научная статья по теме АКТИВНАЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМЫ НА ТОКАМАКЕ Т-10 Физика

Текст научной статьи на тему «АКТИВНАЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМЫ НА ТОКАМАКЕ Т-10»

ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ

УДК 533.9.082.5

АКТИВНАЯ СПЕКТРОСКОПИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ИОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАЗМЫ НА ТОКАМАКЕ Т-10

© 2013 г. В. А. Крупин, С. Н. Тугаринов*, А. Г. Барсуков, А. Ю. Днестровский, Л. А. Ключников, К. В. Коробов, С. А. Краснянский, Н. Н. Науменко**, А. Р. Немец, А. В. Сушков, Г. Н. Тилинин

* Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", Москва, Россия * Проектный центр ИТЭР, Москва, Россия ** Институт физики НАНРеспублики Беларусь, Минск, Беларусь e-mail: vkrupin@nfi.kiae.ru Поступила в редакцию 05.10.2012 г. Окончательный вариант получен 20.12.2012 г.

На токамаке Т-10 развита активная спектроскопическая диагностика на базе диагностического инжектора быстрых атомов, позволяющая измерять локальные распределения температуры ионов в сечении плазменного шнура. В экспериментах на Т-10 отлаживается методика измерений и испы-тываются элементы активной спектроскопической диагностики ИТЭР. Качество используемого спектроскопического оборудования позволяет обеспечить надежные активные измерения ионной температуры с использованием доплеровского уширения линий примесей (гелия, углерода), а также линии рабочего газа. Проведены локальные измерения распределений ионной температуры плазмы в дейтериевом и гелиевом разрядах при различных токах и плотностях плазмы, а также с использованием в активных доплеровских измерениях линий различных элементов. Выполнен анализ достоверности и надежности измерений ионной температуры, проведенных с помощью созданной активной спектроскопической диагностики.

DOI: 10.7868/S0367292113070044

1. ВВЕДЕНИЕ

Активная спектроскопия с использованием диагностического или нагревного пучка атомов предназначена для измерения важнейших параметров плазмы токамака: температуры ионов Tt [1, 2], скоростей полоидального и тороидального вращения V [3], концентрации ядер рабочего газа и примесей N [4]. Данная диагностика широко представлена на всех современных установках то-камак [5] и разрабатывается для экспериментального термоядерного реактора ИТЕР [6]. Общепринятое международное название и аббревиатура, обозначающая эту диагностику, — Charge Exchange Recombination Spectroscopy (CXRS). Эту аббревиатуру мы будем использовать в дальнейшем.

Принцип CXRS-диагностики следующий. При проходе быстрых атомов диагностического или нагревного пучка Н0 через плазму ядра примесей и рабочего газа Аг+ перезаряжаются на данных атомах, в результате из ядер возникают водо-родоподобные (Н-подобные) ионы А*(г -1)+ в возбужденном состоянии и быстрые протоны H+:

.H0 + Аг + ^ H + + А*(г -1)+ (1)

Возбуждение Н-подобного иона снимается за счет излучения, наиболее вероятны излучатель-ные переходы с Аи = 1. Подобные переходы между высоковозбужденными уровнями дают линейчатое излучение в удобном для регистрации видимом диапазоне (рис. 1).

интенсивность, отн. ед.

X, А

Рис. 1. Экспериментальный профиль СХДЗ-линии 5291 А иона углерода СУ1 и гауссовская аппроксимация профиля.

Величина доплеровского уширения 8ХВ регистрируемой спектральной линии с длиной волны

позволяет определить локальную величину

ионной температуры плазмы Т в зоне пересечения пучка и хорды наблюдения. Значение температуры ионов связано с уширением спектральной линии формулой

ГДэВ] = 1.7 х 108А,-

2

X

(2)

V ло у

где А, — атомный вес излучающего иона.

При определении ионной температуры из уширения CXRS-линий, помимо эффекта Доплера, должны быть учтены такие эффекты, как nlj-расщепление, [7] зеемановское расщепление и штарковское уширение линий. Существенным также может оказаться учет влияния эффекта "гало" [8, 9] и таких эффектов, как "cross-section effect" [10] и "plume" [7]. Перечисленные эффекты деформируют экспериментальные контуры CXRS-линий, что ведет к искажению измеряемых профилей параметров плазмы. Кроме того, эффекты "гало" и "plume" ухудшают локализацию CXRS-измерений.

Отметим, что рlume-эффект проявляется только при большой мощности дополнительного NBI нагрева плазмы и в условиях Т-10 отсутствует. "Cross section" эффект может влиять на измерения только в том случае, когда ионная температура плазмы сравнима с энергией нейтрального пучка, что в условиях Т-10 не выполняется (T, < < 1 кэВ, энергия нейтралов пучка Еп = 30 кэВ). Таким образом, два этих эффекта не влияют на измерения в условиях Т-10, в настоящей работе они не рассматриваются.

Эффект "гало" может влиять на CXRS-изме-рения, проводимые в условиях Т-10. Влияние данного эффекта экспериментально изучается на Т-10, и проводится его описание с помощью создаваемых моделей. Эти исследования должны быть предметом самостоятельной публикации.

В пренебрежении влиянием эффекта "гало" и "plume" на возбуждение CXRS-линий яркость излучения перезарядочной линии связана с концентрацией N, ядер сорта примеси i следующим образом:

К = iX(avk,0 JN

NNо kdl

(3)

k = 1

Здесь интеграл берется вдоль линии пересечения пучка с узкими хордами наблюдения (в условиях Т-10 диаметр хорд наблюдения <10 мм), (ау^х —

скоростной коэффициент возбуждения перехода с длиной волны А,0, рассчитанный для взаимодействия к- ой энергетической компоненты пучка нейтральных атомов с ядрами и усредненный по максвелловскому распределению ядер по скоро-

стям, Ы0к — концентрация атомов к-ой компоненты пучка.

