ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 147-154
ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082
РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ АКТИВНОЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПУЧКА АТОМОВ, ПРИМЕНИТЕЛЬНО К УСТАНОВКЕ ИТЭР
© 2004 г. С. Н. Тугаринов, И. Л. Бейгман*, Л. А. Вайнштейн*, В. Н. Докука, А. В. Красильников, Н. Н. Науменко**, И. Ю. Толстихина*, Р. Р. Хайрутдинов
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований" *Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН **Институт молекулярной и атомной физики, г. Минск, Белоруссия Поступила в редакцию 08.10.2003 г.
Выполнено численное моделирование активной спектроскопической диагностики при помощи кода ДИНА с использованием диагностического пучка атомов применительно к установке ИТЭР. Код ДИНА позволяет проводить расчеты ослабления пучка нейтральных атомов при проходе через плазму, расчеты интенсивности излучения атомов и ионов, возникающих в плазме за счет перезарядки на атомном пучке, а также находить величину отношения активного излучения из плазмы, связанного с перезарядкой, к пассивному фоновому излучению плазмы. Сделаны расчеты сечений взаимодействия атомов и ионов в плазме, а также рассчитаны скоростные коэффициенты возбуждения спектральных переходов для водородоподобных ионов примесей. Описана принципиальная схема измерений и основные технические характеристики спектрометра, который предлагается использовать на ИТЭР для данной диагностики.
1. ВВЕДЕНИЕ
ИТЭР - это международный проект токамака -реактора, одной из стран участниц которого является Россия. Основной целью данного проекта является демонстрация возможности реализации управляемой самоподдерживающейся термоядерной D-T-реакции на установке токамак, а также получение термоядерной энергии, превышающей вложенную энергию. Таким образом, для ИТЭР будут присущи как все характерные для современных токамаков системы управления и диагностики, так и новые ранее нигде не использовавшиеся, например, такие как диагностика "гелиевой золы". Основные параметры установки ИТЭР, а также основные диагностические системы [1].
Активная спектроскопия с использованием диагностического или нагревающего пучка атомов широко используется практически на всех современных токамаках [2]. Общепринятое международное название и аббревиатура, обозначающая эту диагностику - Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS). С помощью CXRS измеряются такие важнейшие параметры плазмы как профиль ионной температуры, профили скоростей полоидального и тороидального вращения плазмы, а также концентрация и распределение легких примесей внутри шнура. Одной из важнейших задач, которая должна решаться на установке ИТЭР с помощью CXRS диагностики - это изучение распределения в плазменном шнуре и пове-
дения во времени нарабатываемой "гелиевой золы".
Для численного моделирования CXRS диагностики использовался компьютерный код ДИНА, позволяющий проводить расчеты ослабления диагностического пучка атомов при прохождении через плазму и моделировать следующие процессы: расчет интенсивности излучения атомов и ионов в плазме за счет перезарядки на атомном пучке, вычисление величины отношения активного излучения из плазмы, связанного с перезарядкой, к фоновому излучению плазмы. В расчетах параметры диагностического пучка атомов принимались заданными и были взяты из публикаций, касающихся проектирования ИТЭР [3]. В то же время параметры плазмы варьировались в зависимости от возможных режимов работы установки. Расчеты отношения сигнал-шум были сделаны в предположении вполне определенных параметров экспериментальной схемы измерения, системы сбора и транспортировки света, спектральной аппаратуры и системы регистрации.
В рамках данной работы были проведены расчеты сечений взаимодействия диагностического пучка атомов с ионами плазмы, а также скоростных коэффициентов возбуждения спектральных переходов для водородоподобных ионов примесей.
По результатам численного моделирования делается вывод о применимости данной диагностики как для определения концентрации гелие-
147
3*
вой золы, так и для измерения профиля ионной температуры, концентрации легких примесей и скоростей вращения плазмы на установке ИТЭР.
2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ЗАДАЧИ
АКТИВНОЙ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ
Физическая основа данной методики состоит в том, что в случае инжекции пучка нейтральных атомов в плазму внутри объема, занимаемого данным пучком, идет интенсивная реакция перезарядки атомов пучка на ионах основной плазмы. Ниже приведена формула, описывающая данную реакцию:
Н0 + Аг+ ^ Н+ + А*(г - 1)+, (1)
Поскольку легкие примеси и рабочий газ в центральных областях плазмы присутствуют в состоянии голых ядер, то в результате этой реакции возникает водородоподобный ион в возбужденном состоянии и возбуждение снимается за счет излучения. При этом наиболее вероятны излуча-тельные переходы с Ан = 1. Такие переходы для высоко расположенных уровней дают излучение в видимом диапазоне. Спектральные линии, которые наиболее часто используются для СХИЗ измерений, это:
Н I (н = 3 - 2) 656.3 нм, Не II (н = 4 - 3) 468.6 нм, Ве IV (н = 6 - 5) 465.8 нм С VI (н = 8 - 7) 529.1 нм, О VIII (н = 10 - 9) 606.8 нм.
Ионная температура и скорость направленного движения плазмы определяются по доплеровско-му уширению и сдвигу спектральных линий, а концентрация примесей по абсолютной интенсивности излучения в линии.
