WWW.MASH.DOBROTA.BIZ
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - онлайн публикации
 


«В И.В. Москаленко, Д.А. Щеглов ИАЭ4227/7 ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ К ДИАГНОСТИКЕ ГЕЛИЕПОДОБНОГО УГЛЕРОДА НА ТОКАМАКЕ Т-10 Москва 1985 УДК 5 33.9.082 Ключевые ...»

эмной энергии

Kyp4d T Ob

В

И.В. Москаленко, Д.А. Щеглов ИАЭ4227/7

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА

РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ

К ДИАГНОСТИКЕ ГЕЛИЕПОДОБНОГО УГЛЕРОДА

НА ТОКАМАКЕ Т-10

Москва 1985

УДК 5 33.9.082

Ключевые слова: резонансная флуоресценция, много зарядные ионы,

пересграчваемый лазер, токамак .

В работе проведен анализ применимости методики лазерной резо- J нанекой флуоресценции (ЛРФ) к иселедоважь.. поведения многозаряд- ] яых ионов легких элементов. Дано описание источника изл)-чения, | использующего удвоение частоты лазера на 1фасителях с помощью ' кристалла пентаборзта капля. Источник предназначен для оптической i накачки пфеходов 2 3 S, - ' 2 3 P 0, ^ в ионе геляеподобного углерода. • Описальг система диагностики методом ЛРФ на токамаке Т-10и режи- | мы, в которых проводились измерения. Представлен ряд экслерймен- \ тальных резупьтатов. \ © Институт атомной энергии им. И В. Курчатова, 1985 ''К ж ВВЕДЕНИЕ С начала нашего столетия атомы с низколежащими возбужденными энергетическими состояниями остаются наиболее удобным объектом для методов исследования, основанных на резонансном поглощении зондирующего излучения. Основной методической задачей при этом является определение концентрации исследуемых агомов при помощи оптической накачки в видимом и ближнем УФ-диапазонах спектра с последующим наблюдением спектральных линий атома (в том числе и oiличных по длинам волн от используемой линии поглощения') .

В современных программах по изучению взаимодействия плазмы с элементами вакуумной камеры термоядерных установок широко используется именно такой вариант метода лазерной резонансной флуоресценции (ЛРФ) (см., например, [1 - 4 J ). Высокое пространственное разрешение позволяет проводить измерения концентрации (а в ряде случаев и скоростей) атомов металлов в непосредственной близости от первой стенки вакуумной камеры или диверторных пластин .

Однако в настоящее в ре мл на установках с магнитной термоизоляцией плазмы наряду с исследованием холодной пристеночной области важное значение приобретают также измерения в периферийной зоне плазменного шнура, имеющей характерные температуры в десятки — сотпи электрошюльт. Параметры плазмы в этой области,и особенно значения градиентов этих параметров, зачастую оказывают определяющее влияние на характер разряда для плазменного шнура в целом [5]. В связи с этим использование высокого пространственного и временного разрешения метода ЛРФ для исследования периферии плазменного шнура представляется весьма перспективным подходом, требующим,однако, проведения ряда предварительных методических разработок с последующей реализацией измерений на какой-либо крупной современной установке с магнитной термоизоляцией .

В настоящей работе рассматривается возможность использовать резонансную флуоресценцию на гелиеподобных ионах легких элементов, в первую очередь на ионе CV. Дано описание источшка перестраиваемого но длинам волн излучения, использующего удвоение частоты на нелинейном кристалле (пентаборат калия — КРВ [6]). Описана система диагностики ионов методом ЛРФ на токамаке Т-10. Дано краткое описание режимов Т-10, в которых проводились измерения, и приведен ряд экспериментальных результатов .

1. АНАЛИЗ ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДИКИ ЛРФ

К МНОГОЗАРЯДНЫМ ИОНАМ





1.!. Оптическая накачка из возбужденных энергетических состояний Как известно, в замкнутых установках с магнитной термоизоляцией максимальная концентрация иона с потенциалом ионизации Е- достигается в области плазмы, характеризующейся значениями электронной температуры, близкими к Е (. Для упомянутого выше диапазона электронных температур (десятки — сотни электронвольт) ионы типичных для плазмы "естественных" легких примесей - углерода, азота, кислорода, будут представлены (помимо ядер) преимущественно водородо- и гелиеиодобными ионами. Поскольку у таких ионов ближайшие к основному состоянию уровни, характеризующиеся главным квантовым числом п = 2, имеют сравнительно высокую энергию возбуждения Д Е ] 2, то речь может идти лишь о накачке из возбужденных состояний. Действительно, у водородолодобных ионов Afeia - (3/4) h-, у гелнеподобных ионов энергия возбуждения уровней с п = 2 также превышает 100 зВ, т.е. лежит в области далекого вакуумного ультрафиолета (А 10 им) .

