ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 109-115
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 533.9.082.5
КОМПЛЕКС ИЗОБРАЖАЮЩИХ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ВАКУУМНОГО УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ МНОГОПРОБОЧНОЙ ЛОВУШКИ ГОЛ-3
© 2004 г. А. В. Бурдаков, V. Weinzettl*, V. Piffl*, С. В. Полосаткин, В. В. Поступаев
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 *Institute of Plasma Physics AS CR, 18221, Прага 8, Республика Чехия Поступила в редакцию 24.06.2003 г.
Описан созданный на многопробочной ловушке ГОЛ-3 комплекс изображающих диагностических приборов вакуумного ультрафиолетового излучения, приведены характеристики входящих в комплекс устройств и примеры их функционирования. Диагностики служат для получения информации об основных параметрах плазмы и контроля за режимами работы установки. В сочетании со спектроскопическими системами эти диагностики позволяют определять динамику диффузии примесей в плазме.
Анализ пространственного распределения собственного излучения плазмы является эффективным средством контроля и диагностики ее параметров. В субтермоядерной плазме (Те ~ 0.1-10 кэВ) значительный интерес представляет исследование излучения в вакуумной ультрафиолетовой (в.у.ф.) области спектра, содержащей яркие спектральные линии ионов основных примесей. Для установки ГОЛ-3 [1] создан комплекс изображающих диагностических приборов в.у.ф.-излучения, состоящий из спектрального прибора [2], выполненного по схеме Сейа-Намиока, однокадровой в.у.ф.-камеры-обскуры и двух однотипных 1б-ка-нальных хордовых в.у.ф.-камер-обскур.
Изображающие в.у.ф.-диагностики использовались для определения размеров области горячей плазмы, анализа условий макроскопической устойчивости плазменного шнура, для исследования динамики плотных плазмоидов, возникающих при пеллет-инжекции, для оценки радиационных потерь. Кроме того, в сочетании со спектроскопическими системами эти диагностики позволяют определять коэффициенты диффузии примесей, эффективный заряд ионов, электронную температуру плазмы.
ОДНОКАДРОВАЯ В.У.Ф.-КАМЕРА-ОБСКУРА
Необходимость получения изображений плазмы в в.у.ф.-диапазоне с высоким пространственным и достаточным временным разрешениями возникла при проведении экспериментов на установке ГОЛ-3 по пеллет-инжекции [3]. Для решения этой задачи была разработана двумерная камера-обскура, работающая в кадровом режиме.
В этой камере излучение плазмы, прошедшее через малое отверстие, детектируется открытым электронно-оптическим преобразователем (э.о.п.), фотокатодом в котором служит внешняя поверхность микроканальной пластины (м.к.п.).
Э.о.п. выполняет функции конвертора излучения в видимую область спектра, усилителя и электронного затвора; импульс напряжения питания на м.к.п. определяет длительность кадра. Изображение, возникающее на люминофоре э.о.п., регистрируется п.з.с.-камерой и передается в компьютер. В приборе использована м.к.п.-пластина размером 40 х 60 мм. Поле зрения камеры определяется оптической схемой. В проведенных экспериментах регистрировалось излучение из области ~6 см с пространственным разрешением ~1 мм. Длительность экспозиции может меняться в широких пределах в соответствии с требованиями эксперимента и уровнем мощности излучения.
Поверхность м.к.п. является эффективным фотокатодом для излучения в спектральном диапазоне 0.1-200 нм, для более коротких волн эффективность регистрации несколько снижается. При необходимости можно выделить требуемый спектральный интервал, используя фильтры с соответствующими спектральными характеристиками. Эта камера использовалась в экспериментах для изучения динамики расширения плотных плазмоидов, возникающих при пеллет-инжекции [3]. На рис. 1 показаны изображения плазменного сгустка, возникающего при объемном (взрывном) испарении крупинки на различных стадиях - сферически-симметричного расширения (а), начала процесса замагничивания (б) и продольного разлета (в).
Рис. 1. В.у.ф.-изображения из работы [3] плазменного сгустка, возникающего при объемном испарении твердотельной крупинки в плазме: а - 2 мкс от начала нагрева (сферически-симметричное расширение), • - 4 мкс (начало процесса замагничивания), в - 6 мкс (разлет облака вдоль магнитного поля).
16-КАНАЛЬНЫЕ ХОРДОВЫЕ В.У.Ф.-КАМЕРЫ-ОБСКУРЫ
Для проведения хордовых измерений интенсивности в.у.ф.-излучения на установке ГОЛ-3 служит 16-канальная камера-обскура. Излучение регистрируется с помощью набора вакуумных фотодиодов с А1-фотокатодами, чувствительными к излучению с длиной волны короче ~130 нм. Фотодиоды работают в токовом режиме, регистрация производится синхронными а.ц.п. с частотой дискретизации 40 МГц. Пространственное расположение фотокатодов в камере и их форма зависят от конкретной задачи. Подготовлено несколько сменных катодных узлов с линейным или крестообразным расположением детекторов.