Формула, связывающая интенсивность излучения линии и концентрацию примеси данного сорта, приведена ниже:
Бх = 1
NN41,
(2)
г = 1
где (5у)х> скоростной коэффициент возбуждения перехода с длиной волны X при взаимодействии с г-ой компонентой пучка нейтральных атомов; Nz -концентрация ядер данного сорта примесей; N¡ -концентрация атомов г-ой компоненты пучка.
Интеграл берется по длине пересечения хорды наблюдения и пучка нейтральных атомов.
3. РАСЧЕТ ОСЛАБЛЕНИЯ ПУЧКА, ИНТЕНСИВНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ И КОНТИНУУМА
Инжекция нейтрального пучка осуществляется перпендикулярно магнитной поверхности
плазменного шнура. Пучок имеет гауссовскую форму распределения плотности мощности в своем поперечном сечении и сохраняет ее при прохождении через плазму.
Для расчета ослабления пучка может быть использована модель тонкого пучка, т.е. размер пучка мал по сравнению с размером плазмы. В таком случае, достаточно вычислить только плотность мощности на оси пучка Р0(г). Расчет Р0(г) проводился в реальной геометрии ИТЭР: (большой радиус тора) Я = 6.20 м, (малый радиус плазменного шнура в горизонтальном направлении) а = 2.0 м . Коэффициент вытянутости по малому радиусу К = 1.85. Параметры диагностического пучка были взяты из публикаций, касающихся его проектирования [3] и были следующими: Еат = 100 кэВ, размер пучка 0.3 х 0.3 м, плотность тока на оси 600 А/м2.
Для улучшения соотношения сигнал-шум, свет должен собираться только из центральной области диагностического пучка размером 0.1 х 0.1 м, где плотность тока пучка максимальная.
Параметры плазмы предполагались следующими: постоянные профили плотности электронов со значениями 7.5, 10 и 14 х 1019 м-3, и параболический профиль температуры, с максимальным значением Те = Тг = 15 кэВ в центре. Концентрации различных компонент плазмы предполагались неизменными по всему сечению шнура и были равны: нт + 0 = 0.77 не, нНе = 0.04 не, нс = 0.012 не, нВе = 0.02 не относительно плотности электронов не. Такой состав соответствует эффективному заряду плазмы zeff = 1.7, что вполне приемлемо для условий работы ИТЭР.
Все графики построены в зависимости от большого радиуса токамака Я, при этом центр шнура соответствует значению большого радиуса Я = 6.3 м и значению малого радиуса г = 0. Внешний край шнура соответствует значению большого радиуса Я = 8.30 м, при этом значение малого радиуса в горизонтальном направлении г = 2.0 м. (Плазменный шнур вытянут в вертикальном направлении).
Численное моделирование было сделано для спектральных линий НеП 468.6 нм (н = 4 - 3), ВеГУ 465.8 нм (н = 6 - 5) и СУ! 529.1 нм (н = 8 - 7).
Ослабление пучка на длине 4г определяется формулой
4Ро( г) = -а™ неРо( г) 4г,
Шо
10°г
10-
10-
620 640 660 680 700 720 740 760 780 800 820
Я, см
Рис. 1. Ослабление плотности тока пучка] при проходе через плазму. 1 - ослабление для чистой ¿-Т-плаз-мы; 2 - ослабление при той же плотности в присутствии примесей.
]/]0 100
10-
10-
10-
10-
600
650
700
750
800 850 Я, см
Рис. 2. Ослабление плотности тока пучка ] в плазме для трех значений плотности: 1 - для 7.5 х 1019 м-3; 2 -для 10 х 1019 м-3; 3 - для 14 х 1019 м-3.
где полное сечение ослабления а^ - вычисляется по формуле (4) из [4]
<щ _ ехр (Ео, пе, Те)
х
■ N п (4)
1 + X ^(- 1 )Е0' Пе' Те)
д =1
мы: 1 - для 7, 5 х 1019 м-3; 2 - для 10 х 1019 м-3; 3 -для 14 х 1019 м-3.
Поскольку диагностический пучок для 1ТЕК-БЕАТ содержит только одну энергетическую компоненту, то формула (2) для расчета потока фотонов, излучаемых возбужденными атомами примеси из единичного объема внутри пучка в единицу телесного угла, может быть записана в виде:
Функция S1(E°, пе, Те)/Е0 описывает ослабление нейтрального пучка с энергией Е0 в чисто водородной плазме, тогда как функция Sz описывает
ослабление примесью с зарядом zq и концентрацией сд по отношению к электронной плотности пе. При расчете ослабления пучка учитывается также увеличение ослабления пучка, связанное с возбуждением атомов диагностического пучка при прохождении через плазму.
На рис. 1 показано ослабление пучка при проходе через плазму. На данном рисунке: 1 - ослабление для пе = 7, 5 х 1019 м-3 в чистой Б-Т-плазмы; 2 - ослабление при той же плотности в присутствии примесей, о составе и концентрации которых упоминалось выше. Из рисунка видно, что присутствующие примеси играют существенную роль в ослаблении пучка и их учет обязателен. Увеличение абсолютного значения плотности плазмы также существенно влияет на ослабление пучка, в виду экспоненциальной зависимости. Эта разница особенно серьезно сказывается при больших длинах пробега пучка в плазме, т.е. для точки г = 0. На рис. 2 показано ослабление пучка в плазме для трех з
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.