Значения ЛИ12 наряду с Б. для гслиеподобных ионов некоторых легких элементов приведены в габл. 1, где даны также длины волн переходов 2 3Р?-2 3S, .

–  –  –

Если, аналогично известным экспериментам по возбуждению перехода в водороде на длине волны На [7 — 9 ], использовать оптическую накачку из уровней, связанных с основным состоянием разрешенными оптическими переходами, то мы столкнемся со следующим обстоятельством. Если ионы одной изоэлектронной последовательности находятся в условиях, близких по значению параметра / = АЕ/Т,, то величины усредненных по максвелловскому распределению скоростных коэффициентов Qj, = а-Ус заметно падают с ростом Z (здесь а^ - сечение возбуждения уровня j из основного состояния электронным ударом). Приближенно можно говорить о зависимости Q ~ Z ~ 3 [10,11], в то время как вероятность разрешенных радиационных переходов А- растет как Z 4 .

Таким образом, относительная населенность такого уровня N./.N, падает как Z 7, что делает идею использования таких уровней j в качестве исходных для оптической накачки практически нереальной .

В связи с этим в работе [6] авторами была предложена идея применить оптическую накачку из триплетного метастабильного состояния 2 3 Si гелиеподобного иона углерода CV. Энергия ионизации этого иона достаточно велика (см. табл. 1). и наряду с другими гелнеподобными ионами легких примесей он может быть использован для диагностики областей плазмы с достаточно высокой электронной температурой. Если обозначить населенность уровня 2 3 S j через N2. можно рассчитывать на более высокие значения N 2 / N t. Этим, однако, требования к используемому переходу не ограничиваются. Для проведения экспериментов по ЛРФ необходимо, чтобы в исходном состоянии (т.е. до начала импульса накачки) соотношение населенностей верхнего и нижнего уровней используемого перехода Nk,/N. заметно отличалось от оольцмановского N k./N k = g k. / g k - g при Т Д Е к к, (здесь g k .

,g k -статистические веса уровней к' и к соответственно). Удобно ввести параметр G = " ^ к ' ^ к ^ к ^ к " о т л и ч и е которого от единицы характеризует степень отклонения от больцмановского распределения населенностей. Известно, в частности, что в экспериментах по флуоресценции налимий Hft нейтрального водорода близость параметра G к единице создает серьезные проблемы с точки зрения обеспечения приемлемого соотношения между локальным сигналом флуоресценции и фоновым свечением этой линии в плазме, возникающим под действием соударений [7,8]. Для вычисления зависимостей величин N2/Ni и G от параметров плазмы необходимо располагать моделью, описывающей населенности уровней N. гелиеподобных ионов .

1.2. Структура уровней гелиелодобных ионов легких элементов .

Используемая модель Наблюдение свечения линий триплета 2 3Po,i,2 ~* 2 3St чрезвычайно популярно в "обычной" (эмиссионной) спектроскопии высокотемпературной плазмы, тем бопее что ичясема энергетических уровней и вероятности спонтанных радиационных переходов А-к в гелиеподобных ионах легких элементов хорошо известны [12 — 14]. Схема уровней иона CV приведена на рис.1. Метастабйдьный уровень 2 3 S j связан с основным состоянием 1 'So мапштодипольньш переходом Ml, но вероятность перехода пренеЬрежима даже При низких плотностях по сравнению, например, со столкновительными переходами в еинглетные состояния. В дальТриплеты Синглеты

–  –  –

нейшем дня оценок населенностей N. использована модель и сохранена на рис.2 нумерация уровней, принятые в работе [15]. Формулы для N. = f(п,Т ), приведенные в [15], позволяют решить поставленную выше задачу - найти отношение N2/Nj и, например, оценить отличие

–  –  –

параметра G от единицы. Выбор в качестве верхнего состояния уровня 5, т.е. 2 3 Рг, связан с высоким значением отношения g = gs/g2 =5/3 .

Проведенные оценки показали, что усложнение модели за счет включения в рассмотрение трйплетных состояний с п 2, учета радиационной рекомбинации и т.д. не влияет заметно на полученные в [15] оценки населенности N.. Более существенным оказывается выбор величин скоростных коэффициентов Qj. = F (Т е ) .

