(2ωt+pi(2ω))cos(2ω+f0)t= B 2 /2 + D 2 /2 + 2BDcos(2ωt+pi(2ω))cos(2ω+f 0 )t
= B2/2 + D2/2 + BD[cos(f0t-pi(2ω))+cos((2ω+f0)t+pi(2ω))]= B 2 /2 + D 2 /2 + BD[cos(f 0 t-pi(2ω))+cos((2ω+f 0 )t+pi(2ω))]
( cos α cos β = ½ [cos(α-β) + cos(α+β)] )(cos α cos β = ½ [cos(α-β) + cos(α+β)])
제2 검출기(180)는 간섭된 제2광(104)과 제4광(108)에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력한다.The
즉, 상기 수학식 5에서 cos((2ω+f0)t+pi(2ω)) 항은 고주파수 성분으로 제거되며, B2/2 + D2/2 항은 저주파수 성분으로 제거된다. 따라서, 제2 검출기(180)는 최종적으로 B*cos(f0t-pi(2ω))의 신호를 출력한다. (B*=BD)That is, in Equation 5, the term cos((2ω+f 0 )t+pi(2ω)) is removed as a high frequency component, and the term B 2 /2 + D 2 /2 is removed as a low frequency component. Accordingly, the
밀도 측정기(190)는 제1 검출기(170)와 제2 검출기(180)에서 출력된 신호를 기초로 플라즈마를 통과한 레이저 광의 위상을 측정하고, 측정된 위상을 기초로 플라즈마의 밀도를 측정한다. 밀도 측정기(190)는 주파수 발생기(Generator)(191), 주파수 배율기(Frequency Doubler)(193), 믹서(Mixer)(195), 필터(Filter)(197) 및 위상 측정기(199)를 포함할 수 있다.The
주파수 발생기(191)는 RF(Radio Frequency) 주파수 대역의 변조 주파수(f0)를 생성한다. The
주파수 배율기(193)는 제1 검출기(170)에서 출력된 신호의 주파수를 2배로 증폭한다. 일 실시예에서, 주파수 배율기(193)에서 출력되는 신호는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.The
[수학식 6][Equation 6]
A*cos(2f0t-2pi(ω))A*cos(2f 0 t-2pi(ω))
믹서(195)는 주파수 배율기(193)에서 출력된 신호와 제2 검출기(180)에서 출력된 신호를 믹싱(mixing)하여 출력한다. 믹서(195)는 주파수 배율기(193)에서 출력된 신호와 제2 검출기(180)에서 출력된 신호를 섞어서 중심주파수(Center Frequency)를 중심으로하여 주파수의 합(+)과 차(-)에 해당하는 신호를 출력한다. 믹서(195)에서 출력되는 신호는 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.The
[수학식 7][Equation 7]
A*cos(2f0t-2pi(ω)) B*cos(f0t-pi(2ω)) = C*cos(f0t-2pi(ω)+pi(2ω)) + D*cos(3f0t-2pi(ω)-pi(2ω))A*cos(2f 0 t-2pi(ω)) B*cos(f 0 t-pi(2ω)) = C*cos(f 0 t-2pi(ω)+pi(2ω)) + D*cos( 3f 0 t-2pi(ω)-pi(2ω))
( cos α cos β = ½ [cos(α-β) + cos(α+β)] )(cos α cos β = ½ [cos(α-β) + cos(α+β)])
여기에서, C*, D*는 계수를 나타낸다.Here, C* and D* represent coefficients.
