CC BY
26
3. Извозчиков, А.Б. Многоканальный анализатор для одновременной регистрации энергетических спектров атомов водорода и дейтерия «АКОРД-12» [Текст] / А.Б. Извозчиков, М.П. Петров, С.Я. Петров [и др.] // ЖТФ. - 1992. - Т. 62. - С. 157.
4. Chernyshev, F.V. Fast particle confinement studies in the Globus-M spherical tokamak [Text] / F.V. Chernyshev, V.I. Afanasyev, B.B. Ayushin, [et al.] // Proc. of 35th EPS Plasma Phys. Conf., 9 — 13 June, 2008 — Hersonissos, Crete, Greece. - 2008. - P 1.110.
5. Чернышёв, Ф.В. Исследование ионного циклотронного нагрева плазмы на сферическом токамаке
Глобус-М методом корпускулярной диагностики [Текст] / Ф.В.Чернышёв, Б.Б. Аюшин, В.К. Гусев [и др.] // Физ. плазмы. - 2009. - Т. 35. - № 11. -С. 979 - 988.
6. Чернышёв, Ф.В. Исследование потерь быстрых ионов в экспериментах по нейтральной инжекции на сферическом токамаке Глобус-М [Текст] / Ф.В. Чернышёв, В.И. Афанасьев, В.К. Гусев [и др.] // Физ. плазмы. - 2011. - Т. 37. - № 7. - С. 595 - 615.
7. Heidbrink , W.W. The behaviour of fast ions in tokamak experiments [Text] / W.W. Heidbrink, G.J. Sadler // Nucl. Fusion. -1994. - Vol. 34. - № 4. - P. 535 - 615.
УДК 681.7+533.9+543.4
П.Б. Щёголев, В.Б. Минаев, И.В. Мирошников
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СОСТАВА ПУЧКА АТОМОВ ИНЖЕКТОРА ТОКАМАКА ГЛОБУС-М
Наиболее продвинутым и вместе с тем одним из наиболее простых типов установок для магнитного удержания плазмы является токамак. Для достижения в нем термоядерных параметров плазмы необходимо использовать методы дополнительного нагрева. В настоящее время наиболее широко используются методы нагрева с помощью высокочастотного излучения и инжекции в плазму пучка атомов высоких энергий. Идея последнего метода заключается в том, чтобы ввести в плазму извне некоторое количество высокоэнергетичных частиц, которые при взаимодействии с ней ионизуются и передают ей свою энергию, поднимая тем самым температуру. Так как плазма удерживается сильным магнитным полем установки, то использовать заряженные частицы, например катионы, для ее нагрева невозможно. Нейтральные же частицы могут свободно проникать внутрь плазменного шнура. Для реализации метода требуется источник быстрых атомов высокой энергии. Принцип получения пучка быстрых атомов основан на электростатическом ускорении и фокусировке пучка положительных ионов в ионном источнике и по-
следующей перезарядке этого пучка на газовой мишени в пучок атомов.
Вытягивание и ускорение положительных ионов в ионном источнике осуществляется сильным постоянным электрическим полем с поверхности газоразрядного плазменного эмиттера в среде водорода или дейтерия. Важнейший параметр такого источника — фракционный энергетический состав выходящего из него пучка ионов — атомарных Н+(Б+) и молекулярных Н2+(Б2+), Н3+(Б3+); указанный состав определяется процессами, происходящими в плазме разряда в среде рабочего газа. Далее пучок ионов, распределенный по компонетам с различной энергией, попадает в нейтрализатор, в котором при прохождении через перезарядную мишень преимущественно образуются быстрые атомы трех различных энергий: Е, Е/2, Е/3.
Распределение частиц пучка по энергии можно определять либо на основе анализа излучения с определенной длиной волны (смещенной вследствие эффекта Доплера), наблюдаемого под углом к направлению полета частиц пучка (отличным от 90°), либо на основе дан-
ных масс-спектрометрии первичного ионного пучка при отклонении его в магнитном поле. Оптический метод определения распределения очень удобен (главное преимущество — бесконтактность), так как позволяет определять состав пучка непосредственно во время плазменного эксперимента, вследствие чего и получил широкое распространение с начала 1980-х годов [1 — 6]. Его основы описаны в работе [7], а процедура заключается в определении отношения интенсивностей доплеровски сдвинутых световых балмеровских пиков для компонентов с энергией Е, Е/2, Е/3.