1.3. Атомные процессы, существенные для вычисления величин N, Изучению скоростей элементарных процессов соударений в высокотемпературной плазме (в первую очередь - теоретическому) и проблеме отбора наиболее достоверных значений Q- уделяется в последние годы значительное внимание [10,16]. Наряду с этим существует большое количество полуэмпирических формул (см., например, [10,17,18]);

имеются также пока немногочисленные экспериментальные оценки такой величины, как скорость ионизации из метастаоилыюго состояния 2 3 S j [19]. Скорости отдельных процессов, взятые из различных источников, могут заметно отличаться (в 3 раза), однако в целом наборы Q.., отобранные по различным принципам, дают значения N:/Nj, лежащие в диапазоне 1,5 — 2. Эта сравнительная нечувствительность N- к выбору Q- не в последнюю очередь связана с тем обстоятельством, что в формулы для N- входят также вероятности спонтанных радиационных переходов, значения которых известны с точностью до нескольких процентов. Во всяком случае, точность оценок вполне достаточна для предварительного анализа применимости метода ЛРФ к иону CV: при температурах Т = = 100 -г 250 эВ вычисленные значения N2/Nj лежат в диапазоне нескольких десятых процента, что представляет заметную величину, так как даже при Ni ** 10~2 п с можно рассчитывать на значения N2 Ю9 с м " 3. Предварительные оценки, выполненные для условий и геометрии токамака Т-10, показали, что эти значения N 2 вполне достаточны для проведения экспериментов по ЛРФ [ 6 ]. Что касается отношения N s /N 2, то в данном случае оценки при выборе самых различных комбинаций скоростей и условий в плазме дают значения, не превышающие нескольких тысячных, т.е. справедливо условие G1. Точного значения N 5 /N 2 для интерпретации экспериментальных данных (в отличие от N2/Ni) не требуется .

1.4. Методические следствия из модели населенно стей Прежде всего следует обратить внимание на то обстоятельство, что, согласно приведенным в [15], формулам для N. отношение N2/Ni вообще не зависит от плопюсти электронов. Это дает возможность проводить, например, относительные измерения концентрации ионов CV с высокой точностью в условиях слабого изменения электронной температуры. Что же касается перехода от измеряемого в эксперименте значения N 2 к концентрации ионов в основном состоянии, то он может быть проведен точнее, чем в случае "обычной" (эмиссионной) спектроскопа \ т.е. при наблюдении линий из состояний 3, 4, 5, но точность ограничена обсужденной выше неопределенностью в выборе скоростных коэффициентов Q.. .

Существует также класс методических "безмодельных" задач, вообще не требующих вычисления N./N'i. В первую очередь к таким задачам следует отнести допплеровские измерения тепловых (либо направленных) скоростей ионов. Интерес к применению Л РФ связан прежде всего с необходимостью определения градиентов плазменных параметров в периферийной области плазмы. При измерении, например, допплеровской температуры Т ( (г) "обычными" спектроскопическими методами неопределенность пространственной координаты Дг вносит дополнительную ошибку в измерение градиентов ионной температуры т/ТДг) (см .

рис. 2). Помимо определения параметров плазмы, применение метода ЛРФ позволяет провести уточнение скоростных коэффициентов Q-- (.Те), используемых при расчетах N.. Например, в модели [15] предполагается, что переходами между триплетными уровнями с п = 2 и различными J в гелиеподобных ионах можно пренебречь [15,18]. Предложенный авторами метод оценки величин типа Q 3 5 кратко описан в работе [6] .

2. ИСТОЧНИК ЗОНДИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ

2.1. Требуемый спектральный диапазон.Для реализации описанных выше диагностических возможностей методики ЛРФ необходимо располагать источником перестраиваемого по длинам волн излучения; спектральный диапазон работы этого источника должен включать все интересующие нас линии поглощения .

Длины волн переходов между уровнями гелиеиодобных ионов ряда легких элементов приведены в табл.]. Источники появления перечисленных в этой таблице элементов могут быть различными, но в основном сводятся к следующим. Бериллий попадает в плазму в случае применения керамики ВеО, например, используемой в качестве материала окон при СВЧ-нагреве. Кроме того, бериллий уже употребляется в качестве материала диафрагмы на крупных токамаках [20,21]. Аналогичным образом бор входит в состав перспективных конструкционных материалов типа В 4 С. Еще материал первой углеродной диафрагмы Т-10 (углеситалл) содержал значительное количество бора, что позволяло наблюдать линии триплета иона BIV. Особенно широко распространено использование углеродных материалов в виде углерода и в виде карбидов ряда металлов (например, титана). Эксперименты, описываемые в настоящей работе, также выполнены при наличии в вакуумной камере установки Т-10 углеродных диафрагм (подвижной и стационарной). Современные установки характеризуются обычно хорошими вакуумными условиями, и натекание азота из атмосферы практически исключено. Однако его нетрудно добавлять в плазму с помощью импульсных клапанов, что представляет интерес прежде всего с точки зрения допплеровских измерений, так как потенциал ионизации NVI достаточно высок (см. табл.1). Из этой же таблицы видно, что переходы 2 3 1 ^ -* 2 3 S j всех рассмотренных нами ионов лежат в ближней УФ-ооласти (называемой иногда "кварцевым ультрафиолетом").Однако технические методы получения зондирующего излучения различаются даже внутри этого спектрального диапазона .

