Systems of in situ diagnostics of plasma-surface interaction in MEPHIST-1 tokamak.pdf Введение Рис. 1. Фото токамака МИФИСТ-0 после сборки Создаваемый в МИФИ малый учебно-демонстрационный сферический токамак МИФИСТ, в первую очередь, предназначен для привлечения студентов к данной тематике и их подготовки по физике плазмы, по ключевым технологиям токамаков, а также используемым в них диагностикам. В настоящее время завершена сборка первого варианта токамака МИФИСТ-0, созданного для проверки заложенных в проект решений и приобретения начального опыта эксплуатации установки. Фото установки приведено на рис. 1. Одновременно разработан и реализуется проект токамака МИФИСТ-1 с разрядной камерой с такими же значениями малого и большого радиуса, но с большей вертикальной вытянутостью и существенно большим числом диагностических фланцев. На нем предусматривается применение ряда классических «токамачных» диагностик, а также отработка методов in situ анализа взаимодействия плазмы с поверхностью. Коме того, предусмотрены исследования предыонизации, физики удержания в сферических токамаках, взаимодействия плазмы с поверхностью и ее влияние на параметры плазмы, в перспективе планируется применение нагрева и поддержания тока с помощью ВЧ-мощности. Статус разработки токамака, его конструктивные особенности и программа работ изложены в [1, 2]. Основные расчетные параметры токамака МИФИСТ-1: большой радиус R = 25 см; малый радиус a = 13 см; аспектное отношение A = R/a = 1.9; вытянутость камеры k ~ 3; тороидальное поле на оси Bθ ~ 0.5 Тл; ожидаемый ток плазмы Ipl ~ 100-200 кА; длительность разряда t ~ 10-30 мс. Параметры установки и конструкция его разрядной камеры выбраны не только для того, чтобы продемонстрировать работу токамака как такового, но и для того, чтобы можно было осуществить и некоторые самостоятельные исследования, полезные для общей термоядерной программы. Многолетний опыт МИФИ показал, что становление будущих исследователей происходит только через их систематическую самостоятельную научную работу во время обучения. Вакуумная камера токамака МИФИСТ-1 изготовлена из стали SS304 c разной толщиной стенок на внутреннем и внешнем диаметрах и имеет 12 прямоугольных фланцев (по числу катушек тороидального поля) с размерами условного прохода 120376 мм и 24 наклоненных под углом 45o патрубка с фланцами Ду50. В разрядной камере предусмотрено размещение кольцевого лимитера и приемных (диверторных) пластин в нижней части камеры. В данной работе описывается первоначальный набор наиболее доступных в учебном процессе диагностик токамака МИФИСТ-1 с акцентом на возможности исследования взаимодействия плазмы с поверхностью, что является традиционной направленностью исследований в области управляемого термоядерного синтеза в МИФИ. 1. Основные системы диагностики взаимодействия плазмы с поверхностью Процессы эрозии материалов стенки токамака, их переосаждение в виде тонких пленок и отшелушивание в виде пыли имеют ключевое значение для термоядерного реактора. Поэтому необходимо использование оперативных методов мониторинга поверхностей, обращенных к плазме. In situ методы диагностики взаимодействия плазмы с поверхностью позволяют получать информацию о состоянии поверхности обращенных к плазме элементов токамака и параметрах пристеночной плазмы во время проведения эксперимента без нарушения вакуумных условий. Для токамака МИФИСТ-1, наряду с основными электротехническими диагностиками, разработаны системы зондовой диагностики, спектрометрии, визуализации в оптическом и ИК-диапазонах, LIBS-диагностика и ряд других методов для in situ анализа взаимодействия пристеночной плазмы с поверхностью. 