Способ имитационного контроля функционирования микроволновых рефлектометров и устройство для его реализации

(51) 01 27/00 (2012.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Устройство для реализации способа имитационного контроля функционирования рефлектометров, в котором статический имитатор низкотемпературной плазмы выполнен в виде двух сборок ртутных ламп, динамический имитатор высокотемпературной плазмы, выполнен в виде поглощающего объекта со встроенным короткозамкнутым отражателем(блестящей точкой),изменяющим свое положение в пространстве относительно антенны диагностики более чем на половину длины волны излучаемого сигнала, при этом динамический имитатор высокотемпературной плазмы расположен между сборками ртутных ламп и все три имитатора расположены в одной плоскости, образуя комплексную отражающую поверхность, отличается тем, что статический имитатор низкотемпературной плазмы выполнен в виде единой сборки из ртутных ламп, в центральной части которой, расположенной перед короткозамкнутым отражателем, выполнено щелевое отверстие, ширина которого равна ширине диаграммы направленности излучателя диагностики на уровне половины мощности, частота модуляции задается частотой сканирования короткозамкнутого отражателя, а сборка ртутных ламп частично радиопрозрачна в рабочем диапазоне частот и расположена перед динамическим имитатором высокотемпературной плазмы на расстоянии,соответствующем дальней зоне излучателя короткозамкнутого отражателя. Предлагаемое техническое решение направлено на повышение информативности регистрируемого сигнала при имитации динамических эффектов в плазме, в частности эффекта Допплера, и обеспечение возможности корректной интерпретации экспериментальных результатов. В рамках работ по научно-технической тематике Института атомной энергии подтверждено, что способ и реализованный на его основе имитационный стенд обеспечивают необходимый уровень информативности путем имитации на входе диагностики необходимой совокупности сигналов,два из которых позволяют задать необходимый уровень помехоустойчивости. Колтыгин Олег ВасильевичЛогачев Юрий Владимирович(73) Дочернее государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Институт атомной энергии Республиканского государственного предприятия на праве хозяйственного ведения Национальный ядерный центр Республики Казахстан Министерства индустрии и новых технологий Республики Казахстан(56) Колодешников А.А., Колтыгин О.В., Логачев Ю.В. и др. Исследование точностных характеристик и проведение калибровки микроволновых и рентгеновских систем диагностики плазмы. Итоговый отчет о НИР за 2011 год. УДК 533.56 621.039.66, Инв.0211 РК 01442- Курчатов, 2011(54) СПОСОБ ИМИТАЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ МИКРОВОЛНОВЫХ РЕФЛЕКТОМЕТРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ(57) Изобретение относится к области технологий выполнения контроля функционирования микроволновых диагностик плазмы,обеспечивающих определение границы плазменного пучка с использованием радаров-рефлектометров, а именно к способам аппаратурной имитации передней и дальней границы плазменного пучка. Предлагаемый способ имитационного контроля функционирования микроволновых рефлектометров, основанный на излучении сигнала диагностики в направлении расположенных на одном уровне статических имитаторов низкотемпературной и высокотемпературной плазмы,и динамического имитатора высокотемпературной плазмы,и приеме отраженных от них сигналов отличается тем, что в результирующем отраженном сигнале формируется дополнительная аддитивная составляющая,модулированная имитируемой частотой Допплера и несущая информацию о динамических изменениях в низкотемпературной плазме Техническое решение - изобретение относится к области технологий выполнения контроля функционирования микроволновых диагностик плазмы, обеспечивающих определение границы плазменного пучка с использованием радароврефлектометров, а именно к способам аппаратурной имитации передней и дальней границы плазменного пучка. С учетом современных требований контроль параметров токамаков,и,в частности,материаловедческого токамака КТМ предполагает использование целого ряда специальных систем физических диагностик, совокупность которых должна обеспечить необходимый объем информации о текущих параметрах плазмы. Одними из наиболее информативных систем,обеспечивающих определение границы плазменного пучка и используемых в системах управления токамаком, являются системы микроволновой диагностики - рефлектометры. В связи с этим к контролю их функционирования предъявляются особо жесткие требования. С радиотехнической точки