CC BY
23
омического нагрева не превышали 10 % для рассмотренных разрядов.
Таким образом, в результате проделанной работы была осуществлена разработка и запуск диагностической системы на основе дискретных фотодиодов SPD для исследования радиационных потерь на токамаке Глобус-М. С помощью коллимированного детектора, направленного вдоль большого радиуса токама-ка, были рассчитаны полные радиационные потери плазмы в предположении различных профилей распределения.
Рассчитанные значения радиационных потерь плазмы токамака Глобус-М для различных профилей распределения не превышали 10 % от
вкладываемой мощности омического нагрева для рассмотренных разрядов.
Дальнейшая работа по применению детекторов SPD должна быть связана с размещением матричного детектора для исследования пространственного распределения мощности излучения в плазме токамака Глобус-М. Предлагаемая мера даст возможность более точного расчета радиационных потерь плазмы токамака.
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 (контракты № 16.552.11.7002; № 16.518.11.7003) и РФФИ (грант № 10-02-01421-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. Физический энциклопедический словарь [Текст] / Гл. ред. A.M. Прохоров. Ред. кол. Д.М. Алексеев, A.M. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов [и др.]. — М.: Сов. энциклопедия, 1984. — 944 с.
2. Zabrodsky, V.V. Silicon precision detectors for near IR, visible, UV, XUV and soft X-ray spectral range [Text] / V.V Zabrodsky, P.N. Aruev, V.L. Sukhanov [et al.] // Proc. of the 9th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments. — Saint-Petersburg: D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2009. - P. 3-243-3-247.
3. Krumrey, M. Calibration and characterization of semiconductor X-ray detectors with synchrotron radiation [Text] / M. Krumrey, M. Gerlach, F. Scholze [et al.] // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. - 2009. - Vol. 568. - P. 364 - 368.
4. Scholze, F. Characterization of detectors for extreme UV radiation [Text] / F. Scholze, R. Klein, R. Muller // Metrologia. - 2006. - Vol. 43. - P. S6 - S10.
5. Wesson, J. Tokamaks [Text]: 3rd ed. / J. Wesson, D.J. Campbell. - New York: Oxford University Press Inc., 2004. - 680 p.
УДК 533.9
Н.Н. Бахарев, А.Д. Мельник, В.Б. Минаев, Ю.В. Петров, Ф.В. Чернышев
МОДЕРНИЗАЦИЯ КОМПЛЕКСА КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИКИ
ТОКАМАКА ГЛОБУС-М
Нейтральная инжекция (НИ) успешно применяется в качестве метода дополнительного нагрева плазмы на токамаках с большим аспектным отношением Я/а > 2, где Я, а — большой и малый радиусы плазменного шнура [1]. Однако использование метода НИ на сферических токамаках имеет ряд особенностей в связи
с низким значением магнитного поля и, следовательно, большим ларморовским радиусом быстрых частиц. Проведение дополнительных исследований метода НИ необходимо, поскольку его оптимизация является обязательным условием для применения НИ на коммерческих сферических токамаках — реакторах будущего.
На сегодняшний день нейтральная инжек-ция — это основной метод дополнительного нагрева на сферическом токамаке Глобус-М [2]. При этом основной диагностический инструмент, применяемый в исследованиях, — анализатор потоков атомов перезарядки из плазмы; он позволяет определять ионную температуру, изотопный состав и энергетическое распределение ионов плазмы. Желательно иметь два анализатора потоков атомов перезарядки, способных работать одновременно, поскольку при дополнительном нагреве плазмы распределение ионов по скорости относительно направления магнитного поля является сильно анизотропным. В связи с этим была запланирована модернизация комплекса корпускулярной диагностики, после которой два анализатора, имеющие линии наблюдения вдоль и поперек магнитного поля, смогли бы работать одновременно.
Комплекс корпускулярной диагностики сферического токамака Глобус-М
Изначально на токамаке Глобус-М применялся 12-канальный анализатор АКОРД-12 [3]. Весной 2008 года дополнительно был установлен 24-канальный анализатор АКОРД-24 [4], имевший только одну линейку из 12 детекторов; ввиду этого он не мог применяться для одновременной регистрации потоков атомов водорода и дейтерия. Вторая линейка детекторов была установлена в сентябре 2011 года. При работе
с продольным анализатором применялась аппаратура поперечного анализатора АКОРД-12, поэтому оба анализатора не могли использоваться одновременно. Кроме того, аппаратура поперечного анализатора была рассчитана только на 12 измерительных каналов, что оказалось недостаточным для нового 24-канального анализатора. Новая электронная аппаратура для анализатора АКОРД-24, состоящая из системы питания элементов анализатора и системы сбора данных, была установлена в 2012 году.