1.1. Подвижные зонды Размещение системы подвижных зондов Ленгмюра для определения плотности и температуры пристеночной плазмы токамака МИФИСТ-1 с возможностью радиального перемещения в области пристеночной плазмы в разных точках по вертикали показано на рис. 2. Линейное перемещение возможно в диапазоне 100 мм относительно нулевой точки, с точностью позиционирования 0.2 мм. Время измерения полной вольт-амперной характеристики зонда (0-300 В) составляет 200 мкс. В режиме насыщения ионного тока возможна непрерывная работа. Матрица из девяти зондовых детекторов с распределением по радиальным и полоидальным координатам позволит фиксировать вертикальное перемещение шнура и в дальнейшем использовать диагностику для корреляционного анализа и изучения флуктуаций пристеночной плазмы. Система была протестирована в условиях измерения параметров плазмы импульсного сильноточного магнетронного разряда с параметрами плазмы, близкими к типичным значениям, ожидаемым в пристеночной плазме токамака, и показала возможность снятия не менее 100 зондовых характеристик за 20 мс основного разряда. Рис. 2. Схема базовой системы зондов токамака МИФИСТ-1 1.2. Оптическая спектрометрия и ИК-диагностика Системы регистрации излучений плазмы токамака МИФИСТ-1 включают детекторы оптического излучения, болометры для регистрации полных потерь энергии из плазмы, скоростные оптическую и инфракрасную камеры для контроля динамики поведения плазмы и нагрева обращенных к плазме элементов токамака, а также датчики рентгеновского излучения для фиксации возможных срывов плазмы с генерацией убегающих электронов. Для измерений всех видов оптических диагностик подобраны окна из фторида магния (диапазон прозрачности 130-9000 нм), селенида цинка (500-20000 нм) и кварцевого стекла (200-3500 нм), что позволяет регистрировать излучение как УФ-, так и ИК-диапазона. Стекла монтируются в наклонных диагностических патрубках, расположенных на горизонтальных элементах купола камеры («шайбах» купола), а также могут быть установлены на вертикальных фланцах. Оптическая спектрометрия токамака основана на использовании четырехканального оптоволоконного спектрометра Avantes AvaSpec-ULS2048L-4-RM. Он имеет набор сменных дифракционных решеток с числом штрихов 2400 мм-1 (диапазон 218-333 нм, разрешение 0.07 нм), 1800 мм-1 (диапазон 332-480 нм, разрешение 0.11 нм), 1800 мм-1 (диапазон 479-604 нм, разрешение 0.09 нм), 1800 мм-1 (диапазон 603-705 нм, разрешение 0.08 нм). Сбор данных со всех каналов осуществляется одновременно под управлением встроенного микропроцессора, скорость передачи данных составляет 1.8 мс. Размещение спектрометра AvaSpec-ULS2048L показано на рис. 3. Излучение из диверторной области плазмы 1 выводится через окно вакуумной камеры 2, кварцевую фокусирующую коллимационную линзу с фокусным расстоянием 25 мм, оптоволоконный кабель 3 с разветвителем на четыре стоечных спектрометра и попадает на входную щель каждого спектрометра 4. Развернутый в спектр и зарегистрированный ПЗС-линейкой световой поток предварительно обрабатывается с помощью встроенного в спектрометр микропроцессора и по USB-интерфейсу передается на персональный компьютер 5. Цифровая обработка полученного сигнала и идентификация полученного спектра производятся с помощью баз данных [3-7] с использованием программного обеспечения AvaSoft, либо с помощью программного обеспечения AvaLIBS-Specline-A осуществляется автоматическая идентификация атомов и ионов. Оптический спектрометр позволяет провести оценки элементного и зарядового состава плазмы и контролировать по линии H рециклинг водорода при взаимодействии плазмы со стенкой. Кроме того, с помощью данного спектрометра фиксируется эволюция примесей при кондиционировании стенок разрядной камеры чистящим разрядом. Спектрометр очень удобен для постановки дистанционной лабораторной работы по типу [8, 9]. Рис. 3. Схема спектроскопической диагностики области плазмы токамака МИФИСТ-1 с обозначенной областью обзора, доступной через наклонный диагностический патрубок 1.3. Визуализация быстропротекающих процессов цифровыми камерами Быстрая камера позволяет наблюдать динамику поведения плазмы при ее излучении в видимом диапазоне, например, по линии Н при взаимодействии плазмы с поверхностью обращенных к ней элементов. На токамаке МИФИСТ будут использоваться скоростные оптическая (цветная) и инфракрасная (ИК) камеры. Высокоскоростная камера, работающая в видимом диапазоне длин волн, Ximea CB013CG-LX-X8G3 с интерфейсом PCI Express x8 Gen3, имеет такие характеристики: модель сенсора - Luxima LUX19HSM, разрешение - 1.1 МП 1280x864, АЦП - 10 бит/пиксель, число кадров в секунду - 3675 (при полном разрешении) и 90000 при разрешении 200200, время экспозиции - 1 мкс -1 с, динамический диапазон - 60 дБ. Инфракрасная скоростная камера FLIR A665sc для контроля нагрева и оценки температуры