2.2. Лазерный комплекс В качестве базового варианта источника, перестраиваемого по длинам волн излучения,в наших экспериментах используется комплекс ЭЛИС-ФП [23,24]. Функциональная схема источника приведена на рис. 3. Система включает в себя эксимерный лазер накачки, способный работать в частотном режиме ( f 1 0 0 I 4 t ). Активной средой служит обычно эксимер (ХеС1)* с длиной волны генерации 308 нм. Этим излучением производится поперечная когерентная накачка лазера на красителях, состоящего из генератора и усилителя. В случае необходимости производится удвоение частоты перестраиваемого излучения лазера на красителях, причем в состав комплекса входит блок удвоения, использующий кристалл KDP. Коротковолновая граница излучения, получаемая с помощью блока, использующего KDP, составляет 260 нм. Более подробная оптическая схема устройства показана на рис. 4 .

Пучок излучения эксимериого лазера 1 направляется с помощью зеркал 2 и 3, а также кварцевой призмы 4 для накачки кювет лазера на красителях (кювета генератора — 9, усилителя — 11). Фокусировка излучения накачки на кюветы производится с помощью цилиндрической оптики 5,6. Кварцевые элементы оптики просветлены на длину волны Рлс. 3. Схема перестраиваемого по длинам волн источника излучения: 1 — лазер накачки (ХеС'1)*; 2, 3 - генератор и усилитель лазера на красителях; 4 - кристалл КРВ Г Рис. 4. Оптическая схема лазера на красителях с удвоителем частоты \ = 308 нм. Резонатор генератора образован выходным зеркалом 10 и дифракционной решеткой 7, работающей в 4 - 6 порядках. Поворотом этой решетки осуществляется перестройка рабочей длины в диапазоне генерации выбранного красителя. Для формирования пучка внутри резонатора применен призменный расширитель 8. Блок удвоения частоты на базе нелинейного кристалла KDP 14 включает цилиндрические кварцевые линзы 12 и фотодиоды 13, обеспечивающие измерение энергии пучка на основной частоте и частоте второй гармоники. Использование сигналов этих фотодиодов позволяет осуществлять с помощью специального блока управления режим автоподстройки (вводить отрицательную обратную связь, поддерживая максимальный коэффициент преобразования перестраиваемого излучения во вторую гармонику). Пучок излучения 16 выводится из корпуса системы через диафрагму 15 .

Генерация второй гармоники (ГБГ) при помощи кристалла KDP возможна лить до 260 нм. Однако применение методики ЛРФ к детектированию ионов наиболее характерной для современных гокамаков примеси - ионов углерода - требует использования более коротких длин волн зондирующего излучения .

2.3. Применение кристаллов КРВ для расширения спектрального диапазона источника Для осуществления ГВГ в более коротковолновом, чем 260 нм, участке спектра в качестве удвоителя частоты вместо KDP был применен кристалл пентабората калия КРВ (другое обозначение - КВ-5). Несмотря на то что коэффициент преобразования во вюрую гармонику на этом кристалле заметно ниже, чем в случае KDP, а кривые перестройки имеют более резкую зависимость от угла ориентации кристалла (т.е. возрастают требования к точности подстройки по углу), вьхокая мощность излучения лазера на красителях Р ^ позволила рассчитывать па приемлемые значения Р мощности излучения на второй гармонике. При иснользоваши раствора красителя кумарин-47 в этиловом спирте выходная мощность лазера на красителях в максимуме генерации (460 нм) находилась обычно в диапазоне 0,45 — 0,6 МВт .

В стендовых условиях [6] при мощности P w = 0,6 МВт, спектральной ширине линии излучения 10 пм и оптимизации коэффициента преобразования излучения во вторую гармонику (ч) удавалось получать значения т? до 4% на длине волны 230 нм. Спектральная ширина полученного УФ-изну''гения составляла ДХ 2 ы = 5пм.