필터(197)는 믹서(195)에서 출력된 신호에서 고주파수 성분을 제거하여 출력한다. 일 실시예에서, 필터(197)는 상위 사이드 주파수 대역(upper side band)의 성분을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 필터(197)는 3f0 주파수 대역의 성분(D*cos(3f0t-2pi(ω)-pi(2ω)))을 필터링하여, f0 주파수 대역의 신호(C*cos(f0t-2pi(ω)+pi(2ω)))를 출력할 수 있다.The
일 실시예에서, 필터(197)에서 출력되는 신호는 수학식 3을 참조하여 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.In an embodiment, a signal output from the
[수학식 8][Equation 8]
C*cos(f0t - 2pi(ω) + pi(2ω)) = C*cos(f0t - 2(ωd/c + cpnL/ω) + (2ωd/c + cpnL/(2ω)))C*cos(f 0 t-2pi(ω) + pi(2ω)) = C*cos(f 0 t-2(ωd/c + c p nL/ω) + (2ωd/c + c p nL/( 2ω)))
= C*cos(f0t-3cpnL/2ω)= C*cos(f 0 t-3c p nL/2ω)
필터(197)에서 출력되는 신호의 위상에는 핵융합 장치의 진동에 의해 유발된 진동 노이즈 성분이 제거되고 밀도 성분만 포함된다. 즉, 필터(197)는 미러(150)의 진동에 의한 성분이 제거된 신호를 출력한다.In the phase of the signal output from the
위상 측정기(IQ-mixer)(199)는 필터(197)에서 출력된 신호의 위상값을 출력한다. 일 실시예에서, 위상 측정기(199)는 측정된 위상 값(3cpnL/2ω)을 전압 레벨과 같은 전기적 신호로 변환하여 출력할 수 있다. 밀도(n)는 측정된 위상 값을 기 정해진 비례상수들(Cp, L, ω)로 나누면 산출될 수 있다.A phase meter (IQ-mixer) 199 outputs a phase value of a signal output from the
일 실시예에서, 밀도 측정기(190)는 위상 측정기(199)에서 측정된 위상값에 대응되는 플라즈마의 밀도 값을 산출하는 디지타이저(digitiger)를 더 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 디지타이저에는 위상 측정기(199)에서 출력되는 전압 레벨에 대응되는 밀도 값이 미리 저장되어 있을 수 있다. 디지타이저는 위상 측정기(199)에서 출력되는 전압 레벨에 대응되는 밀도 값을 산출하여 출력한다.In one embodiment, the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 객체 손상 방법을 설명하는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating an object damage method according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 레이저 발진기(110)가 제1 주파수의 레이저 광을 출력한다(단계 S210). 일 실시예에서, 레이저 발진기(110)는 기 설정된 ω의 각주파수(ω = 2πf, f는 주파수)를 갖는 레이저 광을 출력한다.Referring to FIG. 2, the
비선형 결정체(NLC)(120)는 레이저 발진기(110)로부터 레이저 광을 수광하여 제1 주파수의 레이저 광(제1광(102))과 제2 주파수의 레이저 광(제2광(104))을 출력한다(단계 S220). 일 실시예에서, 비선형 결정체(120)는 w 주파수의 레이저 광(제1광(102))과 2w 주파수의 레이저 광(제2광(104))을 출력할 수 있다.The nonlinear crystal (NLC) 120 receives laser light from the
광학 변조기(AOM)(130)는 비선형 결정체(120)로부터 제1광(102)과 제2광(104)을 수광하여 각각 주파수 변조하고, 제1광(102), 제2광(104), 제1광을 주파수 변조한 레이저 광(제3광(106)) 및 제2광을 주파수 변조한 레이저 광(제4광(108))을 출력한다(단계 S230). 일 실시예에서, 광학 변조기(130)는 제1광(102)과 제2광(104)을 각각 RF(Radio Frequency) 주파수 대역의 신호로 주파수 변조하여 제3광(106)과 제4광(108)을 출력할 수 있다.The optical modulator (AOM) 130 receives the
광학계는 광학 변조기(130)로부터 수광된 제1광(102)과 제2광(104)을 플라즈마로 입사시키고, 플라즈마를 통과하여 나온 제1광(102)과 제2광(104)을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하며, 광학 변조기(130)로부터 수광된 제3광(106)과 제4광(108)을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경한다(단계 S240).In the optical system, the
제1 검출기(170)는 광학계로부터 플라즈마를 통과한 제1광(102)과 제3광(106)을 수광하고(단계 S250), 제2 검출기(180)는 광학계로부터 플라즈마를 통과한 제2광(104)과 제4광(108)을 수광한다(단계 S260). The
밀도 측정기(190)는 제1 검출기(170)와 제2 검출기(180)에서 출력된 신호를 기초로 플라즈마를 통과한 레이저 광의 위상을 측정하고, 측정된 위상을 기초로 플라즈마의 밀도를 측정한다(단계 S270). 일 실시예에서, 밀도 측정기(190)는 주파수 발생기(191), 주파수 배율기(193), 믹서(195), 필터(197) 및 위상 측정기(199)를 포함할 수 있다.The
주파수 배율기(191)는 제1 검출기(170)에서 출력된 신호의 주파수를 2배로 증폭하고, 믹서(193)는 주파수 배율기(191)에서 출력된 신호와 제2 검출기(180)에서 출력된 신호를 믹싱한다. 필터(197)는 믹서(197)에서 출력된 신호에서 고주파수 성분을 제거하여 출력하고, 위상 측정기(199)는 필터(197)에서 출력된 신호의 위상값을 출력한다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 위상 측정기(199)에서 출력되는 위상값은 핵융합 장치의 진동에 의해 유발된 진동 노이즈 성분이 제거된 위상값에 해당할 수 있다. 디지타이저(미도시)는 측정된 위상값에 대응되는 플라즈마의 밀도 값을 산출할 수 있다. 각 구성요소의 동작 및 프로세싱 방식에 대한 구체적인 내용은 도 1에서 설명한 바와 같다.The
도 1 내지 도 2를 통해 설명된 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 이를 이용한 밀도 측정 방법은 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수도 있다.The apparatus for measuring plasma density using the distributed interferometer described with reference to FIGS. 1 to 2 and the method for measuring density using the same are implemented in the form of a recording medium including instructions executable by a computer such as an application or module executed by a computer. It could be.
컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.Computer-readable media can be any available media that can be accessed by a computer, and includes both volatile and nonvolatile media, removable and non-removable media. Further, the computer-readable medium may include both computer storage media and communication media. Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, modules or other data. Communication media typically includes computer readable instructions, data structures, program modules, or other data in a modulated data signal such as a carrier wave, or other transmission mechanism, and includes any information delivery media.
모듈(module)이라 함은 명세서에서 설명되는 각각의 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 또한 특정한 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또한 특정한 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예컨대 프로세서를 의미할 수 있다.The term module may mean hardware capable of performing functions and operations according to the respective names described in the specification, and may also mean computer program code capable of performing specific functions and operations, In addition, it may refer to an electronic recording medium, such as a processor, on which a computer program code capable of performing specific functions and operations is mounted.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치 및 밀도 측정 방법으로 구현할 수 있다.Although described above as an embodiment of the present invention, the technical idea of the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented by a plasma density measurement apparatus and a density measurement method using various distributed interferometers within the scope not departing from the technical idea of the present invention. have.
100 : 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치
110 : 레이저 발진기
120 : 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystal)
130 : 광학 변조기(AOM, Acousto-Optic Modulator)
150 : 미러
162, 164, 166, 168 : 광학계
170 :, 제1 검출기
180 : 제2 검출기
190 : 밀도 측정기100: plasma density measuring device using a distributed interferometer
110: laser oscillator
120: Non Linear Crystal (NLC)
130: Optical Modulator (AOM, Acousto-Optic Modulator)
150: mirror
162, 164, 166, 168: optical system
170:, the first detector
180: second detector
190: density meter
Claims (14)
상기 레이저 발진기로부터 레이저 광을 수광하여 제1 주파수의 레이저 광(제1광)과 제2 주파수의 레이저 광(제2광)을 출력하는 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystals);
상기 비선형 결정체로부터 상기 제1광과 제2광을 수광하여 각각 주파수 변조하고, 제1광, 제2광, 상기 제1광을 주파수 변조한 레이저 광(제3광) 및 상기 제2광을 주파수 변조한 레이저 광(제4광)을 출력하는 광학 변조기(AOM, Acousto-Optic Modulator);
상기 광학 변조기로부터 수광된 제1광과 제2광을 플라즈마로 입사시키고, 상기 플라즈마를 통과하여 나온 제1광과 제2광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하며, 상기 광학 변조기로부터 수광된 제3광과 제4광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하는 광학계;
상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제1광과 상기 제3광을 수광하는 제1 검출기;
상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제2광과 상기 제4광을 수광하는 제2 검출기; 및
상기 제1 검출기와 제2 검출기에서 출력된 신호를 기초로 플라즈마를 통과한 레이저 광의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 기초로 상기 플라즈마의 밀도를 측정하는 밀도 측정기를 포함하는 분산 간섭계(Dispersion Interferometer)를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치로서,
상기 광학 변조기는 상기 제1광과 제2광을 각각 RF(Radio Frequency) 주파수 대역의 신호로 주파수 변조하여 제3광과 제4광을 출력하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.A laser oscillator outputting laser light of a first frequency;
Non-linear crystals (NLC) for receiving laser light from the laser oscillator and outputting laser light (first light) of a first frequency and laser light (second light) of a second frequency;
The first light and the second light are received from the nonlinear crystal and frequency-modulated, respectively, and the first light, the second light, and the laser light (third light) obtained by frequency-modulating the first light, and the second light are frequency-modulated. An optical modulator (AOM, Acousto-Optic Modulator) that outputs the modulated laser light (fourth light);
The first light and second light received from the optical modulator are incident into a plasma, the first light and the second light emitted through the plasma are changed in a predetermined direction, and the first light received from the optical modulator is An optical system for changing the optical path of the third light and the fourth light in a predetermined direction;
A first detector configured to receive the first light and the third light passing through the plasma from the optical system;
A second detector configured to receive the second light and the fourth light passing through the plasma from the optical system; And
Dispersion interferometer including a density meter that measures the phase of the laser light that has passed through the plasma based on the signals output from the first and second detectors, and measures the density of the plasma based on the measured phase. As a plasma density measuring device using ),
The optical modulator is a plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer for frequency-modulating the first light and the second light into signals of a radio frequency (RF) frequency band, respectively, and outputting third light and fourth light.