обращенных к плазме элементов токамака обладает следующими характеристиками: температурная чувствительность - 0.03 при +30 С, максимальная частота кадров - 200 Гц, тип детектора - неохлаждаемый микроболометр с разрешением 640480 пикселей, постоянная времени датчика - 8 мс, шаг матрицы детектора - 25 мкм, спектральный диапазон - 7.5-14 мкм, чувствительность детектора теплового излучения в инфракрасном диапазоне - 30 мкК. Использование нескольких смотровых окон с разными оптическими материалами позволит более точно оценивать температуру образцов по различным длинам волн спектров. Система инфракрасной термометрии для измерения температур обращенных к плазме элементов токамака была протестирована на линейном плазменном симуляторе с продольным магнитным полем. 2. Болометрия Для определения эффективности удержания энергии в плазменном шнуре, моделирования транспортных процессов, а также исследования различных видов неустойчивостей плазмы традиционно измеряют интегральные радиационные потери на основе болометров - детекторов с равномерной спектральной характеристикой в широком диапазоне длин волн. Разработанная для токамака МИФИСТ-1 система состоит из двух 32 канальных линеек полупроводниковых XUV (eXtremeUltraViolet) детекторов ФДУК-32УВС-ПУ. Линия наблюдения детекторов располагается вдоль малого радиуса токамака. Это позволяет проводить локальные измерения радиационных потерь, на основе которых можно рассчитать полную мощность излучения плазмы. Область наблюдения детектора обеспечивает обзор плазменного шнура и охватывает в том числе диверторную зону. Две линейки детекторов обеспечивают широкий угол обзора. Расположение детекторов в токамаке МИФИСТ-1 с AXUV-детекторами показано на рис. 4. Для крепления линейки болометров используется экваториальный фланец с вваренными в него под углом 30 фланцами для размещения детекторов. Такой угол обеспечивает максимальный обзор с про¬странственным разрешением на середине камеры 10 мм и угловым разрешением одного канала 1.75. Рис. 4. Линии наблюдения двух линеек детекторов радиационных потерь. Максимальный угол обзора одной линейки составляет 56 3. Диагностики LIBS и LID Идеальным кандидатом для in situ мониторинга внутрикамерных элементов токамака является спектроскопия плазменного факела, образованного на поверхности импульсом лазера LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) [10, 11]. Эта диагностика, работающая в вакуумных условиях и удаленно, рассматривается как наиболее важная для реактора ИТЭР [12]. Схема диагностической системы LIBS, состоящей из двухканального импульсного твердотельного Nd:YAG-лазера (1064 нм), многоканального спектрометра и формирующей оптики, представлена на рис. 5. Разработанный в НТЦ уникального приборостроения РАН Nd:YAG-лазер имеет два независимых канала, работающих в режиме модулированной добротности с частотой следования импульсов до 10 Гц, энергией в импульсе до 100 мДж, длительностью импульса 10 нс и расходимостью 2 мрад. Распределение интенсивности лазерного излучения в сечении пучка близко к гауссову и соответствует генерации на основной поперечной моде. Варьирование задержки между каналами позволяет оптимизировать начальные условия эксперимента в двухимпульсном режиме возбуждения. Энергия лазерного импульса контролируется пироэлектрическим датчиком PE50-C. Рис. 5. Схема диагностической системы LIBS в модельном эксперименте Излучение лазера с помощью формирующей оптики направляется на тестируемый участок образца в камере токамака. При использовании короткофокусной собирающей линзы на мишени можно получить плотность мощности лазерного излучения до q ≈ 31010 Вт/см2. При этом на поверхности образца образуется лазерная плазма, излучение которой с помощью телескопической системы передается на приемный торец световода с оптическим разветвителем на четыре волоконные линии. Далее излучение попадает на входные щели четырехканального оптоволоконного спектрометра AvaSpec-ULS2048L, синхронизованного с лазером. Рабочий диапазон спектро- метра - 200800 нм. Ширина входных щелей равна 10 мкм, что вместе с разделением оптического диапазона на четыре канала обеспечивает спектральное разрешение не хуже 0.1 нм. Данная диагностика также актуальна для исследований перспективности