Ein innovatives Heterodyn-Mikrowelleninterferometer zur Plasma-Dichtemessung am Madison AWAKE-Prototyp

Der Madison AWAKE-Prototyp (MAP) ist ein Hochleistungs-, Hochdichte-Heklon-Plasmaexperiment. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung einer skalierbaren Plasmaquelle für den Einsatz in einem beam-gesteuerten Plasma-Wakefield-Beschleuniger im Rahmen des AWAKE-Projekts. Wir messen die Plasma-Dichte mit einem neuen 105-GHz-Heterodyn-Mikrowelleninterferometer, das mehrere Verbesserungen gegenüber herkömmlichen Ansätzen bietet. Das Design nutzt eine einzige Mikrowellenquelle, kombiniert mit einem Upconverter, um Frequenzdrift zu vermeiden und die Gesamtkosten zu senken. Elliptische Spiegel fokussieren den Probenstrahl ins Plasma und leiten ihn zurück zum Empfänger. Der Sender und der Empfänger sowie die Messtechnik sind in einem kleinen Gehäuse untergebracht und werden von zwei kleinen Spiegeln auf der gegenüberliegenden Seite von MAP unterstützt. Beide Teile des Systems bewegen sich unabhängig auf computersteuerbaren Bewegungsplattformen. Dieses Setup ermöglicht eine schnelle Neupositionierung des Interferometers, um an jedem axialen Standort zu messen, trotz der Magnete, Verkabelungen und strukturellen Stützen von MAP, die die Bewegung eines leitungsgestützten Systems blockieren würden. Eine Hochgeschwindigkeits-, Hochpräzisions-Mischsignal-Leiterplatte und FPGA analysieren das Probensignal direkt im Gehäuse, was die Notwendigkeit eines Digitalisierers oder Oszilloskops überflüssig macht. Das Interferometer löst Phasenverschiebungen bis zu 3,6° auf, was zu einer liniengemittelten Auflösung von 1,5 × 10^17 m−3 führt. Das System liefert alle 5 µs eine Echtzeitmessung der Dichte bis in den Bereich von mid-10^19 m−3 mit einem Geräuschpegel von 1,0 × 10^17 m−3.