Metodología para el diseño de diagnósticos interferométricos de alta resolución espacial para la medida de perfiles de densidad electrónica en plasmas de fusión: el interferómetro heterodino de haz expandido y de dos longitudes de onda del Stellarator TJ-II

Este trabajo de tesis doctoral desarrolla una metodología para el diseño de diagnósticos interferométricos multicanal para la medida de perfiles de densidad electrónica de alta resolución espacial en plasmas de fusión confinados magnéticamente y su validación a través del diseño de un diagnóstico para el stellarator TJ-II. A mediados del siglo XX surge la fusión termonuclear como una solución y alternativa a los problemas que se derivan del uso de los combustibles fósiles como fuentes de energía. Para obtener una reacción de fusión termonuclear entre deuterio y tritio (combustibles típicos en este tipo de fusión) se necesita alcanzar muy altas temperaturas y ser confinada en un tiempo específico. En dispositivos de fusión por confinamiento magnético (tokamak y stellarator), al alcanzar estas temperaturas la materia se convierte en plasma y dicha reacción es controlada mediante fuertes campos magnéticos. Para estudiar el comportamiento del plasma confinados magnéticamente existen varios diagnósticos, entre ellos las técnicas interferométricas. Podemos determinar la densidad electrónica local del plasma a través del desfase que introduce el plasma a una onda electromagnética cuando lo atraviesa en un punto concreto Para obtener un control total sobre la evolución temporal y espacial de la densidad electrónica obteniendo así información sobre diferentes fenómenos relacionados con el transporte de energía y partículas se debe iluminar el plasma en varios puntos muy próximos entre sí simultáneamente para obtener un perfil de densidad de alta resolución espacial. Por ello, surgen los sistemas interferométricos multicanal entre los que cabe destacar los interferómetros de haz expandido que iluminan el plasma con un solo haz de medida y poseen mayor resolución que los sistemas interferométricos de haces discretos. Los interferómetros de haz expandido presentan varios inconvenientes. Desde el punto de vista de diseño, no es trivial el diseño del brazo de medida ya que depende de las dimensiones de los accesos que poseen los dispositivos de fusión así como la propagación de los haces desde la mesa óptica donde están las fuentes láser hasta el interior del dispositivo. Por tanto, el uso de programas de diseño óptico permite simular y posteriormente diseñar complejos brazos de medida a priori antes de la instalación del interferómetro. Desde el punto de vista instrumental, existen varias fuentes de error que perjudican la obtención de la medida de densidad electrónica como son la pobre calidad del frente de onda del haz expandido de medida, los niveles de crosstalk óptico y electrónico asociados a la electrónica y a los elementos fotodectores empleados en la medida y muestreo del frente de fase interferencial, las variaciones de fase espurias debidas a las vibraciones mecánicas presentes en el entorno del dispositivo de fusión y el propio interferómetro, y la posterior aplicación de métodos de interpolación para la reconstrucción de dicho frente de fase y cancelación de las variaciones de fase debidas a dichas vibraciones mecánicas. Para la calibración de la calidad del frente de onda heterodino, la evaluación del crosstalk y el estudio de métodos de interpolación para la reconstrucción de frentes de fase se diseñó un interferómetro homodino/heterodino de haz expandido de He-Ne (0.633μm). En dicho esquema interferómetrico se utilizó un detector de fase multicanal basado en demodulación I/Q de alta precisión en la medida de fase. Posteriormente se traslada este estudio a un interferómetro heterodino de haz expandido de dos longitudes de onda CO2/He-Ne (10.6 μm/0.633μm) para validar esta metodología extendida a un sistema con dos longitudes de onda y evaluar la capacidad de sustracción de variaciones de fase debidas a las vibraciones mecánicas. El diseño de este prototipo interferométrico ha sido diseñado mediante el programa de diseño óptico Zemax. Además, se ha diseñado en colaboración con la empresa Vigo System un array fotolvotaico de 32 elementos para la medida del frente de onda interferencial de CO2. Tras la validación de la metodología de diseño para este tipo de interferómetros, se diseña y se instala un interfrómetro heterodino de haz expandido de CO2/Nd:YAG (10.6 μm/1.064μm) en el stellarator TJ-II (LFN-CIEMAT) con 17 líneas de visión y 3mm de resolución espacial en el plasma. Para ello, previamente se ha simulado mediante el programa Zemax permitiendo controlar la propagación de los haces a lo largo de ambos brazos del interferómetro. La mayoría de los elementos ópticos, así como sus monturas, han sido diseñados a medida debido a las especificaciones de nuestro diseño. Además se presenta el detector de fase multicanal, los sistemas de detección que se emplean para la medida de los frentes de onda interferenciales para ambas longitudes de onda y la etapa de acondicionamiento de señal previa al detector de fase. Por último, se presenta los resultados experimentales obtenidos tras la instalación de este sistema interferométrico durante los meses de Junio-Noviembre de 2010 y las conclusiones finales obtenidas tras este trabajo de tesis