Таким образом, мощность, приходящаяся на единичный интервал длин волн, оказывается избыточной, если сопоставить ее с величиной спектральной плотности -мощности, необходимой для насыщения рассматриваемого перехода в ионе CV:

Ws = 0,246МВт/(см.нм), где W = Р 2 J(ДХ2w-S), S - площадь сечения пучка (см. разд. 3.3);

Лазерная система, применяемая в экспериментах на Т-10, несколько отличалась от стендовой по параметрам зондирующего излучения. Мощность лазера Р ^ при длительных рабочих сериях не превышала 0,45 МВт .

Разделение излучения с частотами со и 2w производилось с помощью кварцевой призмы. Мощность Р, ы » измеренная после этой призмы, составляла 4 — 5 кВт в зависимости от конкретного экземпляра кристалла КРЗ. Угловая расходимость излучения на второй гармонике равнялась примерно 5.10" 4 рад; спектральная ширина зондирующего излучения была увеличена по сравнению со стендовой системой и равнялась ДХ2 ы = = 12 пм. В целом источник излучения давал на длине волны иона CV импульсы с вполне приемлемыми параметрами .

Помимо CV, доступными для измерений методом ЛРФ являются, разумеется, и гелиеподобные ионы более легких элементов — BIV, Belli (соответствующие функциональные схемы приведены на рис. 5 ). Зонди

<

CV NVI

Рис.5. Функциональная схема обеспечения экспериментов с применением ЛРФ в различных спектральных диапазонах рование плазмы, содержащей ионы ВсШ, доступно с помощью получения генерации лазера на этой длине волны; для экспериментов с BIV достаточно ГВГ с помощью кристалла KDP, входящего в состав системы ЭЛИС-ФП. Возможность получения зондирующего излучения на длине волны иона NVI (не обязательно удвоением, а, возможно, с помощью смешения различных частот) является интересной проблемой, но в рамках данной работы не рассматривается .

2.4. Технические характеристики источника зондирующего излучения Ряд параметров лазерной системы был приведен выше, в этом разделе мы рассмотрим некоторые характеристики нашей системы, существенные для реализации экспериментои но ЛРФ на установке Т-10 .

Частоту следования импульсов f в данной системе можно доводить до 100 Гц в непрерывном режиме. Приведенные выше параметры излучения, полученные с помощью ГВГ на кристалле КРВ, были зарегистрированы в непрерывном режиме при f = 10 Гц. Б экспериментах на токамаке Т-10 применялись короткие серии импульсов при частоте следования в отдельном пакете от 4 до 20 Гц .

При использовании KDP мощность отдельного импульса на длине волны 300 нм составляла 50 — 80 кВт .

Длительность импульса генерации лазера на красителях ДТ, измененная коаксиальным фотоэлементом ФЭК-11, слетали«ла (при генерации X = 460 им) ДТ = 10 не на полувысоте импульса .

Спектральная ширина ДА2л, на длине волны 227,1 лм равна 12 пм, минимальный шаг перестройки длины вояиы при повороте дифргкционной решетки в описываемой серии экспериментов составляя 6Х = 1,2 пм .

Focypc раооты лазера на красителях при использовании раствора кумарин"-47 в этиловом спирте составлял « 1 0 s импульсов .

При используемых уровнях мощности Р. и примененной системе фокусировки этого излучения в кристалл КРВ не наблюдалось снижения величины г} в конце серии экспериментов .

3. ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ УСТАНОВКИ Т-10

3.1. Геометрия экспериментов по ЛРФ аа токамакг Т-10 Установка Т-10 представляет собой токамак с большим радиусом R = 150 см, радиусом стенок вакуумной камеры 39 см. Малый радиус плазмы а, определяется конструкцией и положением диафрагмы, примененной в конкретной серии экспериментов. Изучаемые разряды характеризуются помимо о, значением индукции продольного магнитного поля J, током в плазме I, поведением средней по малому диаметру плотности электронов n (if, напряжением обхода U, а также коэффиюти циентом запаса устойчивости на краю плазменного шнура q(a, ) .

Геометрия зондирования показана на рис. 6. Зксимерный лазер 1 обеспечивает накачку лазера на красителях 2. После удвоения частоты на блоке кристалла КРВ 3 и разделения частот на кварцевой призме (на рисунке не показана) луч направляется в установку вертикально поворотной призмой 4. Для зондирования был использован один из трактов системы, предназначенной ранее для проведения экспериментов по томсоновскому рассеянию. Ось зондирования смещена наружу относительно центра сечения вакуумной камеры на 12 см. Значение малого радиуса, соответствующего положению исследуемого элемента объема плазмы, составляло 24 см. В плоскости, перпендикулярной зондирующему пучку и содержащей в себе ось наблюдения, сечение пучка является полоской, вытянутой вдоль направления этой оси. Ее размеры ориентировочно составляют 6x17 м м 2, т.е. S » 1 см 2. Входное окно 5 установки — кварцевое; после прохождения плазмы 6 зондирующее излучение поглощается в выходном брюстеровском окне 7, изготовленном из стекла. Конструкция и технология изготовления этого тракта (вакуумное чернение) рассчитаны на проведение экспериментов по рассеянию на свободных электронах, поэтому в экспериментах по ЛРФ (особенно s УФ-области) вообще не возникает проблема паразитного, т.е. рассеянного на деталях установки зондирующего 'излучения, по крайней мере для тех конкретных условий проведения экспериментов, которые описываются в настоящей работе .

