ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 98-104
_ ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ _
--ТЕХНИКА -
УДК 533.9.082.5
СПЕКТРОСКОПИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКЕ ГОЛ-3
© 2004 г. Р. Ю. Акентьев, А. В. Бурдаков, И. А. Иванов, С. В. Полосаткин, В. В. Поступаев, А. Ф. Ровенских, А. А. Шошин
Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Акад. Лаврентьева, 11 Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 07.08.2003 г.
Описан комплекс спектральных диагностик видимого диапазона для исследования высокотемпературной плазмы на установке ГОЛ-3. В состав комплекса входит три спектральных прибора, различающихся по спектральному разрешению, светосиле и пространственному разрешению. Приборы снабжены цифровыми узлами регистрации, позволяющими в зависимости от задачи получать спектры свечения плазмы с высоким спектральным разрешением, с временным либо с пространственным разрешением. Приведены методика и результаты измерений плотности электронов, температуры ионов и величины магнитного поля.
ВВЕДЕНИЕ
В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера проводятся исследования нагрева и удержания плазмы в многопробочной ловушке ГОЛ-3 [1]. Нагрев плазмы осуществляется релятивистским электронным пучком с полным энергосодержанием 100-200 кДж и длительностью 6-8 мкс, который инжектируется в предварительно созданную низкотемпературную газоразрядную водородную или дейтериевую плазму. После инжекции пучка плазма имеет следующие характерные параметры: Те ~ 2 кэВ, Т ~ 1 кэВ, пе ~ 1020-1021 м-3, те ~ ~ 0.3 мс. Плазма удерживается в многопробочном (гофрированном) магнитном поле с Ятях/Ят)п = = 5.2/3.2 Тл, длина соленоида равна 12 м. Для исследования параметров плазмы разработан комплекс спектральных диагностик. В состав комплекса входит несколько отдельных систем, позволяющих проводить измерения спектра свечения плазмы в видимом диапазоне с пространственным и временным разрешением.
ОБЗОРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР С ПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАЗРЕШЕНИЕМ
Основное назначение обзорного изображающего спектрометра - оценка спектральной обстановки в районе выбранной для более подробного анализа спектральной линии, поиск линий, излучающих из нужной области плазмы, грубый контроль стабильности плазмы по отсутствию "залпового" выброса примесей на периферии плазменного столба.
Основой обзорного изображающего спектрометра является модифицированный малогабарит-
ный универсальный монохроматор, оптическая схема прибора показана на рис. 1. Монохроматор снабжен сферической дифракционной решеткой с переменным шагом. Решетка приближена к зеркалам, вследствие чего входная щель и п.з.с.-ка-мера, регистрирующая изображение спектра, были отодвинуты от зеркал для сохранения точной фокусировки. Механизм поворота решетки также несколько изменен. Для уменьшения количества паразитного рассеянного света оптические элементы окружены диафрагмами. Излучение из плазмы фокусируется на входную щель спектрометра с уменьшением 1 : 8 объективом, который одновременно согласует телесный угол падающего света со светосилой спектрометра 1 : 6. Регистрация спектра проводится п.з.с.-камерой, работающей в интегральном режиме. Пространственное
Рис. 1. Оптическая схема обзорного спектрографа. 1 - плазменный столб, 2 - входной объектив спектрографа, 3 - п.з.с.-камера, 4 - система поворота решетки, 5 - диагностическое окно вакуумной камеры.
разрешение составляет несколько миллиметров при поле зрения в радиальном направлении 8 см (что соответствует диаметру плазменного шнура в установке). Плоскость фокусировки проходит через ось плазменного столба. Доступная для измерений область длин волн ограничивается областью спектральной чувствительности цифровой фотокамеры и составляет 380-680 нм. Прибор имеет ширину спектрального окна 35 нм и разрешение 0.63 нм.
Конструкция спектрометра является достаточно компактной и легко юстируемой, поэтому в ходе экспериментов место расположения спектрометра неоднократно изменялось в зависимости от задачи эксперимента. После каждого изменения положения спектрометра на установке выполнялись соответствующие калибровки.
СПЕКТРАЛЬНАЯ СИСТЕМА ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ
Изображающая спектральная система высокого разрешения (рис. 2) используется для точного измерения контура выбранной спектральной линии. Она выполнена на основе двойного спектрографа ДФС-24, работающего в режиме сложения дисперсии. Линейная дисперсия спектрографа составляет 0.45 нм/мм. Прибор использует две решетки 1200 штрихов/мм.
На выходе разложенное в спектр излучение делится зеркалом, перекрывающим половину светового потока из спектрографа, на две части и направляется на два независимых приемных узла. Первый узел использует электронно-оптический преобразователь (э.о.п.) с микроканальной пластиной (м.к.п.) в качестве затвора и усилителя яркости. Изображение на люминофоре э.о.п. регистрируется при помощи цифровой фотокамеры. Время экспозиции определяется яркостью источника и составляет обычно 1 мкс. Полуширина аппаратной функции определяется спектрографом ДФС-24 и составляет 0.02 нм при ширине входной щели 100 мкм. Дисперсия полученного прибора составляет 0.01 нм/точку.
