用于 Madison AWAKE 原型等离子体密度测量的创新型外差微波干涉仪

Madison AWAKE 原型（MAP）是一个高功率、高密度螺旋波等离子体实验。该项目的主要目标是开发一种可扩展的等离子体源，用于 AWAKE 项目中的束流驱动等离子体尾场加速器。我们使用一种新型外差微波干涉仪测量等离子体密度，该干涉仪在传统方法的基础上进行了多项改进。该设计使用单一微波源结合上变频器，以避免频率漂移并降低总体成本。椭圆镜将探测光束聚焦到等离子体中并将其引导回接收器。发射器和接收器以及测量电子设备共同位于一个小型机壳内，并由 MAP 对面的两面小镜辅助。系统的两半部分在计算机控制的运动平台上独立移动。这种设置使得干涉仪能够快速重新定位，以在任何轴向位置进行测量，而不受磁体、接线和结构支撑的阻碍，而这些阻碍会阻挡基于波导系统的移动。高速、高精度的混合信号电路和 FPGA 直接在机壳内分析探测信号，从而无需数字化仪或示波器。该干涉仪可分辨低至百分之一条纹的相移，从而实现 $1.5\mathrm{\cdot 10^{17}\; m^{-3}}$ 的线平均分辨率。该系统每 $5\;\mathrm{\mu s}$ 提供一次实时测量，最高可达中 $\mathrm{10^{19}\; m^{-3}}$ 密度范围，噪声水平为 $1.0\mathrm{\cdot 10^{17}\; m^{-3}}$。