зрения эти устройства являются системами ближней радиолокации (радарами). Принцип их работы основан на излучении зондирующего СВЧ сигнала в диапазоне частот 15 - 40 ГГц,последующей регистрации и анализе отраженного сигнала, и с этим связаны специфика их калибровки и контроля функционирования. В реальных условиях токамака в качестве отражающего или поглощающего объекта выступает плазма. Для тестирования и калибровки рефлектометров в лабораторных условиях необходима имитация отражающего объекта и от способа имитации и степени приближения к реальным условиям зависит достоверность получаемых тестовых параметров диагностики. Известен способ имитационного контроля функционирования микроволновых рефлектометров Колодешников А.А., Колтыгин О.В., Логачев Ю.В. и др. Разработка методики оценки точностных характеристик микроволновых диагностик с использованием систем оптического диапазона длин волн и СВЧ-излучения с частотной модуляцией. Промежуточный отчет о НИР за 2010 год. УДК 533.56 621.039.66, Инв.0211 РК 00851 - Курчатов,2010. (Фиг.1), основанный на излучении сигнала (3) диагностики (1) в направлении статического (2) и динамического(отражающей) плазмы,приеме и обработке отраженных от них сигналов(4). Известно устройство для реализации способа имитационного контроля функционирования рефлектометров Колодешников А.А., Колтыгин О.В., Логачев Ю.В. и др. Исследование точностных характеристик и проведение калибровки микроволновых и рентгеновских систем диагностики плазмы. Итоговый отчет о НИР за 2011 год. УДК 533.56 621.039.66, Инв. 0211 РК 01442 Курчатов, 2011. (Фиг.1), в котором статический имитатор (2) высокотемпературной (отражающей) плазмы, выполнен в виде отражающего объекта 2(металлической трубы), приеме и обработке отраженных от него сигналов (4). Для имитации динамических флуктуаций положения границы плазмы в статический имитатор встроен программно управляемый оптический сканер (5) с отражающим зеркалом. Периодическое изменение углового положения зеркала позволяет имитировать изменения фазы отраженного сигнала, связанных с флуктуациями плазменной границы. Данный способ и устройство реализуют условия отражения электромагнитного сигнала от идеального отражателя, что является очень приближенной имитацией отражения сигнала от высокотемпературной плазмы, и с этим связаны их недостатки. Недостатками данного способа и устройства для его реализации являются невозможность учета реальных и более сложных динамических физических эффектов, происходящих в процессе генерации и удержания плазмы, в частности,нестационарный характер (флуктуации) границы плазменного пучка и изменения его плотности. В результате данных эффектов, и, следовательно,изменения амплитуды и фазы принимаемого сигнала, возникают факторы, принципиально влияющие на точность определения границы плазменного пучка и вызывающие значительные отклонения параметров диагностик от заявленных паспортных значений. Одним из наиболее значимых эффектов является эффект Допплера, за счет которого возникает дополнительное изменение фазы отраженного сигнала. Решением данной проблемы может быть проведение тестовых измерений в условиях имитации динамических физических процессов,сопутствующих условиям генерации и удержания плазмы токамака. Данное решение предполагает необходимость имитации в процессе измерений границы низкотемпературной(отражающей) плазмы и флуктуацию этих границ. Одним из эффективных и дешевых способов имитации границы высокотемпературной(отражающей) плазмы, рассмотренных в рамках решения данной задачи, является использование сборки ртутных ламп Пермяков В.А. Радиолокационные характеристики искусственных плазменных образований тез. докл. международная конференция по спиновой электронике (секция по гиромагнитной электронике и электродинамике) / В.А. Пермяков, А.К. Лебедев,И.В. Дорофеев Москва 14 ноября 1999. - Москва,1999. - 307 с Известен способ имитационного контроля функционирования микроволновых рефлектометров Колодешников А.А., Колтыгин О.В., Логачев Ю.В. и др. Исследование точностных характеристик и проведение калибровки микроволновых и рентгеновских систем диагностики плазмы. Итоговый отчет о НИР за 2011 год. УДК 533.56 621.039.66, Инв.0211 РК 01442- Курчатов, 2011.(Фиг.2), наиболее близкий к предлагаемому решению, основанный на излучении сигнала (5) диагностики (1) в направлении расположенных на одном уровне статических имитаторов низкотемпературной (2) и высокотемпературной плазмы(4),и динамического имитатора высокотемпературной плазмы (3), и приеме отраженных от них сигналов (6). Известно устройство для реализации способа имитационного контроля функционирования рефлектометров Колодешников А.