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Feasibility studies on new Thomson scattering measurement schemes which can reject background noise caused by stray light

  • 이동근 (Donggeun Lee, 서강대학교 일반대학원)

초록/요약

It is essential to reject background noises caused by stray lights in a Thomson scattering (TS) measurement system, which has been extensively used for diagnosing temperature and density of electrons in a high temperature plasma. In this thesis, three new TS measurement schemes which can reject background noises are proposed. In these schemes, background noises are removed by making use of the fact that the differential cross section of the TS is proportional to the square of sine of the angle between the polarization of the incident probe pulse and the optic axis of the collecting optics, but background noises do not have the polarization dependence. The first and the second scheme uses a quarter-wave plate and a 45o Faraday polarization rotator to rotate the polarization of the incident optical pulse by 90o after round-trip pass. In the third scheme, a polarizing beam splitter and a half-wave plate is used for rotating the polarization by 90o in each laps of the four lapses, two lapses in one direction and two other lapses in the opposite direction, along the closed path formed by the PBS and folding mirrors. As a proof of the concept for our new schemes, the polarization dependency of Rayleigh scattering, which has much larger cross section than that of the Thomson scattering, and that of the background noise in N2 environment are studied quantitatively by using a test setup installed in the VEST, a small-scale experimental plasma reactor built in the Seoul National University. The polarization dependences are measured by rotating the polarization with a half-wave plate in the single pass arrangement. The ratio of measured scattering intensity between the optimum polarization direction and when the polarization is rotated by 90o is 46.56%, which is in good agreement with the corresponding theoretical calculation, 45.42%. In addition, feasibility studies on the background noise subtraction in the multi-pass scheme, for which the loss due to multiple reflections at the folding mirrors and the broadening of pulse width in the multi-pass propagation are not negligible, are presented. Artificially generated background scattering noise in the double-pass scheme is measured consecutively in each pass. The loss and the pulse broadening parameters are calculated by taking ratios of the fitting parameters to the Gaussian function between the first and the second trip pulses. After compensating for the loss and the pulse broadening, the background noise measured in the second trip is subtracted from that of the first trip pulse. Repeating these procedure 55 times, better than 90.93% rejection of background noise is confirmed.

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초록/요약

플라즈마의 전자온도와 전자밀도를 측정하는 진단 방법중 하나인 톰슨 산란은 그 크기가 매우 작기 때문에 미광(stray light)에 의한 배경잡음을 제거하는 것이 매우 중요하다. 배경잡음의 세기는 입사광의 편광에 무관한 반면, 톰슨 산란은 입사광의 편광에 따라 측정되는 세기가 달라진다. 이를 이용하여 본 논문에서는 입사광의 편광을 90도씩 돌려가며 다중왕복 시키면서 톰슨 산란을 측정하여 신호 처리함으로써 미광에 의한 배경잡음을 제거하는 세 가지 방안을 제시하였다. 첫 번째는 1/4 파장판(QWP; Quarter Wave Plate)를 이용하여 이를 왕복하는 입사광의 편광을 90도씩 돌려주는 방식을 적용하였고, 두 번째는 패러데이 회전자(Faraday rotator)를 이용하여 이를 왕복하는 편광을 90도씩 돌려주는 방식을 제시하고, 마지막으로 PBS와 HWP를 이용하여 매 회전마다 편광을 90도씩 돌려주는 고리형 왕복경로를 이용한 배경잡음 제거 방식을 제시하였다. 또한 위 방식들을 이용해서 미광에 의한 배경잡음을 제거할 수 있을지에 대한 타당성 연구(feasibility study)를 진행하였다. 광 검출기에 측정되는 산란신호의 편광의존성이 이론을 따르는지 확인하였고, 입사광이 다중왕복 진행하면서 산란광을 만드는지를 확인하였다. 그리고 이를 이용하여 입사광이 다중왕복 진행 할 때 생기는 배경잡음을 제거할 수 있는지 확인하였다. 이 때, 톰슨 산란 대신, 톰슨 산란보다 크기는 더 크지만 같은 편광의존성을 갖는 레일리 산란으로 실험하였다. 편광이 90도 돌아가기 전과 돌아간 후 광 검출기에서 측정되는 레일리 산란의 크기의 비는 이론적으로 계산한 결과 45.42%이고, 실험적으로는 46.56%로 측정되었다. 따라서 광 검출기에 측정되는 산란신호의 편광의존성이 이론을 따르는 것을 확인하였다. 또한 입사광이 다중왕복하면서 생긴 레일리 산란 간의 시간차를 분석해서 광학 시스템의 길이를 계산하고 이를 실제로 측정한 광학 시스템의 길이와 비교하였다. 실험 결과 전체 광학 시스템의 절반에 가까운 길이에서 약 9.4%, 나머지 절반에서 7.7%의 오차가 생겼고, 전체 광학 시스템 전체의 길이에서는 0.95%의 오차로 레일리 산란 간의 시간차로 계산한 광학 시스템의 길이와 실제 측정 길이가 비슷하였다. 따라서 입사광이 다중왕복 진행하면서 산란광을 만드는 것을 확인하였다. 마지막으로, 입사광이 다중왕복 진행할 때 미광을 인위적으로 발생시키고 그에 따른 배경잡음을 측정하고 신호 처리함으로써 배경잡음을 제거했다. 그 결과, 1/4 파장판을 이용한 방식의 경우 실험을 55번 반복했을 때 평균 96.2%의 배경잡음을 제거하였다. 따라서, 본 논문에서 제안한 방식으로 대부분의 배경잡음을 제거할 수 있다는 것을 확인하였다. 세 가지 타당성 연구를 종합하여 본 논문에서 제안한 방식으로 톰슨 산란 진단에서 배경잡음을 제거하고 톰슨 산란을 분석할 수 있음을 확인하였다.

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