Institut für Plasmaphysik

KERNFORSCHUNGSANLAGE JOLICH

des Landes Nordrhein-Westfalen - e. V.

ASSOZIATION EURATOM - KFA

Dielektrische Leiter und Antennen

für 2mm-Mikrowelleninterferometer hoher räumlicher

Auflösung zur Dichtemessung an Plasmen

von

Jül - 473 - PP April 1967

Als Manuskript gedruckt

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Berichte der Kern forsch u n g s an 1 a g e J ü 1 ich - Nr. 473

1 n s t i t u t f ü r P 1 a s m a p h y s i k J ü 1 - 473 - PP

Dok.: Microwave Interferometers Plasma - Density Measurement

DK: 535.417: 535.33 : 621.37.029.6 533.9.12: 531.75: 53.08

Zu beziehen durch: ZENTRALBIBLIOTHEK der Kernforschungsanlage JOlich, JOlich, Bundesrepublik Deutschland

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Dielektrische Leiter und Antennen

für 2mm-Mikrowelleninterferometer hoher räumlicher

Auflösung zur Dichtemessung an Plasmen

von

H. Hartwig

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Technische Ausführung

3. Ergebnisse

Literatur

1

2

3

7

1

1. Einleitung:

Bei zahlreichen Experimenten in der Plasmaphysik wird die Auf­

gabe gestellt, die räumliche Verteilung der Elektronendichte

in Plasmen zu bestimmen, die einen starken Dichtegradienten

aufweisen. Dazu kann eine direkte, lokale Messung der Elek­

tronendichte notwendig sein. Die Bestimmung von n aus der

Phasenverschiebung elektromagnetischer Wellen ist ein geeigne­

tes Verfahren.

Nachdem man Mikrowellengeneratoren hoher Leistung bis herab zu

Wellenlängen von 1 mm - entsprechend "cut-off "-Dichten von 15 -3 10 cm - herstellen kann, erschien es sinnvoll, diese Aufgabe

mit Hilfe eines Mikrowelleninterferometers zu lösen.

Werden bei einem Mikrowelleninterf erometer Sende- und Empfangs­

antenne außerhalb eines Plasmas angeordnet, dessen Dichtever­

teilung sehr ungleichförmig ist, so wird die erzielbare räum­

liche Auflösung durch zwei Umstände begrenzt:

1. Es wird über den gesamten Weg der Welle durch das Plasma

integriert. Falls die Durchstrahlungsrichtung .mit dem Dichte­

gradienten zusammenfällt, ist eine räumliche Auflösung in

dieser Richtung nur schwer möglich.

2. Die Querabmessungen des Strahlungsbündels werden bei Mikro­

wellen häufig durch die Beugung beherrscht /1/ (Bild 1).

Brauchbar sind Antennen, die am Meßort entweder viele

(N > 10) oder sehr wenige (N < 1) Fresnelzonen N exponieren.

Die Bedingung N > 10 bringt Verhältnisse wie in der geome­

trischen Optik, führt aber zu sehr großen Bündelabmessungen

CA >> A). Das Einhalten der Bedingung N < 1, d.h. das Ar­

beiten im Antennenfernfeld, führt bei kleiner Antennen­

fläche (A ~ A) zu sehr guter räumlicher Auflösung, bedingt

aber bei den erforderlichen großen Antennenabständen

(R >> A) eine außerordentlich hohe Dämpfung der zu übertra­

genden Welle. Die Breite des Fraunhofer'schen Beugungsmaxi­

mums wird nämlich um so größer, je kleiner A/A wird.

2

Diese Schwierigkeiten kann man leicht umgehen, wenn man Mikro­

wellenleitungen durch das Plasma unmittelbar bis zum inter­

essierenden Volumenelement hinführt. Um die Querabmessung des

Wellenleiters zu verkleinern, kann es sinnvoll sein, strecken­

weise dielektrische Wellenleiter zu verwenden. Besonders geeig­

net für diesen Zweck sind wegen der elektrischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften Quarzstäbe. Bei geeigneter Dimen­

sionierung kann man damit sowohl eine weitestgehende Leistungs­

konzentration im Stab als auch Dämpfungswerte erzielen, die

denen der Hohlleitungen für kurze Millimeterwellen vergleich­

bar sind. Die Verwendung möglichst kleiner Wellenlängen

empfiehlt sich wegen der damit erzielbaren hohen cut-off-Dichte

und der guten räumlichen Auflösung.

2. Technische Ausführung:

Es wurde ein System dielektrischer Antennen für ein 2mm-Mikro­

welleninterf erometer gebaut. Als Wellenleiter wurden runde

Quarzstäbe von 3 mm Durchmesser verwandt. Der Übergang von der

Normhohlleitung WR 7 auf die dielektrische Leitung wurde als

Konuspassung ausgeführt, wodurch sowohl die mechanischen und

vakuumtechnischen Probleme, als auch die der elektrischen An­

passung gemeistert werden können. Die als Übergänge vorgesehe­

nen Enden der Quarzstäbe wurden zu einem Kegel geschliffen.