Данная работа в основном посвящена использованию СХЯ8-диагностики для измерения ионной температуры плазмы Т-10.

2. СХЯЗ ИЗМЕРЕНИЯ НА ТОКАМАКЕ Т-10

На токамаке Т-10 имеется СХЯ8-диагностика профилей ионной температуры плазмы на базе диагностического инжектора ДИНА-6 с энергией атомов 30 кэВ. Кроме того, в экспериментах на Т-10 отлаживается методика измерений и испы-тываются элементы СХЯ8-диагностики ИТЭР.

Важной задачей развития диагностики Т(г) является изучение переноса тепла в ионной и электронной компонентах, а также исследование корреляции переноса тепла с дрейфовыми не-устойчивостями [11]. Данная задача предъявляет высокие требования к уровню достоверности и надежности проводимых измерений Т (г). Схема работы СХЯ8-диагностики на установке Т-10 показана на рис. 2.

2.1.Диагностический инжектор нейтральных атомовДИНА-6

Базовым элементом СХЯ8-диагностики тока-мака Т-10 является диагностический инжектор нейтральных атомов ДИНА-6 [12]. Использование в СХЯ8-измерениях диагностического инжектора, в отличие от нагревного, позволяет производить диагностирование Т ,, V и N ,, практически не оказывая влияния на параметры плазмы. В частности, российская СХЯ8-диагностика на ИТЭР создается на базе диагностического пучка.

Диагностический инжектор ДИНА-6 генерирует сфокусированный пучок атомов с основной энергией Е0 = 30 кэВ диаметром около 50 мм и с плотностью эквивалентного тока атомов ~80мА/см2 на выходе из камеры инжектора. В схеме инжектора используется дуговой плазменный источник, обеспечивающий высокое содержание атомов с основной энергией в компонентном составе пучка. Перед выходом из инжектора имеется система вторично-эмиссионных зондов для контроля профиля пучка.

Пучок атомов инжектируется в вертикальном направлении сверху вниз через центр камеры то-камака. Геометрия ввода пучка атомов в плазму такова, что на пути до плазмы пучок проходит последовательно сужения до 50 мм шириной, а затем полуметровый патрубок самого токамака, имеющий ширину 60 мм. Можно предполагать, что на этих участках траектории пучка основная его часть (~85%) теряется за счет ионизации атомов пучка на выбиваемом из поверхностей остаточном газе. Потери усиливаются в присутствии

m

[ 30

системы сбора света

Рис. 2. Схема СХИЗ-измерений на токамаке Т-10.

магнитных полей, уводящих с траектории атомного пучка непрерывно образующиеся ионные пучки [13]. Предполагается, что в результате действия именно этих процессов до границы плазмы доходит лишь малая доля (~10 мА/см2) плотности тока атомов инжектора. На ближайшее время запланирован комплекс мер по устранению указанного недостатка работы инжектора. Основные параметры пучка: энергия основной компоненты пучка Е0 = 30 кэВ; рабочий газ — водород;

плотность тока атомов водорода на оси пучка при входе в плазму ]0(а1) ~ 10 мА/см2 (где аь = 30 см — радиус токовой диафрагмы Т-10); полуширина пучка в центре плазмы d0 ~ 65 мм; длительность одного импульса инжектора Ьщ ~ 1 мс;

максимальное количество импульсов в разряде 10;

минимальный временной интервал между импульсами 25 мс;

угловая расходимость пучка ~ 0.4°. На рис. 3 показан спектр, инициированный пучком в области линии Da (6561 А) в дейтерие-вом разряде. В красной области спектра присутствует СХИЗ-линия Da, в синей — линия На пучка, смещенная в коротковолновую сторону за счет эффекта Доплера из-за наблюдения под 60° в направлении навстречу пучку. На контуре линии На заметны следы расщепления на а- и я-компо-ненты вследствие динамического штарк-эффекта

[14], однако большая часть света линии деполяризована. Спектры линии На пучка подробно исследовались при проведении на Т-10 программы по созданию МЗЕ-диагностики питч-угла [15]. Обработка спектра, помимо линий На, созданных основной компонентой пучка с энергией Е0 = 30 кэВ, дает возможность выделить линии На, инициированные компонентами с энергиями Е0/2 и Е0/3. Соотношение интенсивностей линий На разных энергетических компонент позволяет сделать следующую оценку соотношения концентраций атомов с энергиями 30, 15, 10 кэВ на входе в плазму: 0.85, 0.10, 0.05.

2.2. Системы сбора света

В схеме СХЯ8-диагностики на Т-10 применяются две системы сбора света, собирающие СХИЗ-излучение из областей пересечения хорд наблюдения с диагностическим пучком и передающие его на входы многоканального оптоволоконного коллектора (рис. 2). Системы смонтированы на экваториальном и нижнем тридцатиградусном патрубке токамака в сечении, расположенном под 90° по большому обходу тора к положению токовой диафрагмы. Система сбора на нижнем патрубке из-за ограничений, связанных с геометрией патрубка, не может регистрировать излучение вдоль всей траектории диагностического пучка и предназначена для регистрации СХИЗ-линии Da и линии пучка На на ограниченном участке траектории (от —10 см ниже

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.

Показать целиком