High Precision FPGA-Based Phase Meters for Infrared Interferometers Fusion Diagnostics

Los interferometros son dispositivos que se utilizan para medir variaciones de caminos ópticos. En el caso de un plasma, estas variaciones de caminos ópticos son proporcionales a la integral electrónica de línea del plasma. La longitud de onda a utilizar depende de diversos factores. En primer lugar la densidad electrónica máxima a medir que ha de ser menor que la densidad de corte para esa longitud de onda, lo que asegurará que la radiación se propagará por el plasma incluso cuando se haya alcanzado la densidad máxima. Otro factor limitante viene dado por la refracción que causa la desviación de los haces y eventualmente puede conducir al desalineamiento transitorio del sistema. Este factor es más densidades electrónicas cercanas al valor de la densidad de corte. Para longitudes de onda cortas (infrarrojo medio), este efecto es menos acusado. Sin embargo, los sistemas que utilizan longitudes de onda cortas son más sensibles a vibraciones mecánicas y a derivas térmicas, lo que hace necesario utilizar otro interferómetro para cancelar estos efectos. Estos dispositivos reciben el nombre de interferómetros de dos colores. Dos haces se utilizan como referencia y otros dos haces cruzan el plasma. Cuando estos haces alcanzan los detectores se generan dos seales de interferencia. Comparando las fases de estas seales de interferencia con dos seales sinusoidales extraídas directamente de un oscilador se obtienen las variaciones de los caminos ópticos. El dispositivo TJ-II es un stellarator tipo heliac de tamaño medio instalado en el Laboratorio Nacional de Fusión perteneciente al CIEMAT para el estudio de plasmas helicoidales en un amplio rango de parámetros. El plasma se genera inicialmente utilizando calentamiento por ECRH basado en dos gyrotrones operando a 53.2 0Hz, capaces de entregar una potencia de 200 kW cada uno al plasma. Con este método se pueden generar plasma con densidades electrónicas en el orden de < n, >= 1,7. 10’9m3. A partir de este valor se alcanza la densidad de corte para las ondas de 53.2 0Hz y son reflejadas. Para aumentar más la densidad de los plasmas se utiliza un sistema de calentamiento por inyección de haces neutros NBI. Este sistema consiste en dos inyectores NBI (neutros de hidrógeno) capaces de entregar una potencia al plasma cada uno de 550 kW. Con este sistema se pueden generar plasma con densidades electrónicas del orden de < n >= 8 1019 m3. Para medir en este rango de densidades se utiliza un interferómetro de dos colores operando en el infrarrojo medio. Este interferómetro cuenta con un único canal y utiliza dos longitudes de onda, CO2- Nd:YAG (10.591[tm-1.0641ttm). Durante varias campañas experimentales se ha utilizado rutinariamente un sistema de medida de fase off-line. Actualmente un sistema multicanal de haz expandido se está desarrollando para la medida del perfil espacial de densidad electrónica en el dispositivo TJ-II. Este sistema, inicialmente será capaz de medir tres integrales de línea. Para este propósito, se deberá medir la fase de ocho seales simultáneamente: tres interferencias de CO2, tres interferencias de Nd:YAG y dos seales de referencia. Para realizar este proceso online, se requieren sistemas de adquisición y de procesamiento ultra rápidos así corno algoritmos de procesamiento de seal eficientes. Para interferómetros multicanal los sistemas de adquisición deben tener múltiples entradas y las seales deben ser filtradas y procesadas simultáneamente en paralelo a altas velocidades. La tecnología digital actual permite hacerlo utilizando FPGAs de una manera flexible, precisa y rápida. En esta Tesis, se describen diversos algoritmos novedosos de procesamiento digital de seal para el calculo de la densidad electrónica de línea en interferómetros de infrarrojo para fusión. Estos algoritmos se han implementado en dispositivos tipo FPGA, donde después de un proceso ultra rápido de digitalización la densidad electrónica de línea se ha calculado en tiempo real. Durante el disco del sistema de procesamiento se han considerado diversas fuentes de error. En particular la implementación en las FPGAs ha de realizarse en punto fijo lo que origina la aparición de los efectos de cuantificación como el ruido de redondeo. Los algoritmos de procesamiento de seal propuestos son típicamente no-henales por lo que se ha desarrollado un marco basado en aritmética afín modificada y chaos polinómico de Legendre para evaluar estos efectos. Finalmente se presentar resultados del interferómetro del TJ-II con plasma y del prototipo de pruebas para el W7-X en condiciones estáticas (sin plasma).