Основные параметры анализаторов АКОРД-12 и АКОРД-24 указаны в таблице. Схема анализатора АКОРД-24 приведена на рис. 1,а. Анализатор Акорд-12 имеет аналогичную конструкцию, но меньшее число детекторов (2 линейки по 6 детекторов). На входе анализатора установлен вакуумный затвор 5. Плоский электростатический конденсатор 6, расположенный перед камерой обдирки, убирает заряженный частицы из потока, приходящего из плазмы. Часть атомов ионизируется на азотной мишени в камере обдирки 10. На входе и выходе камеры имеются щели 9, ширина которых вместе с высотой входной щели 8 определяет телесный угол наблюдения анализатора. Вторичные ионы, образовавшиеся после обдирки, подвергаются дисперсии по импульсу в поле электромагнита 11, а затем по массе в поле электростатического конденсатора 12. Пластины анализирующего конденсатора имеют такую форму, что угол отклонения в
Основные параметры анализаторов АКОРД-12 и АКОРД-24
Параметр Значение параметра
АКОРД-12 АКОРД-24
Число каналов 6x2 12x2
Энергетический диапазон, кэВ для водорода для дейтерия 0,25-100 0,30-50 0,25-100 0,40-70
Динамический диапазон 7
Энергетическая ширина каналов, % 9-40 9-25
Массовое разделение 0,01
Примечание. Для анализатора АКОРД-12 используются детекторы ВЭУ-6 , для АКОРД-24 — СЕМ КБЬ1010 и КБЬ510.
Рис. 1. Комплекс корпускулярной диагностики сферического токамака Глобус-М (1): а — анализатор АКОРД-24 (2), б — схема размещения аппаратуры; 3 — анализатор АКОРД-12, 4 — инжектор, 5 — вакуумный затвор, 6 — конденсатор очистки, 7 — ионный источник, 8 — входной коллиматор, 9 —коллиматор камеры обдирки, 10 — камера обдирки, 11 — анализирующий электромагнит, 12 — анализирующий конденсатор, 13 — детекторы
электрическом поле зависит только от массы иона и не зависит от энергии (тангенс угла отклонения для частиц с одинаковым импульсом пропорционален массе частиц). Регистрация ионов производится двадцатью четырьмя детекторами 13, работающими в счетном режиме.
Схема размещения аппаратуры на токамаке показана на рис. 1, б. Анализатор АКОРД-12, линия наблюдения которого направлена вдоль большого радиуса токамака (перпендикулярно направлению тороидального магнитного поля), в основном используется для изучения поведения ионов плазмы в тепловой области спектра (Е < (2 — 10)Т, где Т1 — ионная температура), поскольку хорда вдоль линии наблюдения является самой короткой и, как следствие, непрозрачность плазмы минимально сказывается
на полученном распределении. Другая область применения поперечного анализатора — измерения в надтепловой области (Е > (2 — 10) Т) при исследовании ионного циклотронного нагрева (ИЦН) плазмы [5]. Применение поперечного анализатора обусловлено тем, что частицы, возникающие при применении ИЦН, имеют питч-углы, близкие к 90°.
Анализатор АКОРД-24, линия наблюдения которого направлена тангенциально к окружности с радиусом, равным прицельному радиусу инжекции (см. рис. 1, б), позволяет проводить исследования спектра ионов, возникающих при торможении частиц пучка в экспериментах по НИ, в надтепловой области (Е > (2 — 10) Т) [6]. Необходимость применения анализатора с таким углом наблюдения обусловлена тем, что до достижения критической энергии Ес [7] питч-углы инжектированных частиц практически не меняются благодаря преимущественному торможению на электронах (при типичных условиях разряда в токамаке Глобус-М для водородного пучка Ес - 6 кэВ, для дейтериевого — 12 кэВ).
Эксперимент по инжекционному нагреву в режимах со смещенным плазменным шнуром
Модернизированный комплекс корпускулярной диагностики был впервые использован в эксперименте по инжекционному нагреву в смещенном плазменном шнуре весной 2012 года. Смещение вдоль большого радиуса токамака обеспечивается за счет увеличения вертикального магнитного поля, создаваемого катушками полоидального поля. Данные, полученные с помощью анализатора АКОРД-12, линия наблюдения которого направлена вдоль большого радиуса токамака, применялись для определения ионной температуры плазмы. Анализатор АКОРД-24, расположенный в тангенциальном направлении с прицельным параметром, равным прицельному параметру инжектора, применялся для измерения спектра атомов перезарядки, охватывающего диапазон от тепловых энергий до энергии инжекции.