лития в качестве материала для защиты обращенных к плазме элементов камеры токамака с хорошей совместимостью с термоядерной плазмой [13]. Анализ методом LIBS для изучения пленок лития был успешно применен в работе [14], продемонстрировав надежное обнаружение присутствия лития, с существенным уменьшением времени, необходимого для анализа каждого образца, в сравнении с методом времяпролетной масс-спектроскопии. Помимо традиционной LIBS-диагностики разработанная аппаратура позволяет проводить важные для термоядерных установок измерения содержания изотопов водорода в обращенных к плазме материалах методом лазерной индуцированной десорбции LID (Laser Induced Desorption). При этом требования к мощности лазерного импульса уменьшаются на порядки, а в качестве метода детекции выделившегося водорода используют масс-спектрометрию. На установке МИФИСТ при малом общем объеме камеры (~ 350 л) такие измерения особенно эффективны, так как относительный прирост парциального давления значительно больше, чем на крупномасшабных тока- маках. 4. Комбинация диагностик при локализации измерений Помимо описанных выше традиционных диагностик в МИФИ разработаны специфические диагностики, позволяющие расширить представления о взаимодействии периферийной плазмы со стенками. К ним относятся комбинированные материаловедческие зонды (см., например, [13]) и автоколебательный вторично-эмиссионный зонд, позволяющий исследовать динамику взаимодействия неравновесной плазмы со стенкой [14]. Комбинация различных диагностик в токамаке МИФИСТ-1 (рис. 6) может быть реализована следующим образом. В системе подвижных зондов помимо зонда Ленгмюра могут быть установлены материаловедческий собирающий зонд и автоколебательный зонд. Излучение Nd:YAG-лазера вводится через соседний фланец и с помощью зеркала, установленного на внутренней стенке камеры в тени диафрагмы, направляется на торцевые поверхности зондов, спектрометрия лазерной плазмы осуществляется через наклонные фланцы Ду50 или через вертикальные фланцы, расположенные по обходу камеры через 30. Большое количество диагностических фланцев позволяет осуществить также наблюдение за выбранной точкой на внешнем обходе с помощью быстрой ИК-камеры. Таким образом, осуществляется сбор максимального количества информации в выбранной точке обращенной к плазме материальной поверхности. Рис. 6. Схематичное изображение расположения диагностики LIBS в токамаке МИФИСТ-1 Заключение При разработке систем диагностики взаимодействия плазмы с поверхностью на учебно-демонстрационном малом сферическом токамаке МИФИСТ использованы хорошо известные, доступные и информативные системы диагностики, такие, как ленгмюровские зонды, позволяющие определить потоки частиц на стенки, болометрия, характеризующая потоки электромагнитного излучения на обращенные к плазме элементы. Спектрометрия плазмы и быстрые камеры, регистрирующие пространственную картину излучения в различных длинах оптического излучения, а также быстрая ИК-камера с высоким пространственным разрешением, регистрирующая поля температур на обращенных к плазме элементах, позволяют локализовать области такого взаимодействия. Этот комплекс диагностик, с одной стороны, дает возможность получить взаимодополняющую информацию о процессах, происходящих при контакте плазмы с поверхностью, а с другой стороны, представляет набор весьма информативных и хорошо проверенных диагностических средств, позволяющих студентам получить наглядную и достоверную информацию о процессах, протекающих в разрядной камере токамака. В токамаке также предусмотрены диагностики состояния камеры и элементов электромагнитной системы (термопары и тензодатчики), электромагнитные диагностики, позволяющие определить такие интегральные характеристики, как ток плазмы, напряжение на обходе и положение шнура в разрядной камере. Необходимые для полноценного описания процессов в токамаке средства измерения профилей температуры и плотности плазмы в самом шнуре и зоне горячей плазмы будут разработаны на следующем этапе создания токамака. Авторы выражают благодарность С.Н. Тугаринову (АО «ГНЦ ТРИНИТИ»), А.М. Зимину (МГТУ им. Баумана), Д.В. Сарычеву (НИЦ КИ), Яну Штокелю (Институт физики плазмы, Чехия) за консультации.

Скачать электронную версию публикации