Рис. 6. Геометрия экспериментов да ЛРФ на ионах CV в условиях установки Т-10

3.2. Система регистрации рассеянного излучения Собранное кварцевой линзой 9 (см. рис. 6) рассеянное излучение (прошедшее через боковое окно 8) подается на входную щель монохроматора 10. Монохроматором служил прибор ВМС-1 с измененной геометрией хода лучей (прибор переделан на боковой вход излучения для удобства размещения на установке и его эксплуатации). Штатная дифракционная решетка прибора была заменена на решетку с концентрацией излучения в первом порядке на длине волны примерно 210 нм .

Детектором излучения служил фотоумножитель ФЭУ-39А11 .

Экземпляры этих ФЭУ были отобраны из большой партии фотоумножителей по двум основным характеристикам — высокому квантовому выходу на длине волны 230 нм ( — 0,2) и способности работать при высоких коэффициентах усиления динодной системы .

Сигнал с ФЭУ направлялся в пультовую установки Т-10, где усиливался с помощью широкополосного усилителя УПШ-130А, и подавался на осциллограф (С8-2 или С8-14). Запуск осциллографа, предназначенного для записи сигналов флуоресценции, осуществлялся сигналами с ФЭК, которые служили для мониторирования мощности излучения источника .

3.3. Оптимизация диагностической системы Сложность создания внутренне согласованной диагностической системы для проведения экспериментов по ЛРФ в ультрафиолетовой области спектра связана прежде всего с необходимостью учитывать наличие насыщения (т.е. принимать во внимание значение параметра W ), а также с необходимостью работать с монохроматором (а не фильтрами), вследствие чего варьирование размеров щели помимо изменения выделяемого в плазме объема приводит также и к изменению выделяемого прибором спектрального интервала. Расширение щели имеет естественные пределы, связанные с попаданием на детектор соседних ярких линий, т.е. ведет к увеличению фонового излучения плазмы. Для линий CV 227,09 нм такой соседней линией служит, например, линия СШ 229,7 нм .

Поэтому применялась обычно щель шириной 2 — 2,5 мм, хотя в ряде случаев она увеличивалась до 3 мм. Высота ее составляла 10 мм. Щель отображалась на плазму с увеличением 3. Таким образом, высота исследуемого элемента объема плазмы по вертикали равна 3 см (т.е.. 2,6 см по направлению малого радиуса) .

Одним из наиболее важных моментов, определяющих согласованность параметров системы для ЛРФ, является соотношение между спектральной плотностью мощности зондирующего излучения W и величиной W, достижение которой обеспечивает близость параметра G= Понятие "достижение насыщения" является достаточно условным и требует конкретизации. Иногда используется, например, условие G = = 0,9 [25]. Более употребительным и принятым в отечественной литера»

туре [8] критерием насыщения служит условие равенства скорости спонтанных переходов с верхнего уровня и скорости индуцированных переходов: \kPL ~ &w эквивалентное условию G = 0,5 (р^ — объемная плотность излучения на единичный интервал частот) .

Для рассматриваемого перехода в ионе CV и обеспечения такой ситуации необходимо иметь спектральную плотность мощности, равную Ws *» 0,246 МВт/(нм.см ). Однако этот параметр не характеризует полностью реальную ситуацию — зондирование коротким (Т AJa) лазерным импульсом. Были проведены расчеты полного числа квантов Y, излучаемых ионами CV за один импульс зондирования из 1 см 3 плазмы .