Zur Herstellung der entsprechenden Konushülsen an den Hohl­

leiterenden wurde ein Spezialbohrer verwandt. Die konischen

Stabenden können dann ähnlich wie ein Glasschliff eingesetzt

werden. Zur unverrückbaren Fixierung und vollkommenen Ab­

dichtung werden sie beim endgültigen Aufbau mit Epoxydharz

eingeklebt.

Da die Durchführung der Mikrowellen-Leitungen in das Entla­

dungsgefäß nicht an jeder beliebigen Stelle möglich ist und im

Falle der geforderten Verschiebbarkeit der Antennen zweck­

mäßigerweise nur an einer Stelle erfolgt, müssen die dielek­

trischen Leiter relativ eng nebeneinander geführt und gegebe­

nenfalls gekrümmt werden können. Daher wurden der erforderliche

3

Mindestabstand der Leiter und verschiedene Typen von Krümmungen

experimentell untersucht. Die Strahlunp,sdiagramme verschiedener

Formen der freien Leitungsenden wurden ebenfalls ausgemessen.

In einem Interferometer-Versuchsaufbau mit dielektrischen Lei­

tern und Antennen im Meßarm wurde die Funktion mit einer

dielektrischen Stufenplatte überprüft. Schließlich wurden

Dichtemessungen in einem Plasmaexperiment durchgeführt.

3. Ergebnisse:

A) Bestimmung des Mindestabstandes zweier parallel geführter

Quarzleiter.

Auf die Ermittlung der Koppeldämpfung als Funktion des

Achsenabstandes der Quarzstäbe wurde verzichtet, Die Messung

beschränkte sich darauf, den Abstand zu bestimmen, bei dem

die Koppeldämpfung pro Zentimeter parallel geführter Leitung

um 50 DB größer ist als die Dämpfung einer gleichlangen

dielektrischen Leitung. Dieser Abstand betrug 1 mm.

B) Messung der Strahlungsdiagramme verschiedener Antennen­

formen. Verwendet wurde als Empfangsantenne ein Philips-Hornstrahler

mit einer Halbwertsbreite von etwa 10°. Die Messung erfolgte

im Fernfeld der Sendeantenne.

Folgende Formen wurden untersucht:

a) Gerade abgeschnittener Quarzstab. Bild 2. Das Strahlungsdiagramm zeigt keine Nebenmaxima.

Die Richtwirkung ist mit einer Halbwertsbreite von

44 Grad gering. Sie stimmt mit der näherungsweisen

Rechnung als Breite des Hauptmaximums bei Fraunhofer'scher

Beugung gut überein.

b) Unter 45 Grad abgeschnittener Quarzstab. Bild 3. Das Strahlungsdiagramm ist etwas breiter als bei

B)a) und enthält schwache Nebenmaxima.

4

C) Untersuchung verschiedener Formen gekrümmter Antennen.

Die Strahlungsdiagramme folgender Stabformen wurden ausge­

messen:

a) Quarzstab am Ende mit einem Krümmungsradius von 20 mm um

90° abgewinkelt. Ende gerade abgeschnitten. Das Strah­

lungsdiagramm in Achsenrichtung am Stabende entspricht

dem des geraden Stabes.

b) Quarzstab am Ende mit einem Krümmungsradius von 3 mm um

90° abgewinkelt. Ende gerade abgeschnitten. Das Strah­

lungsdiagramm weicht von dem der Anordnung C)a) sehr

stark ab. Die Abstrahlung erfolgt nahezu gleichstark im

Quadranten zwischen der geknickten Stabachse und der Ver­

längerung der ungeknickten Stabachse mit einem schwachen

Maximum bei 50°. Diese Form ist zur Führung der Welle

bei Richtungsänderung unbrauchbar.

c) Quarzstab am Ende mit einem Krümmungsradius von 3 mm ab­

gewinkel t und Knie bis zum Schnittpunkt der Stabachsen

unter 45 Grad zur Stabachse plangeschliffen. Das Strah­

lungsdiagramm entspricht etwa dem der Form B)b).

Die besten Wellenführungseigenschaften hat offenbar eine

Krümmung, deren Radius groß gegen den Stabdurchmesser

ist.

D) Überprüfung der Interferometerfunktion.

Es wurde ein Mach-Zehnder-Interferometer aufgebaut, bei dem

die Transmission im Meßarm zwischen zwei im Abstand von 10mm

parallel geführten, am Ende unter 45 Grad abgeschnittenen

Quarzstäben erfolgte (Antennenform B)b)). Eine Stufenplatte

aus Polystyrol mit den Stärken 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 2,5 mm

wurde zwischen die Antennen eingeführt und die zur Kompen­

sation der Änderung der optischen Weglänge durch die Stufen­

platte gehörige Verstellung des Phasenverschiebers abgele­

sen. Es ergab sich im Rahmen der Toleranzen von Stufen­

scheibe und Phasenschieber eine lineare Abhängigkeit zwischen

Stärke des Dielektrikums und Phasenschiebung,

5

E) Einsatz an einem Plasmaexperiment.

