Диагностика параметров пристеночной плазмы токамака с помощью измерения отношений линий нейтрального гелия

Значение пристеночной плазмы в установках с магнитным удержанием (токамаки, стеллараторы), на основе которых в ближайшем будущем предполагается построение коммерческого термоядерного реактора, трудно переоценить. Процессы, происходящие на периферии, во многом определяют свойства плазмы в центральных областях установки, где и протекают реакции синтеза изотопов водорода. Эффективность работы установки с магнитным удержанием как энергетического термоядерного реактора напрямую зависит от свойств плазмы вблизи ее границы с материальной стенкой. Таким образом, чрезвычайно важной задачей в рамках исследований высокотемпературной плазмы является развитие диагностик параметров периферийной плазмы с высоким пространственным и временным разрешением.

Одна из таких диагностик активно развивается на нашей кафедре. Суть ее состоит в том, что детальную информацию о профилях плотности и температуры электронов на периферии и диверторной области плазменного разряда позволяют получить спектральные измерения излучения на линиях нейтрального гелия (HeI). Напуск гелия (Не) в высокотемпературную плазму токамаков и стеллараторов активно используется для диагностических целей на большинстве современных установок с магнитным удержанием. Для измерений плотности плазмы часто используют отношение интенсивностей синглет-синглетных спектральных линий атома гелия НеI(668 нм)/НеI(728 нм), (1s3d1D–1s2p1P/1s3s1S–1s2p1P), а для измерения температуры электронов плазмы – отношение интенсивностей синглет-триплетных линий НеI(728 нм)/НеI(706 нм), (1s3s1S–1s2p1P/1s3s3S–1s2p3P).

Для измерения соотношения интенсивностей линий нейтрального гелия на сферическом токамаке «Глобус-М» был разработан 4-канальный фильтрово-линзовый изображающий полихроматор ФЛИП-4 с высокочувствительной скоростной камерой PhantomMiro M110 в качестве регистратора изображений. Необходимые расчетные коэффициенты, связывающие отношение светимости линий нейтрального гелия с электронной температурой и плотностью фоновой плазмы брались из расчетов по столкновительно-излучательной модели. Расчеты позволяют восстановить электронные температуру и плотность фоновой плазмы по отношениям интенсивностей линий HeI, указанных выше. Методика достаточно надежно работает для следующих диапазонов электронной плотности 2.0 × 1012< n< 2.0 × 1013 cm−3 и электронной температуры 10 eV< Te < 250 eV плазмы.

image001

Рисунок 1. Оптическая схема 4-х канальногофильтро-линзового полихроматора (ФЛИП-4).1 – входной объектив; 2 – линзовый коллектив; 3 – коллимационный объектив; 4, 6, 8, 10 – интерференционные фильтры; 5, 7, 9 – сферические зеркальные коллективы; 11 – приемный объектив камеры; 12 – матричный КМОП-детектор камеры.

Принцип работы полихроматора проиллюстрирован на Рисунке 1. Входной объектив (1) строит промежуточное изображение исследуемого объекта во входном окне ФЛИП, в качестве которого выступает линзовый коллектив (2). Коллектив (2) находится в фокальной плоскости коллимационного объектива (3). После прохождения объектива (3), параллельный пучок частично отражается от интерференционного фильтра (4), служащего селективным зеркалом, и направляется обратно через коллимационный объектив (3), фокусируясь в его фокальной плоскости, где расположен зеркальный коллектив (5). Прошедшая часть пучка собирается приемным объективом (11) в плоскости детектора камеры (12), формируя первое регистрируемое изображение объекта на длине волны, соответствующего фильтра. Аналогичным образом работают остальные 3 канала.

Пространственное разрешение оптической системы составляет 1 мм. Спектральное разрешение определяется полосой пропускания интерференционных фильтров и составляет величину около 1 нм. Временное разрешение диагностики определяется максимальной частотой кадров скоростной камеры. Для модели PhantomMiro M110 [9], использованной в данной конструкции, при максимальном размере кадра 1280×800 пикселей, частота кадров –1.6 кГц. Схема расположения диагностики на токамаке «Глобус-М» приведена на Рисунке 2.

image018

Рисунок2. Схема тестовых экспериментов на токамаке «Глобус-М». Вид сверху.

В рамках дипломной работы по данной тематике студенту может быть предложено:

  1. Совершенствование конструкции диагностики, участие в настройке, юстировке и калибровке оптической системы и проведении физического эксперимента на токамаке «Глобус 2М».
  2. Обработка экспериментальных результатов, работа с изображениями, написание программного обеспечения для автоматизации обработки результатов эксперимента.
  3. Исследование физических процессов в областях плазмы вблизи последней замкнутой магнитной поверхности: ELM, транспортный барьер, турбулентность.

Список литературы

[1]  С. И. Лашкул, А. Б. Алтухов, В. В. Дьяченко, Л. А. Есипов, М. Ю. Кантор, Д. В. Куприенко, А. Д. Лебедев, Я. А. Никерман, А. Ю. Попов // Физика плазмы, 2012, Т. 38, В. 11, С. 923–936

[2] Ahn J.W., Craig D., Fiksel G. et al. // Phys. Plasmas. 2007. V. 14. P. 083301.

[3] Goto M. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transf. 2003. V. 76. P. 331.

[4] E de la Cal. // Plasma Phys. Control. Fusion. 2001. V. 43. P. 813.

[5] Rosmej F.B., Ohno N., Takamura S., Kajita S. // Cont. Pl. Phys. 2008. V. 48. № 1–3. P. 243.

[6] Maqueda R.J., Wurden G.A., Stotler D.P. et al. // Rev. Scient. Instrum. 2003. V. 74. № 3. P. 2020.

[7] A. Loarte et al. //Nucl. Fusion. 2007 V. 75, P. S203.

[8] B. Schweer // Trans. Fusion Sci. Technol. 2006 V. 49, P. 404.