상기 레이저 발진기로부터 레이저 광을 수광하여 제1 주파수의 레이저 광(제1광)과 제2 주파수의 레이저 광(제2광)을 출력하는 비선형 결정체(NLC, Non Linear Crystals);
상기 비선형 결정체로부터 상기 제1광과 제2광을 수광하여 각각 주파수 변조하고, 제1광, 제2광, 상기 제1광을 주파수 변조한 레이저 광(제3광) 및 상기 제2광을 주파수 변조한 레이저 광(제4광)을 출력하는 광학 변조기(AOM, Acousto-Optic Modulator);
상기 광학 변조기로부터 수광된 제1광과 제2광을 플라즈마로 입사시키고, 상기 플라즈마를 통과하여 나온 제1광과 제2광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하며, 상기 광학 변조기로부터 수광된 제3광과 제4광을 기 설정된 방향으로 광 경로를 변경하는 광학계;
상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제1광과 상기 제3광을 수광하는 제1 검출기;
상기 광학계로부터 상기 플라즈마를 통과한 제2광과 상기 제4광을 수광하는 제2 검출기; 및
상기 제1 검출기와 제2 검출기에서 출력된 신호를 기초로 플라즈마를 통과한 레이저 광의 위상을 측정하고, 상기 측정된 위상을 기초로 상기 플라즈마의 밀도를 측정하는 밀도 측정기를 포함하는 분산 간섭계(Dispersion Interferometer)를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치로서,
상기 광학계는
상기 광학 변조기로부터 수광된 제1광과 제2광은 진행방향으로 통과시켜 플라즈마로 입사시키고, 상기 플라즈마를 통과한 후 나온 제1광과 제2광은 기 설정된 방향으로 반사하는 제1 미러;
상기 제1 미러에서 반사된 제1광은 상기 제1 검출기 방향으로 반사하고, 상기 제1 미러에서 반사된 제2광은 상기 제2 검출기 방향으로 통과시키는 빔 스플리터;
상기 광학 변조기로부터 수광된 제3광을 상기 제1 검출기 방향으로 반사하는 제2 미러; 및
상기 광학 변조기로부터 수광된 제4광을 상기 제2 검출기 방향으로 반사하는 제3 미러를 포함하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.A laser oscillator outputting laser light of a first frequency;
Non-linear crystals (NLC) for receiving laser light from the laser oscillator and outputting laser light (first light) of a first frequency and laser light (second light) of a second frequency;
The first light and the second light are received from the nonlinear crystal and frequency-modulated, respectively, and the first light, the second light, and the laser light (third light) obtained by frequency-modulating the first light, and the second light are frequency-modulated. An optical modulator (AOM, Acousto-Optic Modulator) that outputs the modulated laser light (fourth light);
The first light and second light received from the optical modulator are incident into a plasma, the first light and the second light emitted through the plasma are changed in a predetermined direction, and the first light received from the optical modulator is An optical system for changing the optical path of the third light and the fourth light in a predetermined direction;
A first detector configured to receive the first light and the third light passing through the plasma from the optical system;
A second detector configured to receive the second light and the fourth light passing through the plasma from the optical system; And
Dispersion interferometer including a density meter that measures the phase of the laser light passing through the plasma based on the signals output from the first and second detectors, and measures the density of the plasma based on the measured phase. As a plasma density measuring device using ),
The optical system
A first mirror that passes the first light and the second light received from the optical modulator in a traveling direction to enter the plasma, and reflects the first light and the second light emitted after passing through the plasma in a predetermined direction;
A beam splitter for reflecting the first light reflected from the first mirror toward the first detector, and allowing the second light reflected from the first mirror to pass toward the second detector;
A second mirror reflecting the third light received from the optical modulator toward the first detector; And
Plasma density measuring apparatus using a dispersion interferometer comprising a third mirror reflecting the fourth light received from the optical modulator toward the second detector.