Цель настоящей работы заключалась в разработке диагностики энергетического спектра пучка атомов инжектора токамака Глобус-М и определении распределения мощности по спектральным компонентам. Определение энергетического состава инжектируемого пучка актуально как для моделирования процесса нагрева плазмы в экспериментах по инжекции нейтрального пучка, так и для оптимизации режима работы инжектора.
Кроме того, оптическая диагностика обеспечивает прямые измерения энергии частиц компонентов пучка по доплеровскому сдвигу длины волны линий излучения На и является альтернативным способом измерения ускоряющего напряжения в инжекторе. Измерения возможно проводить с временным разрешением, соответствующим времени экспозиции спектрометра.
Физические основы диагностики
Пройдя нейтрализатор, атомы пучка в результате соударений с фоновым газом возбуждаются и излучают линию На. Под возбуждением в данном случае понимается переход атома с более низкого уровня энергии, например основного, на более высокий.
При регистрации излучения, вызванного радиационными распадами возбужденных атомов, различаются четыре линии: одна соответствует несдвинутой линии На от фонового газа, а остальные, смещенные в результате эффекта Доплера, соответствуют частицам со скоростями V, V /Л, V /л/3 (подразумевается, что V = л]2Е / М , где М — масса конкретной частицы пучка).
Доплеровски сдвинутая длина волны определяется формулой
1 = 10)1 1 ±—cosа I,
где а — угол наблюдения; V — скорость частицы; Х0 — несмещенная длина волны излучения; с — скорость света.
Длина волны увеличивается (это соответствует знаку плюс), если свет наблюдается по направлению движения частиц, и уменьшается (знак минус), если свет наблюдается против этого направления. Самая высокая скорость частицы в наших экспериментах vmax = 1384 км/с была отмечена для водородного пучка с энергией 30 кэВ; при таких скоростях релятивистские эффекты пренебрежимо малы. Зависимость энергии Е от сдвига длины волны АХ относительно несмещенной линии Х0 имеет вид
Е = Мс
Ч^о у
1
2
2cos а
(2)
Несмещенной линии соответствует длина волны Х0, которая лишь незначительно различается для водорода и дейтерия:
На = 656,28 нм (для водорода);
Ба = 656,10 нм (для дейтерия).
Если учесть, что скорость атомов пучка значительно превосходит скорость теплового движения атомов фонового газа, то для интенсивности свечения смещенных линий, соответствующих энергии Е, можно записать следующее выражение:
и
,ПеПв 2л/2Е / М,
1Е ^ЕпЕпВ (3)
где оЕ — сечение возбуждения атома с энергией Е [8, 9]; пЕ, пт — концентрация соответственно быстрых атомов в пучке и фонового газа в камере токамака.
Для количественного анализа использовались данные о сечениях, приведенные в работах [8, 9].
Таким образом, по излучению частиц пучка после нейтрализатора и магнитного сепаратора можно определять относительные концентрации быстрых атомов с энергиями Е, Е/2, Е/3.
Получив из спектральных измерений относительные концентрации быстрых атомов, можно также рассчитать долю мощности, кото-
с
рую переносит каждый компонент пучка. Для расчета необходимо использовать следующее выражение:
■ТЕ3,
в "В^ , (4)
где РЕ — доля мощности, переносимая соответствующим компонентом с относительной концентрацией пЕ и энергией Е.
Разработка схемы эксперимента
Одна из основных задач настоящей работы — создание диагностики пучка, позволяющей проводить измерения на стадии отладки инжектора и в плазменном эксперименте, не за-действуя при этом другие системы, например разрядную камеру токамака. Схема диагностики была разработана с учетом опыта работы других плазменных установок [6, 10]. В статье [11] даны рекомендации по выбору области наблюдения вдоль оси пучка. Для трех переходов, определяющих излучение линии Иа (35 ^ 2р, 3р 25 и 3d 2р), возбужденное состояние 35 обладает самым большим временем жизни (г = 158 не). Оно и определяет минимальное расстояние от нейтрализатора инжектора до точки регистрации излучения. Поскольку самая высокая скорость частиц в наших экспериментах (утах = 1384 км/с) наблюдалась для водородного пучка с энергией 30 кэВ, измерения необходимо проводить на расстоянии от нейтрализатора, превышающем
V
г = 1384 • 158 км-нс/с = 35 (см),
чтобы остаточное возбуждение прошедших его частиц было мало. Поскольку в анализируемом спектре разделить нейтральный компонент и ионный компонент, испытывающий перезарядку на остаточном газе, не представляется возможным, наблюдение за пучком после сепарации его отклоняющим магнитом необходимо проводить в максимальной близости от него, чтобы оставшиеся в пучке нейтральные частицы не успели перезарядиться в ионы из-за столкновений с фоновым газом и не дали вклада ионного компонента, перезарядившегося на газе, в получаемый спектр.