Основное назначение данной диагностики -определение поперечных размеров области, занятой горячей плазмой (эта величина необходима для нахождения температуры и плотности плазмы в диамагнитных и интерферометрических измерениях). Кроме того, камера позволяет диагностировать возникновение макроскопических не-
R, см
6 8 10 12 14 16 18
мкс
Рис. 2. Измерение динамики расширения плотного плазменного сгустка с помощью 16-канальной камеры-обскуры (иллюстрация из работы [3]).
устойчивостей плазменного шнура, приводящих к быстрому остыванию плазмы. При помощи этого датчика изучались также динамика образования и распада плотного плазмоида при пеллет-инжек-ции (рис. 2) и распространение плотной холодной плазмы, возникающей на первой стенке камеры при моделировании условий большого срыва в токамаках [4]. При наличии информации о спектре излучения сигналы камеры могут быть использованы для оценки радиационных потерь из плазмы.
ИЗОБРАЖАЮЩИЙ СПЕКТРОМЕТР В.У.Ф.-ИЗЛУЧЕНИЯ
Спектр в.у.ф.-излучения в диапазоне 50-250 нм исследовался с помощью изображающего спектрометра [2]. Аналогичный прибор был установлен на токамаке CASTOR (IPP, Prague) [5]. В качестве основы для создания спектрометра использовался собранный по схеме Сейя-Намиока вакуумный монохроматор ВМ-3 разработки ЛФТИ [6]. При модификации в нем была заменена входная щель и вакуумный оптический тракт, а вместо выходной щели установлен планарный детектор в.у.ф.-излучения. Присущий схеме Сейя-Намиока существенный астигматизм позволяет, при надлежащей установке прибора, измерять хордовое распределение интенсивности спектральных линий.
Получение пространственного разрешения в в.у.ф.-спектрометре
Рассмотрим оптическую схему монохроматора Сейя-Намиока (рис. 3). Вогнутая сферическая решетка со штрихами, расположенными в вертикальной плоскости, имеет радиус кривизны р. Прошедшее через входную щель излучение, отражаясь от решетки, раскладывается по спектру и фокусируется на выходную щель. Угол между падающим и отраженным лучами постоянен и составляет 0 = 70°15'. Сканирование по спектру осуществляется пово-
ротом решетки вокруг оси, проходящей через ее центр.
Такая оптическая схема обладает значительным астигматизмом, не позволяющим получать в плоскости регистрации изображение входной щели, поскольку точечный источник излучения фокусируется в плоскости выходной щели в вертикальную линию. Вместе с тем, на некотором удалении от решетки существует вертикальный фокус, т.е. точка, изображающаяся в плоскости регистрации в виде горизонтальной линии. Расстояние от центра решетки до вертикального фокуса равно
А =
р cos б
2cos2б /l- (
mk ^
2.4р,
V2 d cos б)
- 1
где d - шаг дифракционной решетки, m - порядок дифракции, k - длина волны излучения.
Таким образом, располагая излучающий объект на расстоянии A от решетки, можно получить в плоскости детектора спектр излучения по горизонтальной координате и пространственное распределение интенсивности линий по вертикальной координате. При этом регистрируемое спектрометром излучение испускается из протяженной в поперечном направлении области плазмы.
Диспергирующим элементом в монохроматоре ВМ-3 является сферическая дифракционная решетка с радиусом кривизны 50 см и шагом 1200 штрихов/мм. Угол падения меньше угла дифракции, т.е. спектр регистрируется в отрицательных значениях. На рис. 4 показана схема подсоединения спектрального прибора к токамаку CASTOR [5]. Расстояние между решеткой и плазмой было выбрано равным 1300 мм, что позволило проводить измерения спектра в диапазоне значений mk = 50-400 нм с пространственным разрешением не хуже 5 мм.
Необходимым условием для проведения пространственных измерений интенсивности является равномерное освещение решетки при любом положении источника излучения в плазме. Для этого требуется удалить все апертурные ограничители, затеняющие решетку. В связи с этим в приборе была установлена новая входная щель высотой 70 мм и изготовлен вакуумный оптический тракт 0100 мм, соединяющий спектрометр с установкой. После описанной модификации оптическая схема прибора позволяла регистрировать излучение из области плазмы высотой 80 мм с постоянной чувствительностью по полю детектора.
Детектор излучения
В качестве пространственного детектора излучения использовался открытый электронно-оптический преобразователь с шевронным расположением
Рис. 3. Оптическая схема в.у.ф.-спектрометра с пространственным разрешением; 1 - излучающий объект, 2 - входная щель, 3 - решетка, 4 - круг Роуланда, 5 - плоскость детектора.
микроканальных пластин. Плоскость детектора располагалась по касательной к кругу Роуланда, так что излучение падало на детектор под углом 35° к нормали. Микроканальные пластины использовались как электронный затвор, длительность кадра регистрации определялась импульсом отпирающего напряжения на м.к.п. На токамаке CASTOR измерения проводились с выдержками 2-10 мс, на установке ГОЛ-3 длительность кадра составляла 1-30 мкс.
Изображения спектров регистрировались охлаждаемой п.з.с.-камерой и передавались в компьютер для обработки. За один "выстрел" регистрировался участок спектра шириной 30 нм. Поле зрения прибора составляло 8 см по высоте в плазме. На токам
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.