Development of a fiber-optics polarization resolving THz spectrometer for harsh environment diagnostics application

Individuare i parametri fisici adatti a determinare lo stato della dinamica di una plasma termonucleare e’ d’importanza fondamentale nello sviluppo dei reattori sperimentali di nuova generazione. Negli ultimi venti anni lo sviluppo di sorgenti e di sistemi di rivelazioni ha permesso di colmare quello che veniva prima definito Gap THz, permettendo di utilizzare la porzione dello spettro elettromagnetico dai 0.1 ai 20 THz. Nel centro ricerce di ENEA Frascati si e’ deciso di studiare l’applicabilita’ della radiazione THz al campo delle diagnostiche per lo studio delle proprieta’ del plasma termonucleare, nello specifico attraverso la tecnica della Time Domain Spectroscopy (THz-TDS). Questa tecnica di principio simile alla tecnica radar, utilizza impulsi al picosecondo con un ampia larghezza spettrale per poter analizzare materiali. Questo progetto di dottorato si e concentrato nello sviluppo della strumentazione adatta allo studio di una possibile diagnostica di questo tipo per poter affiancare e si progetta, successivamente, sostituire una serie di diagnostiche come l’interferometria, la riflettometria e la polarimetria con un singolo strumento. Un sistema THz-TDS e’ costituito da un laser che produce impulsi dell’ordine del femtosecondo nella regione del vicino infrarosso (800 nm) che investendo un opportuno semiconduttore (per esempio GaAs) genera per fotoconduzione impulsi THz. La rivelazione avviene in maniera simile, tramite il processo inverso. La diagnostica ha la sua attrattiva anche nella possibilita’ di poter trasportare l’impulso infrarosso alle teste di emissione e ricezione THz a molti metri di distanza utilizzando fibre ottiche. Durante i tre anni di lavoro l’attivita’ si e’ concentrata su due filoni principali: la costruzione e ottimizzazione di un sistema THz-TDs nei laboratori di Frascati al fine di determinare le caratteristiche ottimali di un sistema da utilizzare per diagnostiche del plasma e l’effettuazione di prove di laboratorio rilevanti per le misure di plasma. La tesi si articola come segue. Nel primo capitolo vengono specificati il dominio del lavoro nell’ambito degli esperimenti di fusione nucleare e lo stato dell’arte della tecnologia THz: sorgenti, rivelatori e applicazioni. Nel secondo capitolo si utilizza la trattazione classica della propagazione di onde elettromagnetiche nel plasma per descrivere le principali diagnostiche in ambito FIR e submillimetrico, e la possibilita di applicazione della spettroscopia THZ-TDS per ottenere lo stesso tipo di misure di densita e campo magnetico poloidale del plasma. A titolo applicativo le applicazioni diagnostiche vengono discusse in relazione al Tokamak FTU di Frascati. Nel terzo capitolo si descrive la tecnica THz-TDS e si illustrano le componenti dell’apparato sperimentale utilizzato nel laboratorio di Frascati. Nel quarto capitolo si mostrano i test sperimentali effettuati durante il lavoro di dottorato, dalla costruzione della diagnostica, con lo studio di due tipologie di detector e le basi per l’applicazione in fibra della tecnica fino agli studi degli algoritmi e dei modelli adatti a validare la diagnostica per lo studio di plasmi. Il quinto capitolo e’ costituito dalle conclusioni ed i progetti futuri.