А., Колтыгин О.В., Логачев Ю.В. и др. Исследование точностных характеристик и проведение калибровки микроволновых и рентгеновских систем диагностики плазмы. Итоговый отчет о НИР за 2011 год. УДК 533.56 621.039.66, Инв.0211 РК 01442 Курчатов, 2011. (Фиг.2), наиболее близкое к предлагаемому решению, в котором статический имитатор низкотемпературной плазмы выполнен в виде сборки ртутных ламп (2) Пермяков В.А. Радиолокационные характеристики искусственных плазменных образований тез. докл. международная конференция по спиновой электронике (секция по гиромагнитной электронике и электродинамике) / В.А. Пермяков, А.К. Лебедев,И.В. Дорофеев Москва 14 ноября 1999. - Москва,1999. - 307 с., динамический имитатор высокотемпературной плазмы, выполнен в виде поглощающего объекта (4) со встроенным короткозамкнутым отражателем (блестящей точкой)(3), изменяющим свое положение в пространстве более чем на половину длины волны излучаемого сигнала, при этом динамический имитатор высокотемпературной плазмы расположен между сборками ртутных ламп и все три имитатора расположены в одной плоскости, образуя комплексную отражающую поверхность отличается тем, что статический имитатор низкотемпературной плазмы выполнен в виде единой сборки из ртутных ламп, в центральной части которой, расположенной перед короткозамкнутым отражателем, выполнено щелевое отверстие, ширина которого равна ширине диаграммы направленности излучателя диагностики на уровне половины мощности, частота модуляции задается частотой сканирования короткозамкнутого отражателя, а сборка ртутных ламп частично радиопрозрачна в рабочем диапазоне частот и расположена перед динамическим имитатором высокотемпературной плазмы на расстоянии,соответствующем дальней зоне излучателя короткозамкнутого отражателя. Ключевыми факторами предлагаемого технического решения являются имитация низкотемпературной(поглощающей) и высокотемпературной (отражающей) плазмы, а также имитация динамических процессов в обоих типах плазмы, в первую очередь эффекта Допплера,сопровождающего процесс генерации и удержания плазмы и непосредственно влияющего на точность определения границы плазмы методами микроволновой диагностики. Реализация способа контроля функционирования рефлектометров и устройства для его реализации осуществляется следующим образом. Работы по реализации предлагаемого способа и устройства для его реализации включали в себя два этапа. На первом этапе работ выполнена отработка и реализация способа и устройства контроля функционирования микроволновых диагностик,наиболее близких к предлагаемому техническому решению (прототипу). Был проведен анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований,позволяющих подтвердить принципиальную возможность имитации поглощающей плазмы с помощью периодического экрана из диэлектрических элементов. В частности,рассмотрены коэффициенты прохождения электромагнитного излучения необходимого диапазона длин волн через сборку, выполненную из выключенных трубок ртутных ламп. Анализ подтвердил, что при соблюдении определенных условий некоторая фиктивная поверхность,являющаяся идеальным изотропным отражателем,будучи помещнной в точку расположения отражающего объекта нормально по направлению облучения, создает в точке расположения радара ту же плотность потока мощности, что и реальный объект. Это подтвердило, что в условиях имитационного стенда методически корректная имитация плазмы может быть сведена к динамической имитации амплитудных и фазовых изменений пограничного слоя плазменного пучка объектом с эффективной поверхностью рассеяния низкотемпературной плазмы на фоне стационарного объекта с эффективной поверхностью рассеяния,имитирующей пучок высокотемпературной плазмы. Аналогичные результаты были получены в ходе модельных экспериментов, проведенных в условиях имитационного стенда в Институте атомной энергии НЯЦ РК. Эти эксперименты показали количественное совпадение величины эффективной поверхности рассеяния в диапазоне частот 15 - 40 ГГц (т.е. в диапазоне работы рефлектометров) ртутной трубки длиной 400 мм и 50 мм экрана сканера. Это подтвердило возможность имитации с помощью управляемой блестящей точки динамических эффектов с пограничной низкотемпературной плазмой. По результатам работ на первом этапе был реализован имитатор, схема и внешний вид которого приведены на фигуре 2. Конструктивно динамический имитатор высокотемпературной плазмы представляет собой металлическую трубу с радиопоглощающим покрытием,в которую интегрирован управляемый сканер (выполняющий функцию короткозамкнутого отражателя, т.