Для этой величины получена формула У = N2 ~ ехр( где g = gk»/gki M (1 + g)u + 1. Результаты вычисления У по этой формуле (при g = 5/3) показаны на рис. 7. Диапазон мощностей излучения на второй гармонике, использованный в описанных экспериментах, соответствовал показанной на рис. 7 области значений u = b2$pjAS2 ~ (1,2 -г

-- 1,6). Таким образом, можно говорить о работе в условиях насыщения — г дальнейшее повышение мощности зондирующего излучения малоэффек

–  –  –

Рис. 7. Число квантов, излучаемое на длине волны перехода (5 —2) за одой лазерный импульс в зависимости от параметра и; А, 3 ДТ = 0^6; g = 5/3; — — - ашмпюшка и-».,; средние и рабочем интервале и тивно, однако необходимость производить мониторирование параметров зондирующих импульсов еще сохраняется. Поэтому помимо периодического контроля длительности и энергии импульсов излучения одновременно с сигналами рассеяния производилась запись мониторных сигналов .

Эта схема позволяла также выявлять случай неустойчивой работы лазерной системы .

4. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ЛРФ НА ТОКАМАКЕ T-JO

4.1. Исследуемые режимы Описываемые измерения проводились в серии экспериментов на токамаке Т-10 с новой углеродной диафрагмой, характеризующейся изменяемой геометрией. Исследовались особенности режимов, получаемых при наличии этой диафрагмы, и, в частности, при различных ее положениях в вакуумной камере, т.е. при различных значениях малого радиуса плазменного шнура а,. Следует сразу же отметить одяо обстоятельство, крайне осложнившее проведение экспериментов по ЛРФ в УФ-области спектра. Наличие в вакуумной камере большого числа элементов, изготовленных из углерода, привело к запылению кварцевого окна, резкому уменьшению его пропускания на длине волны иона CV, и к соответствующему уменьшению числа фотоэлектронов, регистрируемых за один лазерный импульс. Это, в свою очередь, вызвало необходимость набора статистики за счет многократных повторений зондирования в воспроизводимых разрядах. Именно этим обстоятельством (преимущественным выбором воспроизводимых серий разрядов) объясняется отбор ре;,кимов для исследования. Наиболее детально исследованы концентрации ионов CV в трех режимах, основные параметры которых даны в табл. 2 .

Таблица 2

–  –  –

Помимо этих режимов проводились также кратковременные серии измерений в разрядах, близких по параметрам к I — III, например в режиме, отличающемся от III значением радиуса шнура (26 см вместо 31,6 см) .

Некоторые характеристики режимов II и III показаны на рис. 8 и 9. Стационарность тока и положения плазменного шнура обеспечивалось при

–  –  –

мененнем системы обратных связей. Соотношение и форма плазменных токов I7 (t) даны на рис. 10. Особенностью режимов I и И является использование стабилизации МГД-колебаний (мода m = 2) с помощью обратной связи — программируемой подачи рабочего газа с помощью импульсного клапана [26] .

Отдельно следует остановиться на режиме III. В табл.2 приведены параметры этого разряда в условиях омического нагрева. В том же режиме производилась отладка ионно-циклотронного нагрева (ИЦН). Импульс ИЦН мощностью 0,3 — 0,4 МВт подавался примерно на t = 350 мс от начала тока .

–  –  –

Ниже мы отдельно рассмотрим поведение ионов CV в стадии омического нагрева в режиме III, до 350-й мс, (рис. 11) и влияние ИЦН на 0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 Рис. 11. Населенность N2 мстастабильного уровня 2 3 S, иона CV в режимах J - III сигналы флуоресценции в стадии нагрева, а также в следующей за ней неустойчивой фазе разряда (рис. 12) .

Мониторирование воспроизводимости условий в разрядах осуществлялось также путем регистрации свечения линий триплета 2 3 Po,i,2 ~*23 S X иона CV. В качестве примера на рис. 13 показан ход интенсивности этих линий J(CV) для режима П. В ряде случаев производилась также контрольная съемка линии берилл неподобного иона углерода СШ (X = 229,7 нм). Следует отметить, что проводимые ранее эксле

–  –  –

Рис. ! 3. Осциллограмма свечения линии CVn режиме И установки 1-10 рименты на Т-10 показали, что типичное расстояние максимума свечения линии CV от поверхности, проходящей через край диафрагмы, составляет обычно Дг « 5 -г 6 см [27] .