Fault location in full-duplex optical fibre links using synchronized decay time detection

La ponencia se presentó en: VIII Reunión Española de Optoelectrónica OPTOEL’13 , celebrado los días 10-12 de Julio de 2013, lugar de celebración Alcalá de Henares (España).En este trabajo, se muestran los resultados obtenidos durante la evaluación experimental de un método de localización de cortes en enlaces full-dúplex de fibra óptica, empleando un método alternativo a medidas con Reflectómetros Ópticos en el Dominio del Tiempo (OTDR). El método utilizado consiste en comparar los tiempos de caída en los dos extremos del enlace de manera sincronizada cuando se produce un corte de fibra. Se han evaluado dos tipos de tecnologías de fibra, multimodo y monomodo, analizando las prestaciones del método en cada caso y para varios tipos de rotura de cable, considerando y comparando la precisión de las medidas así como las máximas distancias soportadas.Este trabajo ha sido financiado por los proyectos CICyT TEC2012-37983-C03-02 y FP7-ICT-2011 DISCUS (318137).European Community's Seventh Framework ProgramPublicad

Fault location in full-duplex plastic optical fiber links using synchronized decay time detection

The proceeding at: 22nd International Conference on Plastic Optical Fibers (POF 2013), took place in 2013 September,11-13, in Armação dos Buzios, Rio de Janeiro, (Brasil). The event Web site at: http://www.pof2013.org.br/ .In this work, a low cost fiber-fault location technique in full-duplex plastic optical fiber links is reported. The employed method consists of using real time measurements of overlaid optical supervision signals employed simultaneously at both ends of the plastic fiber link during operation, comparing the decay time detection at both ends of the link when a fiber fault occurs. The proposed technique is successfully demonstrated over Graded Index (GI) Plastic Optical Fiber (POF) linksThis work has been sponsored by the Spanish Ministries of Economy and Education (grants nº TEC2012-37983-C03-02 and Ref. PRX12/00007).Publicad

Calibration of a high spatial resolution laser two-color heterodyne interferometer for density profile measurements in the TJ-II stellarator

Proceedings of: 17th Topical Conference on High-Temperature Plasma Diagnostics, Albuquerque, New Mexico, 11-15 May 2008A high spatial resolution two-color (CO2, lambda=10.6 mum, He-Ne, lambda=633 nm) interferometer for density profile measurements in the TJ-II stellarator is under development and installation, based in the currently operational single channel two-color heterodyne interferometer. To achieve the objectives of 32 channels, with 4-5 mm lateral separation between plasma chords, careful design and calibration of the interferometric waveforms for both the measurement and vibration compensation wavelengths are undertaken. The first step has been to set up in our laboratories an expanded-beam heterodyne/homodyne interferometer to evaluate the quality of both interferometric wavefronts, a reported source of poor vibration compensation and thus low resolution in the density profile measurements. This novel interferometric setup has allowed us to calibrate the spatial resolution in the profile measurements resulting in ~2 mm lateral resolution in the reconstruction of the interferometric wavefront