w 주파수의 레이저 광(제1광)과 2w 주파수의 레이저 광(제2광)을 출력하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.The method of claim 1 or 2, wherein the nonlinear crystal is
Plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer that outputs w-frequency laser light (first light) and 2w-frequency laser light (second light).
수광된 레이저 광의 입사 방향과 동일한 방향으로 상기 제1광과 제2광을 출력하여, 플라즈마를 통과하기 전에 한 번 레이저 광이 비선형 결정체로 입사하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.The method of claim 1 or 2, wherein the nonlinear crystal is
Plasma density measuring apparatus using a dispersion interferometer in which the first light and the second light are output in the same direction as the incident direction of the received laser light, and the laser light is once incident on a nonlinear crystal before passing through the plasma.
상기 제1광과 제2광은 동일한 방향으로 출력하고, 상기 제3광과 제4광은 각각 변조에 의해 굴절된 각도로 출력하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.The method of claim 1, wherein the optical modulator
Plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer in which the first light and the second light are output in the same direction, and the third light and the fourth light are respectively output at an angle refracted by modulation.
간섭(Interference)된 제1광과 제3광에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.The method of claim 1 or 2, wherein the first detector is
Plasma density measurement apparatus using a distributed interferometer that outputs a signal in an RF frequency band by removing high-frequency components and low-frequency components from the interference first and third light.
간섭(Interference)된 제2광과 제4광에서 고주파수 성분과 저주파수 성분을 제거하여 RF 주파수 대역의 신호를 출력하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.The method of claim 1 or 2, wherein the second detector is
Plasma density measurement apparatus using a distributed interferometer that outputs a signal in an RF frequency band by removing high-frequency components and low-frequency components from the interference second and fourth light.
상기 제1 검출기에서 출력된 신호의 주파수를 2배로 증폭하는 주파수 배율기;
상기 주파수 배율기에서 출력된 신호와 상기 제2 검출기에서 출력된 신호를 믹싱하는 믹서;
상기 믹서에서 출력된 신호에서 고주파수 성분을 제거하여 출력하는 필터; 및
상기 필터에서 출력된 신호의 위상값을 출력하는 위상 측정기를 포함하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.The method of claim 1 or 2, wherein the density meter
A frequency multiplier for amplifying the frequency of the signal output from the first detector by two times;
A mixer for mixing the signal output from the frequency multiplier and the signal output from the second detector;
A filter that removes and outputs a high-frequency component from the signal output from the mixer; And
Plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer comprising a phase measuring device for outputting a phase value of the signal output from the filter.
상기 측정된 위상값에 대응되는 플라즈마의 밀도 값을 산출하는 디지타이저(digitiger)를 더 포함하는 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치.
The method of claim 9, wherein the density meter
Plasma density measuring apparatus using a distributed interferometer further comprising a digitizer for calculating a plasma density value corresponding to the measured phase value.
상기 플라즈마를 가두는 핵융합 장치의 진동에 의해 유발된 진동 노이즈 성분이 제거된 위상값인 분산 간섭계를 이용한 플라즈마 밀도 측정 장치. The method of claim 9, wherein the phase value is
Plasma density measuring apparatus using a dispersion interferometer, which is a phase value from which vibration noise components caused by vibration of the fusion device confining the plasma are removed.
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---|---|---|---|---|
CN114423137A (en) * | 2022-02-25 | 2022-04-29 | 中国科学技术大学 | Resonance laser interferometer for diagnosing particle number density in plasma of divertor |
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2020
- 2020-04-23 KR KR1020200049109A patent/KR102253837B1/en active IP Right Grant
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