Диагностика, реализованная в инжекторе токамака Глобус-М, представлена на рис. 1. Наблюдение навстречу направлению распространения пучка 3 в условиях инжектора токамака Глобус-М не реализуемо. Поэтому решено было осуществлять наблюдение «вдогонку» пучку.
Рис. 1. Схематичное представление геометрии эксперимента в инжекторе токамака Глобус-М: 1 — вакуумная камера, 2 — ионный пучок, 3 — нейтральный пучок, 4 — источник газа, 5 — ионный источник, 6, 7 — эмиссионный и заземленный электроды соответственно, 8 — нейтрализатор, 9 — отклоняющий магнит, 10 — приемник ионов, 11 — линия наблюдения спектроскопии доплеров-ского рассеяния, 12, 13 — стыковочные фланцы к камере токамака и для вакуумной откачки соответственно
С этой целью было установлено оптическое вакуумное окно на фланец инжектора, расположенный после проходного шибера ионного источника 5, отсекающего его от вакуумной камеры 1 инжектора.
Отверстие было расположено так, чтобы максимально увеличить угол обзора и исключить перекрытие линии наблюдения магнитным экраном. Собирающая линза была закреплена на вакуумном фланце, пристыкованном к инжектору через сильфонный узел для обеспечения возможности юстировки линии наблюдения. Угол наблюдения, т. е. угол между траекторией движения частиц пучка и оптической осью линзы, был выбран оптимальным из возможных в условиях существующей геометрии составных частей инжектора, а именно около 250. При меньшем значении угла возможно «попадание» оптической оси в камеру токамака во время плазменного эксперимента при открытом шибере, из-за чего на результат измерения может оказать влияние паразитная засветка. При большем угле наблюдения оптическая ось будет пересекать ось пучка в непосредственной близости от магнита, где еще не все ионы успели им отклониться, что может отрицательно сказаться на точности измерений.
Оптическая схема регистрации
Измерения энергетического спектра водородного и дейтериевого пучков были прове-
дены на инжекторе токамака Глобус-М. Свет, рожденный взаимодействием быстрых частиц пучка с фоновым газом, собирается коллими-рующей линзой, которая фокусирует падающий поток излучения на торец оптоволокна, по которому передается оптический сигнал в измерительный модуль высокочувствительного спектрометра Луа8рес-2048, основные характеристики которого приведены в таблице.
Основные характеристики спектрометра AvaSpec-2048
Фокальное расстояние, мм 75
Дифракционная решетка, мм-1 1800
Спектральный диапазон, нм 595 - 700
Ширина входной оптической щели, мкм 10
Оптическое разрешение, нм 0,07
Оптический детектор CCD-линейная матрица, 2048 элементов
Отношение сигнал / шум 200 : 1
Время экспозиции, мс 1,11 - 6 • 105
Чувствительность, тыс.ед./мс 20
Технология передачи данных Высокоскоростная USB 2.0
Спектрометр соединен с компьютером, на который передается вся информация для последующей обработки. На компьютере установлено программное обеспечение, позволяющее управлять спектральными измерениями, в первую очередь контролировать время интегрирования. Для реализации эксперимента необходимо синхронизировать работу спектрометра с запусками узлов инжектора, для чего разработана и собрана схема, которая осуществляет запуск прибора в момент старта разряда; спектрометр до этого момента находится в ожидании внешнего триггерного запуска. Предусмотрена возможность записи нескольких последовательных спектров, что, в свою очередь, позволяет пошагово следить за процессом от момента начала формирования пучка до конца импульса инжекции. Исходя из характерных временных изменений параметров систем питания инжектора и согласно рекомендациям по оптимальному уровню сигнала, мы выбрали шаг в 5 мс.