Были сделаны две серии разрядов с дей-териевой плазмой: первая — со смещением центра шнура плазмы относительно геометрического центра камеры внутрь на 1,5 см — разряды #30134—30142 (в дальнейшем эту серию экспериментов будем называть сери-
ей без смещения, поскольку такое положение шнура соответствует обычному режиму работы установки), вторая — на 3 см — разряды #30143—30152. Эволюция основных параметров плазмы в этих разрядах приведена на рис. 2. Ток по плазме поддерживался на уровне около 170 кА. Пучок инжектировался в плазму с начальной средней плотностью порядка 2-1019 м-3, которая поддерживалась во время инжекции на одинаковом уровне в обеих сериях. Мощность дополнительного нагрева (дейтериевый пучок) составляла 600 кВт при максимальной энергии частиц около 24 кэВ, импульс нейтральной инжекции начинался на момент времени 150 мс и продолжался около 40 мс. При этом следует отметить, что ионная температура в разрядах со
смещением достигает большей величины (~450 эВ), чем в разрядах без смещения (~350 эВ).
Энергетическое распределение атомов перезарядки дейтерия, полученное с помощью продольного анализатора на момент времени 165 мс, показано на рис. 3. Поскольку для приведенных условий эксперимента характерное время торможения частиц составляет 15 мс, можно считать это распределение квазистационарным. Пики на спектре соответствуют энергиям компонент пучка Еь/2, Еь/3, Еь (Еь = 24 кэВ), причем пики Еь/2 и Еь/3 сливаются, поскольку пространство мевду ними заполнено тормозящимися частицами.
Анализ данных на рис. 3 позволяет заключить следующее:
Время действия НИ
Т, эВ
200
ДR, см 0-1
п, 1019 м-3 4321 -0
I, кА
140
160
180
200
Время, мс
Рис. 2. Эволюция параметров плазмы в процессе разряда в режимах со смещением (1) и без смещения (2); Т{ — ионная температура, ДЯ — смещение шнура, п — средняя плотность плазмы, I — ток по плазме, НИ —
нейтральная инжекция
Энергия,
Рис. 3. Энергетические распределения атомов перезарядки дейтерия на момент времени 165 мс, полученные в режимах со смещением (7) и без смещения (2)
центра плазменного шнура. Значения АЯ = -3,0 см (7), -1,5 см (2). Энергия основного компонента пучка Еъ ~ 24 кэВ. Г - поток атомов перезарядки дейтерия с энергией Е через единичную площадку в единицу телесного угла
в тепловой области потоки практически совпадают по величине, что дает нам право проводить количественные сравнения в области более высоких энергий;
коэффициенты наклона прямых участков энергетических распределений в тепловой области (которые обратно пропорциональны температуре плазмы) меньше для разрядов со смещением; это совпадает с результатами, полученными с помощью поперечного анализатора;
совпадение потоков в областях Еь и Еь/2 говорит об одинаковом уровне «прямых потерь» (потери «напролет» и с «первой орбиты») в разрядах без смещения и со смещением;
расхождения спектров в области «торможения» (между пиками, соответствующими энер-
гиям компонент пучка) свидетельствует о существовании механизма потери быстрых ионов, который сильнее проявляется в разрядах без смещения. Одним из возможных источников этих потерь может быть гофрировка магнитного поля на периферии плазменного шнура из-за дискретности катушек.
Для лучшего выявления причин такого эффекта необходимо провести дополнительные исследования и модельные расчеты.
Таким образом, проведена модернизация комплекса корпускулярной диагностики сферического токамака Глобус-М. В настоящее время на установке функционируют два анализатора атомов перезарядки типа АКОРД: «продольный» и «поперечный». Использование двух анализаторов позволяет одновременное измерение ионной температуры плазмы и спектра быстрых атомов, возникающих при дополнительном нагреве.
Модернизированный комплекс корпускулярной диагностики использован в экспериментах по нейтральной инжекции в режимах работы со смещенным плазменным шнуром. Данные, полученные с помощью поперечного анализатора, применялись для определения ионной температуры плазмы; продольный анализатор использовался для измерения спектра быстрых атомов. Эксперимент показал, что существует механизм потери быстрых ионов, который сильнее проявляется в разрядах без смещения.
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 (гос. контракты № 16.552.11.7002и № 16.518.11.7003) и РФФИ (гранты 10-02-01421-а,11-02-0Ш4-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. Пистунович, В.И. Некоторые задачи токамака 2. Гусев, В.К. Сферический токамак Глобус-М
с инжекцией быстрых нейтралов [Текст] / В.И. Пи- [Текст] / В.К. Гусев, В.Е. Голант, Е.З. Гусаков [и др.] стунович // Физика плазмы. - 1976. - Т. 2. - № 1 - // жтф. — 1т — т. 69 — № 9. — с. 58 — 62.
С. 3 — 23.
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-