е. блестящей точки) таким образом, чтобы оси поворотного элемента сканера и отверстия в трубе совпадали. В качестве источника низкотемпературной плазмы в рамках предлагаемого технического решения используются две сборки ртутных ламп, устанавливаемых с двух сторон от сканера, образуя единую со сканером отражающую поверхность. Измерения выполнялись при частотах излучения 15,0 и 19,4 ГГц при двух 3 линейных поляризациях излучаемой волны. В целом, результаты подтвердили корректность методического подхода при имитации плазмы. Недостающим этапом имитационных работ,необходимых для повышения качества оценки точности измерений рефлектометра, была имитация динамических изменений в низкотемпературной плазме. Ключевым моментом предлагаемого технического решения является то, что сама ртутная лампа,имитирующая на стенде низкотемпературную плазму, используется как модулятор (в первую очередь, для имитации эффекта Допплера в низкотемпературной плазме) отраженного и проходящего сигнала, т.к. обладает большой амплитудной и фазовой дисперсией,связанной как с изменением тока ламп, так и инерционностью в диапазоне частот модуляции. В результате формируется и регистрируется результирующий отраженный сигнал, являющийся аддитивной суммой трех компонентов, каждая из которых несет необходимую информацию о соответствующих физических процессах сигнал, отраженный от низкотемпературной плазмы(1) 1 (-1)0(-1) сигнал, отраженный от высокотемпературной плазмы с допплеровским смещением частоты 2 (-2)д(-2)(2) сигнал, отраженный от низкотемпературной плазмы с допплеровским смещением частоты(3) 3 (-3)д(-3),где 1 - групповая задержка распространения излучаемого сигнала до границы низкотемпературной плазмы,2 - групповая задержка распространения излучаемого сигнала до границы высокотемпературной плазмы,3 - групповая задержка распространения излучаемого сигнала до границы низкотемпературной плазмы,синхронно перемещающейся с высокотемпературной плазмой. Под границей понимается такой градиент плотности плазмы,который является значимым для диагностики, т.е. находящийся в диапазоне ее чувствительности,0 - статический фазовый сдвиг,д - допплеровский фазовый сдвиг, - круговая частота сигнала, - текущее время, - текущее напряжение сигнала. Регистрируемая информационная составляющая в результирующем сигнале описывается следующим соотношением отр 1(1)2(2)3(3),(4) Результатом является возможность получения количественной оценки работоспособности диагностики в условиях воздействия отраженных сигналов(с синхронной и асинхронной составляющими) заданного уровня от разноплотностной плазмы. Заданное отношениеамплитуд сигналов,отраженных от разноплотностной плазмы,определяет 4 помехоустойчивость диагностики при проведении контроля ее функционирования и калибровке 2/(13).(5) Для реализации и оценки эффективности предложенного имитационного способа контроля функционирования рефлектометров на втором этапе работ был создан модернизированный динамический имитатор высокотемпературной и низкотемпературной плазмы, схема и внешний вид которого приведены на рисунке 3. Принцип формирования первой и третьей компонент результирующего сигнала (1 и 3,соответственно) проиллюстрирован на рисунке 4. В данной постановке задачи имитатор на ртутных лампах должен обеспечивать необходимый уровень отражений сигнала на периферийных углах диаграммы направленности антенны диагностики и ее боковых лепестков. Конструктивной основой модернизированного имитатора является имитатор, описанный выше и реализованный на первом этапе работ. Для обеспечения модуляции отраженного от имитатора низкотемпературной плазмы сигнала частотой Допплера данный имитатор выполнен в виде сплошной сборки ртутных ламп, а в его центральной части выполнено щелевое отверстие. Ширина щелевого отверстия(фиг.4) определяется шириной диаграммы направленности излучателя диагностики на уровне половины мощности. При ширине диаграммы направленности рефлектометра 1012 градусов и расстоянии между антенной диагностики и отражателем 180 см ширина щелевого отверстия составляет 14 см. Имитируемая частота Допплера задается частотой сканирования короткозамкнутого отражателя(сканера) и ее значение определяется в зависимости от решаемой задачи. В ходе модельных экспериментов по экспериментально полученным указанным выше размерам имитатора низкотемпературной плазмы и его положению относительно сканера выполнена количественная оценка необходимых частот вращения ротора сканера. Кроме этого по результатам модельных экспериментов была определена максимально допустимая частота возбуждения ртутных ламп 5 кГц,обеспечивающая их частичную радиопрозрачность и, как результат - формирование аддитивного