Анализ последовательных спектров водородного и дейтериевого атомарных пучков в течение импульса инжекции
На рис. 2 представлены 10 последовательных спектров, снятых при наблюдении «вдогонку» за направлением движения частиц при инжек-
Длина волны, нм
Рис. 2. Серия последовательных спектров (1 — 10) за всю длительность выстрела дейтериевого (Б0) атомарного пучка 50 мс;
время экспозиции каждого спектра 5 мс: 0 — 5 мс (1), 5 — 10 мс (2), 10 — 15 мс (3), 15 — 20 мс (4), 20 — 25 мс (5), 25 - 30 мс (6), 30 - 35 мс (7), 35 - 40 мс (8), 40 - 45 мс (9), 45 - 50 мс (10). Идентификацию пиков см. в тексте
ции дейтериевого пучка длительностью 50 мс. Аналогичные измерения были проведены и для водородного пучка. Каждый спектр получен с шагом во времени 5 мс с начала импульса ин-жекции и до его конца (при таком времени экспозиции уровни получаемых сигналов на спектре пригодны для анализа). Такой временной шаг позволяет судить об изменениях во времени соотношения энергетических компонентов и, соответственно, переносимых ими мощностей, а также приложенного ускоряющего напряжения. Интенсивные линии слева соответствуют свечению атомарного водорода и дейтерия при возбуждении газа пучком. Эти несмещенные линии Иа = 656,28 нм и Ба = 656,10 нм служили репером на шкале длин волн излучения. Три сильно смещенные линии справа соответствуют свечению быстрых атомов с энергиями Е, Е/2, Е/3. Линия, ближайшая к несмещенной, соответствует излучению атомов дейтерия Е/9 (водорода с энергией ^/18). В спектре для дейтериевого пучка присутствует небольшой пик справа от линии — Н°(Е), соответствующей свечению атомов с энергией Е, указывая на наличие примеси водорода в дейтерии.
Ширина линий в представленных спектрах определяется аппаратной функцией. Приведенные на рис. 2 спектры были подвергнуты анализу, при этом для расчетов использовались формулы (2) и (3), а профили интенсивности основных линий были аппроксимированы га-уссианами.
Проведенный анализ показал, что энергетический состав пучка (исключен компонент, связанный с присутствием гидроксильного иона) остается примерно постоянным по ходу всего импульса инжекции в пределах нескольких процентов (рис. 3), за исключением первого спектра, что связано с особенностями формирования пучка в источнике.
Компонент с половинной энергией водородного пучка Н°(Е/2) (кривая 5 на рис. 3,6) практически на всем протяжении импульса преобладает над компонентом с основной энергией Н°(Е) (кривая 4 там же). Возможно, это связано с недостаточной подачей газа, но точную причину аномальности фракционного состава водородного пучка определить не удалось. В первые 5 мс импульса идет подъем тока эмиссионного электрода до рабочих значений (т. е. плотность вытягиваемого тока низка), что
а)
55
50
45
40
со"
го 35
§ 30
-0 25
X
X 20
^ 15
а
е 10
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50 Время, МС
4
_. А
О
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Время, мс
Рис. 3. Зависимость фракционного состава дейтериевого (Э°) (а) и водородного (Н°) (б) атомарных
пучков от времени для трех сильно смещенных линий, соответствующих свечению быстрых атомов с энергиями Е (1, 4), Е/2 (2, 5), Е/3 (3, 6).
Длительность импульса инжекции 5° мс
сказывается на получаемом спектре. На последнем спектре (45 — 5° мс импульса) видно заметное падение уровня сигнала относительно предыдущих спектров, что скорее всего связано с уменьшением давления буферного газа на конечной фазе импульса. Ускоряющее напряжение в течение импульса инжекции постоянно понижается (перепад напряжения составляет примерно 2,5 — 3,° кВ для импульса длительностью 5° мс), что приводит к уменьшению доплеровских сдвигов длин волн от спектра к спектру.
Расчет мощности спектральных компонентов по формуле (4) при усреднении фракционного состава за всю длительность импульса показал, что для дейтериевого пучка 75 % мощности приходится на компонент с основной энергией, 22 % — на компонент с половинной энергией и 3 % — на компонент с энергией в одну треть. Для водородного пучка эти значения составляют соответственно 70, 26 и 4 %. Подавляющая доля мощности пучка содержится в атомах с энергией Е, а мощность, приходящаяся на частицы с энергией Е/18 или Е/9, пренебрежимо мала и составляет менее 1%.
Итак, разработана методика оптической диагностики линий излучения На (Ба) с длиной волны, смещенной вследствие эффекта Доплера, с использованием схемы «вдогонку» пучку. Предложенная методика как надежный способ определения энергетического состава пучка атомов инжектора токамака Глобус-М вошла в состав комплекса нейтральной ин-жекции и используется на этапе вывода его на
рабочий режим, а также во время плазменного эксперимента.