Für ein Plasmaexperiment wurde ein Interferometer mit ver­

stellbarer Antennensonde im Meßzweig gebaut. Es diente zu

Dichtemessungen im "Afterglow-Plasma" einer elektrodenlosen

Gasentladung. Das zylindrische Entladungsgefäß von 20 cm

Durchmesser und 130 cm Länge wird von einer 45 cm langen

Magnetfeldspule umschlossen. Die Antennenleitungen wurden

achsenparallel durch die Endverschlußplatte des zylindri­

schen Entladungsrohres geführt. Die flexible Abdichtung ge­

währleistet ein Tombakrohr (Bild 4). Im Bereich der Kom­

pressionsspule bestehen die Mikrowellenleiter aus Quarz­

stäben, die so geformt sind, daß der Transmissionswe~

zwischen den Antennenspitzen etwa 2 mm beträgt. In diesem

Bereich verläuft der Vektor der elektrischen Feldstärke

parallel zur Feldlinienrichtung des komprimierenden Magnet­

feldes. Die Sondenverstellung ermöglicht eine radiale Ab­

tastung des Entladungsrohres.

Die Messungen dienten zur Ermittlung des zeitlichen Verlau­

fes der Elektronendichte als Funktion des Radius im nach­

leuchtenden Plasma.

Bild 5 zeigt den Vergleich eines gemessenen Interferometer­

signals mit einem errechneten Interferogramm unter der Be­

dingung d/~ = 1,5. Zwei der bei verschiedenen Radien gemesse­

nen Interferometersignale sind in Bild 6 dargestellt und

zeigen die räumliche Abhängigkeit des Verlaufs der Elektro-

nendichte.

Im Augenblick wird versucht, das beschriebene Verfahren für

die Ausmessung des ~ektronendichteprof ils der Stoßwellen­

front einer magnetohydrodynamischen Stoßwelle einzusetzen.

Erst dann würde das große räumliche Auflösungsvermögen der

Sonde ausgenutzt.

Das zeitliche Auflösungsvermögen des Interferometers wird

bei hochohmiger Belastung durch den Innenwiderstand des

Gleichrichters und die schädliche Kapazität des Detektor­

meßkopfes bestimmt. Da der Innenwiderstand des Gleichrichters

mit wachsender HF-Leistung fällt, muß man auf geringe

6

Dämpfung im Meßzweig des Interferometers besonderen Wert

legen. Im vorliegenden Fall betrug die Dämpfung der Antennen­

sonde 17 dB.

Der Autor möchte Herrn Dr. F. Waelbroeck, Herrn Dr. E. Hintz

und Herrn Dipl.-Phys. H. Beerwald für anregende Diskussionen

sowie Herrn Ing. E. Brandt und Herrn E. Noczinski für ihre Hilfe bei den Messungen danken.

7

Literatur:

/1/ Heald, Wharton: Plasma Diagnostic with Microwaves, p. 141,

John Wiley & Sons Inc.

/2/ Hintz, E.: First European Conference on Controlled Fusion

and Plasma Physics, München 1966

/3/ Hintz, E.: Conference on Turbulence and Collision Free

Shock Waves in Plasmas, Cleveland 1966

(wird veröffentlicht in Journal of Nuclear

Energy, Part C)

Hornantenne

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Beobachtungsebene j ~

A 1

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R ,

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Bild 1: Zur Beugung an Mikrowellenantennen

D/dB

Bild 2: Strahlung sdiagramm eines gerade abgeschnittenen

Quarzstabes

Bild 3: Strahlungsdiagramm eines unter 45 Grad abgeschnittenen Quarzstabes

Antennenspitzen

Krümmung

Hohlleitung WR7

flexible Abdichtung

Anschlußflansche

Bild 4: Antennensystem mit vakuumdichter Durchführung

a) beobachtetes Sondensignal 50 µs/Skt Afterglow in Argon

b) gerechnetes Interfero­metersignal, d/~ • 2 (d ·Antennenabstand N -augenblickliche

Elektronendichte Nc•cut-off-Dichte)

Bild 5: Vergleich eines beobachteten Sondensignals mit einem

gerechneten Interferometersignal

20 µs/Skt Rohrdurchmesser 20 cm

a) Antennen 3 cm von der Rohrachse entfernt

b) Antennen 9,5 cm von der Rohrachse entfernt

Bild 6: Räumlich aufgelöste Interferometersignale eines ab­

sterbenden Deuteriumplasmas