ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2012, том 38, № 2, с. 157-167
ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ ^^^^^^^^^^^^ С МАГНИТНЫМ УДЕРЖАНИЕМ
УДК 533.9.082.5
ВОДОРОДНЫЕ ЛИНИИ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ ФОН ДЛЯ ТОМСОНОВСКОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ В ДИВЕРТОРЕ ИТЭР
© 2012 г. В. С. Лисица, Е. Е. Мухин*, М. Б. Кадомцев, А. Б. Кукушкин, А. С. Кукушкин**, Г. С. Курскиев*, М. Г. Левашова, С. Ю. Толстяков*
ИФТНИЦ "Курчатовский Институт", Москва, Россия *ФТИим. А.Ф. Иоффе, С.-Петербург, Россия **ITER Organization, Cadarache, France Поступила в редакцию 18.05.2011 г.
Проведены расчеты спектрального фона плазмы, актуального для томсоновской диагностики в ди-верторе ИТЭР. Разработаны теоретические основы расчета контуров водородных спектральных линий в инфракрасной области для условий диверторной плазмы в ИТЭР. Для различных хорд наблюдения в диверторе ИТЭР рассчитаны контуры пашеновской линии Р-7 (переход n = 7 —- n = 3), расположенной вблизи лазерного сигнала рассеяния. Проанализирован вклад различных механизмов уширения линии Р-7. Рассчитана спектральная интенсивность тормозного и фоторекомбина-ционного континуума. Все расчеты используют данные по пространственному распределению температур и плотностей всех сортов частиц плазмы, рассчитанных кодом SOLPS4.3 для базовых режимов работы дивертора ИТЭР.
1. ВВЕДЕНИЕ
Томсоновское рассеяние на электронах плазмы является одним из основных методов диагностики плазмы ИТЭР [1]. Важную роль в реализации этой диагностики в диверторной плазме играет фон излучения, создаваемый плазмой в инфракрасной области спектра, соответствующей наблюдению сигнала лазерного рассеяния. Задача расчета этого фона поставлена в [2, 3] в рамках задач оптимизации технических требований к диагностике и оценки технических возможностей существующего проекта диагностики. Такой фон определяется как плазменным континуумом, создаваемым тормозным и ре-комбинационным излучением, так и спектральными линиями, расположенными вблизи наблюдаемой частоты. В последнем случае важную роль играют спектральная ширина и контур линии, определяющие возможности наблюдения сигнала рассеяния. Одной из наиболее сильных линий в рассматриваемом отношении оказывается линия Р-7 пашеновской серии, соответствующая переходу между главными квантовыми числами п = 7 и п = 3 в атомах водорода и его изотопах.
В настоящей работе разработаны теоретические основы расчета контуров водородных спектральных линий в инфракрасной области для ди-верторной плазмы в ИТЭР. При определении формы линии использовались упрощенные модели [4] расчета статической зееман-штарковской структуры спектральных линий, а динамически уширенные контуры линии были получены на ос-
нове новой кинетической теории уширения [5, 6]. Для различных хорд наблюдения в диверторе ИТЭР рассчитаны контуры пашеновской линии Р-7, расположенной вблизи лазерного сигнала рассеяния, и проанализирован вклад различных механизмов уширения. Рассчитана также спектральная интенсивность тормозного и фоторекомби-национного континуума. Все расчеты используют данные по пространственному распределению температур и плотностей всех сортов частиц плазмы, рассчитанных кодом 80ЬР84.3 [7] для базовых режимов работы дивертора ИТЭР.
2. ОСОБЕННОСТИ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ В ДИВЕРТОРЕ ИТЭР
Задача расчета контуров линий в плазме термоядерных установок с магнитным удержанием требует построения теории для достаточно широкого диапазона плотностей Ые ~ 1019—1021 м-3 и температур Те ~ 1—100 эВ электронов плазмы. В этих условиях стандартные приближения теории уширения, основанные на статическом воздействии электрических полей ионов и ударном уширении линий электронами (см. [8, 9]), оказываются недостаточными. Так, в плотной и сравнительно низкотемпературной плазме штарков-ское уширение линий электронами уже нельзя описывать в "ударном" приближении, а в горячей разреженной плазме при расчете штарковского
уширения линии ионами их уже нельзя считать статическими. Ситуация осложняется и тем, что воздействие электрического поля плазмы на излучающие атомы (ионы) нельзя описывать в рамках парных (бинарных) столкновений заряженных частиц с атомами, поскольку весьма часто это воздействие является существенно многочастичным.
Параметр, определяющим интенсивность теплового движения заряженных частиц (для определенности ионов),
= N
Г 2.Л3 п п
0.3
ЭДм-3] (п/3)6
(1)
1020 Т3/2[эВ]
представляет собой количество частиц внутри сферы, ответственной за уширение (так называемой вейскопфовской сферы); здесь использованы стандартные обозначения: N — плотность ионов, v¡ — их тепловая скорость, п — главное квантовое число верхнего квантового уровня, й — постоянная Планка и т — масса электрона. Легко убедиться, что этот параметр может изменяться, например, для водородной плазмы, в достаточно широких пределах, выходящих за рамки известных приближений стандартной теории ушире-ния.