Проведенные измерения и анализ энергетического состава пучка инжектора токамака Глобус-М показали, что от 40 до 55 % частиц и около 70% мощности в атомарном пучке приходится на компонент с основной энергией, от 40 до 45 % частиц и около 25 % мощности — на компонент с энергией Е/2, от 5 до 15 % частиц и около 5 % мощности — на компонент с энергией Е/3; мощностьже, приходящаяся на частицы с энергией Е/18 или Е/9, пренебрежимо мала (менее 1 %) во всем рабочем диапазоне энергий инжектора.
Работа выполнена с использованием оборудования С-3 РЦКП «Материаловедение и диагностика для передовых технологий» на УСУ «Глобус-М» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (государственные контракты № 16.552.11.7002 и № 16.518.11.7003) и РФФИ (гранты 10-02-01421-а, 11-02-01114-а), а также при поддержке гранта Правительства РФ согласно Постановлению № 220 по договору № 11.G34.31.0041 с Министерством образования и науки РФ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Burrell, C.F. Doppler shift spectroscopy of powerful neutral beams [Text] / C.F. Burrell, W.S. Cooper, R.R. Smith, [et al.] // Rev. Sci. Instrum. - 1994. - Vol. 51. - Iss. 11. - P. 1451 (12 p.).
2. Bonnal, J.F. Doppler spectroscopy on high power neutral beams [Text] / J.F. Bonnal, G. Bracco, C. Breton, [et al.] // J. Phys. D: Appl. Phys. - 1982. - Vol. 15. -Iss. 5. - P. 805 (5 p.).
3. Okumura, Y. High magnetic field, large-volume magnetic multipole ion source producing hydrogen ion beams with high proton ratio [Text] / Y. Okumura, H. Horiike, K. Mizuhashi // Rev. Sci. Instrum. - 1984. -Vol. 55. - Iss. 11. - P. 1 (7 p.).
4. Kamperschroer, J.H. Multiple track Doppler-shift spectroscopy system for TFTR neutral beam injectors [Text] / J.H. Kamperschroer, H.W. Kugel, M.A. Reale, [et al.] // Rev. Sci. Instrum. - 1987. - Vol. 58. - Iss. 8. - P. 1362 (7 p.).
5. Fielding, S.J. Species and impurity measurements in intense neutral beams on DITE tokamak [Text] / S.J. Fielding, D. Stork // Nucl. Fusion. - 1982. - Vol. 22. -Iss. 5. - P. 617 (8 p.).
6. Euringer, H. Determination of neutral-beam-power profiles: Divergences and power fractions of the species from measurements inside the torus of TEXTOR [Text] /
H. Euringer, Ph. Verplancke // Rev. Sci. Instrum. -1994. - Vol. 65. - Iss. 9. - P. 2996 (4 p.).
7. Uhlemann, R.S. Hydrogen and Deuterium ion species mix and injected neutral beam power fractions of the TEXTOR-PINIs for 20 - 60 kV determined by Doppler shift spectroscopy [Text] / R.S. Uhlemann, R.S. Hems-worth, G. Wang, [et al.] // Rev. Sci. Instrum. - 1993. -Vol. 64. - Iss. 4. - P. 974 (9 p.).
8. Williams, I.D. Balmer a emission in collisions of H, H+, H2+ and H3+ with H2 [Text] / I.D.Williams., J. Geddes., H.B. Gilbody // J. Phys. B: At. Mol. Phys. -1982. - Vol. 15. - Iss. 9. - P. 1377 - 1389.
9. Williams, I.D. Balmer a emission in H2-H2 collisions [Text] / I.D. Williams, J. Geddes, H.B. Gilbody // J. Phys. B: At. Mol. Phys. - 1983. - Vol. 16. - Iss. 24. -P. 765 (4 p.).
10. Yoo, S.J. Measurement of angular divergence and ion species ratios of an rf-driven multicusp ion source for diagnostic neutral beam by Doppler shift spectroscopy [Text] / S.J. Yoo, H.L. Yang, S.M. Hwang // Rev. Sci. Instrum. - 2000. - Vol. 71. - Iss. 3. - P. 1421 (3 p.).
11. Rowan, W.L. Interpretation of neutral beam emission spectra as the beam-component density distribution [Text] / W.L. Rowan, M.B. Sampsell // Rev. Sci. Instrum. - 2004. - Vol. 75. - Iss. 10. - P. 3489 (3 p.).