имитационного сигнала. Полученная оценка видимой частоты вращения сканера в диапазоне длин волн рефлектометра (17-22 ГГц) составила от 25,8 до 45,5 Гц. Сформированный выше образом статический имитатор низкотемпературной плазмы в виде сборки ртутных ламп (частично радиопрозрачных в рабочем диапазоне частот) располагается на расстоянии 5-10 см перед короткозамкнутым отражателем. Данное расстояние обеспечивает нахождение сборки в дальней зоне диаграммы направленности излучателя. Сканирование максимума диаграммы направленности излучателя по обратной стороне сборки ламп, обусловленное изменением фазы отражателя,обеспечивает формирование имитационного сигнала с задержкой 3. В результате использования такого имитатора при его облучении СВЧ сигналом рефлектометра формируется трехкомпонентный отраженный сигнал,включающий в себя следующие имитационные составляющиесигнал, отраженный сборки ртутных ламп,имитирующий отражение от низкотемпературной плазмысигнал, отраженный от короткозамкнутого отражателя,имитирующий отражение от высокотемпературной плазмы с допплеровским смещением частотысигнал, отраженный от короткозамкнутого отражателя и прошедший через сборку ртутных ламп за счет их частичной радиопрозрачности,имитирующий допплеровский эффект на границе низкотемпературной плазмы. Благодаря этому в отраженном сигнале появляется динамическая информация о низкотемпературной плазме,обусловленная тем что фаза сигнала двойного прохождения,отраженного от имитатора низкотемпературной плазмы,модулирована динамическим имитатором высокотемпературной плазмы. С использованием данного имитатора на имитационном стенде Института атомной энергии НЯЦ РК выполнена проверка предложенного имитационного способа контроля функционирования рефлектометров и устройства для его реализации. По экспериментально полученным результатам выполнена количественная оценка необходимых имитационных параметров стенда и подтверждена техническая возможность реализации и эффективности предложенного способа контроля функционирования рефлектометров. Подтверждено, что способ и реализованный стенд обеспечивает необходимый уровень информативности путем имитации на входе диагностики необходимой совокупности сигналов,два из которых позволяют задать необходимый уровень помехоустойчивости. В частности,получено аппаратурное доказательство устойчивости диагностики к динамическим помеховым сигналам при соотношении сигнал/помеха порядка 10 дБ. Таким образом,поставленная перед изобретением техническая задача повышения информативности регистрируемого сигнала при имитации динамических эффектов в плазме, в частности эффекта Доплера, и обеспечения возможности корректной интерпретации экспериментальных результатов, решена. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ имитационного контроля функционирования микроволновых рефлектометров, включающий излучение сигнала диагностики в направлении расположенных на одном уровне статических имитаторов низкотемпературной и высокотемпературной плазмы,и динамического имитатора высокотемпературной плазмы,и приеме отраженных от них сигналов, отличающийся тем,что в результирующем отраженном сигнале формируют дополнительную аддитивную составляющую, модулированную имитируемой частотой Доплера и несущей информацию о динамических изменениях в низкотемпературной плазме. 2. Устройство для реализации способа имитационного контроля функционирования рефлектометров по п.1, в котором статический имитатор низкотемпературной плазмы выполнен в виде двух сборок ртутных ламп, динамический имитатор высокотемпературной плазмы, выполнен в виде поглощающего объекта со встроенным короткозамкнутым отражателем, блестящей точкой,изменяющим свое положение в пространстве относительно антенны диагностики более чем на половину длины волны излучаемого сигнала, при этом динамический имитатор высокотемпературной плазмы расположен между сборками ртутных ламп и все три имитатора расположены в одной плоскости, образуя комплексную отражающую поверхность, отличающееся тем, что статический имитатор низкотемпературной плазмы выполнен в виде единой сборки из ртутных ламп, в центральной части которой,расположенной перед короткозамкнутым отражателем,выполнено щелевое отверстие, ширина которого равна ширине диаграммы направленности излучателя диагностики на уровне половины мощности, частота модуляции задается частотой сканирования короткозамкнутого отражателя, а сборка ртутных ламп частично радиопрозрачна в рабочем диапазоне частот и расположена перед динамическим имитатором высокотемпературной плазмы на расстоянии,соответствующем дальней зоне излучателя короткозамкнутого отражателя.