Излучение плазмы фокусируется на входную щель прибора зеркально-линзовой системой с диаметром входного параболического зеркала 230 мм. Система фокусировки разработана и отъюстирована так, чтобы на ее выходе получать сходящийся пучок света, согласованный с относительным отверстием спектрографа 1 : 5.3. Фокусирующее зеркало системы расположено на расстоянии 160 см от центра плазменного шнура. Объектив передает изображение с уменьшением в 2.3 раза. Юстировка всей оптической системы прибора осуществляется таким образом, чтобы скомпенсировать существующий астигматизм спектрометра
2 3
5 6
11
10
9
Рис. 2. Оптическая схема спектрометра высокого разрешения. 1 - направление движения электронного пучка, 2 - огибающая плазменного столба, 3 - вакуумная камера, 4 - лимитеры с датчиками диамагнетизма плазмы, 5 - неоновая лампа, 6 - область уменьшенного до 2.1 Тл магнитного поля, 7 - поляризаторы, 8 - зеркально-линзовый объектив, 9 - спектральный прибор ДФС-24, 10 - диссектор или э.о.п. + п.з.с.-камера, 11 - 20-канальный блок ф.э.у.
ДФС-24 для получения пространственного разрешения поперек плазменного шнура.
Пространственное разрешение полученного прибора составляет 1 мм при поле зрения в радиальном направлении 20 мм. Использование этой системы совместно с двумя поляризационными фильтрами, расположенными рядом на окне вакуумной камеры с ортогонально ориентированными плоскостями поляризации, позволяет одновременно получать изображение плазмы в свете п- и а-поляризации относительно магнитного поля компонент выбранной спектральной линии (эти результаты будут изложены ниже).
На второй приемный узел спектральной системы высокого разрешения может устанавливаться один из двух детекторов. Первый из них состоит из 20-канального блока фотоэлектронных умножителей ФЭУ-84, к которым сигнал передается при помощи оптоволоконного коллектора. Коллектор состоит из десяти каналов шириной 200 мкм и десяти каналов шириной 1 мм, высота коллектора
1
7
8
10 мм. Полуширина аппаратной функции 200 мкм элемента коллектора равна 0.05 нм.
Относительная спектральная чувствительность каналов в каждом выстреле определяется по импульсной калибровочной засветке от импульсной лампы накаливания, помещенной внутрь двойного спектрографа ДФС-24. Все фотоумножители имеют раздельное питание, которое устанавливается и поддерживается с точностью 1 В. Оцифровка сигналов ф.э.у. осуществляется на частоте 1 МГц.
Данный детектор позволяет измерять изменение во времени контуров спектральных линий с хорошим временным и умеренным спектральным разрешением. Временное разрешение определяется как собственным временем ФЭУ-84 (~20 нс), так и типом используемого аналого-цифрового преобразователя (а.ц.п.). Использовались а.ц.п. с периодом дискретизации от 10 нс до 1 мкс и с разрешением 12 бит. Ширина видимого спектрального окна детектора составляет 3.3 нм и определяется шириной промежуточной щели, которая в максимально открытом состоянии равна 4 мм. Использование независимых регистраторов излучения (ф.э.у.) позволяет проводить измерения с большим диапазоном изменения чувствительности каналов. Динамический диапазон системы определяется контрастностью коллектора, которая по измерениям составляет 104.
Аппаратная функция каналов коллектора определялась по засветке от ртутной лампы, помещенной перед входной щелью ДФС-24 и освещающей ее по всей высоте. ДФС-24 включался в режим автоматической развертки в районе желтых линий (579.055 нм, 578.966 нм и 576.96 нм). Таким образом, на выходе каждого канала получалась развертка линий во времени, соответствующая аппаратной функции каналов коллектора. Одновременно при помощи импульсной лампы накаливания проводилась калибровка относительной чувствительности каналов во время экспериментов.
Другим детектирующим узлом, устанавливаемым на второй приемный узел, является диссектор (на основе электронно-оптической трубки ЛИ-602, принцип работы которой описан в [2]). Регистрация осуществляется а.ц.п. с периодом дискретизации 10 нс. Частота сканирования спектра определяется задачей эксперимента и варьируется в пределах 100-500 кГц. Ширина аппаратной функции этого прибора при ширине входной щели ДФС-24 100 мкм составляет 0.04 нм (в эту величину входит также аппаратная ширина диссектора, равная в среднем по полю зрения 90 мкм).
В связи с тем что на установке во время работы возникают большие импульсные электромагнитные поля, влияющие на работу электронно-вакуумных систем, все такие детекторы закрыты магнитными экранами. Влияние интенсивного же-
сткого гамма и нейтронного излучений снижается при помощи свинцовых экранов, окружающих блок ф.э.у., оптоволоконный коллектор и диссектор.
Для независимого измерения компонент излучения, поляризованных вдоль и поперек магнитного поля (п- и а-компоненты), вблизи плазмы на пути излучения (на окне вакуумной камеры) друг над другом устанавливаются поляризационные фильтры, пропу
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.