Решение описанной выше задачи в настоящее время получено различными методами: 1) метод модельного микрополя (МММ) [10—12], 2) метод молекулярной динамики (ММД) [13, 14], 3) метод флуктуирующей частоты (МФЧ) [5, 6, 15, 16]. Первые два метода широко и эффективно используются в современной теории уширения. Третий метод — сравнительно новый, но гораздо более эффективный и быстрый в расчетном отношении по сравнению с первыми двумя (в разделе 3 мы кратко обсудим результаты сравнения расчетов, выполненных по всем указанным методам, что позволяет судить о точности получаемых данных). Отметим детальные расчеты контуров [17] для первых членов лаймановской и бальмеров-ской серий с учетом запирания излучения.
Современное состояние исследований радиационных свойств плазмы в установках магнитного удержания связано с развитием комплексных кодов, включающих в себя как описание атомных параметров, контуров линий, функций перераспределения излучения, так и самосогласованное моделирование гидродинамических (плотности и температуры разных сортов частиц) и атомных характеристик (ионизационный состав и населенности атомных уровней в атомах и ионах, с учетом переноса излучения в оптически плотной среде). Таким комплексным кодом является код 80ЬР84.3 [7, 18] (базовая версия кода B2-EIRENE [19, 20]), моделирующий основные параметры плазмы в пристеночной области и диверторе токамака. В коде B2-EIRENE детально
рассчитываются свойства только той спектральной линии, лайман-альфа водородных атомов, которая существенно влияет на ионизационный состав плазмы (вследствие поддержания достаточно высокой населенности на возбужденном атомном уровне в условиях высокой оптической плотности для этой линии и значительной скорости ионизации из этого возбужденного состояния [7, 18]).
Расчеты спектроскопических свойств плазмы, не влияющих так сильно на само состояние плазмы, как перенос в лайман-альфа линии водородных атомов, использует результаты численного моделирования кодом типа B2-EIRENE как входные параметры задачи. Такие расчеты все еще остаются сложными: примером может служить численное моделирование формы бальмеровских спектральных линий в диверторе [21, 22]. Дальнейшее развитие подобных спектроскопических кодов безусловно нуждается в эффективных, достаточно быстрых расчетных методах, одним из которых является излагаемый ниже сверхбыстрый метод расчета вклада штарковского динамического механизма в уширение спектральных линий.
Перспективным направлением диагностики пристеночной плазмы токамаков в последние годы становится измерение контуров высоковозбужденных линий пашеновской серии [23]. Кроме того, расчеты излучения в инфракрасной области спектра имеют важное значения для томсоновской диагностики, где это излучение определяет плазменный фон в спектральной области, в которой наблюдается сигнал томсонов-ского рассеяния. Для таких расчетов представляется целесообразным использование упрощенных интенсивностей переходов.
3. ВЫБОР МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТА КОНТУРОВ ВОДОРОДНЫХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ЛИНИЙ В ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ
Уширение водородных линий высоковозбужденных атомных состояний, ответственных за образование инфракрасных спектров, связано с формированием радиационных переходов большого числа штарковско-зеемановских компонент, для которых не существует строгих правил отбора, и динамикой этих состояний в нестационарном микрополе, создаваемом ионами плазмы.
Расчеты контуров водородных спектральных линий в диверторной плазме токамака должны учитывать следующие особенности: а) уже упомянутое большое количество индивидуальных атомных состояний, принадлежащих к верхнему высоковозбужденному уровню; б) преобладание штарковского расщепления над зеемановским; в) относительную слабость эффектов ионной ди-
намики для низких температур, характерных для диверторной плазмы.
Указанные особенности позволяют выбрать модели расчета с одной стороны достаточно точные, а с другой — достаточно быстрые, что в особенности необходимо при проведении массовых расчетов контуров вдоль линий наблюдения. В качестве такой модели ниже используется расчетная схема, базирующаяся на следующих предположениях, решающих указанные ранее проблемы расчета контуров инфракрасных водородных линий.
1. Интенсивность массива штарковских компонент для большого числа радиационных переходов с высоковозбужденных уровней можно аппроксимировать интенсивностью линии, усредненной по индивидуальным атомным состояниям [4].
2. Зеемановское расщепление можно учесть на основе данных работы [24], в которой было показано, что структура водородных линий в достаточно сильном магнитном поле может быть получена путем сдвигания контуров в отсутствие магнитного поля на частоты, соответствующие зеемановскому расщеплению. Такой подход позволяет существенно упростить трудоемкие расчеты контуров в магнитном поле и тем самым сократить расчетное время.
3. Эффекты ионной динамики независимо от их величины можно учесть точно с помощью метода кинетического уравнения [5, 6].
Эти приближения в порядке их перечисления основываются на следующих результатах:
1) детальном сравнении усредненных и не усредненных интенсивностей штарковских компонент, проведенном в [4];
2) массовых расчетах инте
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.