4.2. Некоторые результаты экспериментов с применением ЛРФ Прежде всего напомним, что спектральная ширина линии излучения применяемого источника &\ш в несколько раз меньше допплеровской полуширины линии CV в типичных для Т-10 условиях: ДХо/ДХ2ы««4при Т. = 100 эВ. Это обстоятельство позволяет производить измерения температуры ионов. Однако, даже если целью экспериментов являются оценки ионной концентрации, все равно требуется располагать информацией (хотя бы грубой) о температуре исследуемого иона. Это связано с тем фактом, что в формировании сигнала флуоресценции участвует лишь часть ионов, концентрация таких ионов пропорциональна Т*.. Поэтому прежде всего были проведены грубые оценки Т. путем перестройки рабочей длины волны от разряда к разряду. Типичные значения 1\ в исследуемом элементе объема плазменного шнура составили несколько десятков электронвольт, лишь для режима III Т[ превышала 100 эВ (по проведенным грубым оценкам в этом режиме для г = 24 см Т^ »* \ 40 эВ) Полученные оценки величины уТ? были использованы для перехода от сигналов флуоресценции к локальным значениям N 2 (t) населенности метастабильного уровня 2 3 S j иона CV, показанным на рис. 11. Переход от N 2 к концентрации ионов в основном состоянии Nj определяется наряду с выбором скоростных коэффициентов также и представлениями о распределении электронной температуры (но практически не зависит от электронной плотности плазмы). Так, данные относительно N 2 ( t ), приведенные на. рис. 11, соответствуют N t (t) = (3 -г 5).1О 13 см" 3 для t = 350 мс .

Остановимся отдельно на режиме с ионно-циклотронным нагревом. Как показано на рис. 12 (см., например, серию из "черных" точек), без включения ИЦН, сигнал резонансной флуоресценции F остается приблизительно постоянным. Включение ИЦН (уровень мощности 0,3 — 0,4 МВт) приводит к возрастанию сигнала F, затем стадия роста F сменяется неустойчивой стадией разряда, граница которой условно показана вертикальной линией. В индивидуальных разрядах начало неустойчивой фазы приходится на промежуток времени от 450 до 550 мс. В этой стадии наблюдается увеличение потоков углерода, регистрируемое по свечению линии СШ (X = 229,7 им). Свечение всех зарегистрированных линий, включая CV, носит крайне неустойчивый характер, колебания фонового свечения плазмы значительны, измерения методом ЛРФ затруднены и возможны лишь на коротких сравнительно устойчивых участках разряда. Измерения эти (светлые точки на рис. 12) в неустойчивой стадии разряда) указывают на понижение концентрации N2 по сравнению с устойчивой стадией нагрева. Естественно объяснить это уменьшением отношения N 2 /Ni - f ( T e ), связанным со спадом электронной температуры в наблюдаемом объеме периферийной плазмы, при резком увеличении потоков примесей (в том числе и углерода) в эту область плазменного шнура Т-10 .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенные эксперименты с использованием метода ЛРФ к детектированию ионов CV подтвердили правильность данных авторами в работе [6] прогнозов относительно возможности реализовать этот вариант методики резонансной флуоресценции на токамаке Т-10. Диагностическая система показала свою работоспособность в сложных условиях проведения этих экспериментов (наличие высокого уровня вибраций в месте расположения источника излучения, электромагнитные наводки, влажность и т.д.). Применение этой методики представляется перспективным в связи с широким использованием углерода и углеродосодержащих материалов (например, карбидов) в качестве конструкционных материалов для элементов вакуумной камеры современных термоядерных установок .

Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить ЮЛ. Лазаренко и Г.В.Горюшкина за активную помощь в работе с лазерным комплексом, сотрудников ИФ АН ЭССР и СКБ АН ЭССР за помощь в освоении и запуске аппаратуры, Г.Е.Ноткина за помощь в организации и проведении экспериментов, а также весь коллектив установки Т-10, возглавляемый Н.В.Красновым, за обеспечение бесперебойной эксплуатации систем установки Т-10 во время экспериментов .

Список литературы

1. Hintz E. Laser diagnostics for plasma-surface interaction. — J. Nuci" .

Mater., 1980, vol. 93/94, p. 86 - 95 .

2. Schweer В., Bogen P., Hintz E. et al. Application of laser-induced fluorescence to the measurement of the release, the transport and the ionization of Ti-atoms at the ASDEX divertor plates. — Ibid., 1982, vol. 111/112, p. 71 - 7 2 .

3. Miller CM, BurrellK.H. Time-dependent measurements of metal impurity densities in a tokamak discharge by use of laser-induced fluorescence. - Phys. Rev. Lett., 1981, vol. 47,p. 330 - 333 .

4. Бураков B.C., Мошкалев С.А., НауменковПА. и др. Применение метода резонансной флуоресценции для диагностики плазмы вблизи стенки разрядной камеры на установке "Туман-3". —Письма в ЖЭТФ, 1983, т. 37, вып. 7, с. 308 - 310 .

5. Wagner F., BeckerG., BehringerK. et al. Regime of Improved Confinement and High Beta in Neutral-Beam-Heated Divertor Discharges of the ASDEX Tokamak. - Phys. Rev. Lett., 1982, vol.49, p. 1408 -1412 .

6. Москаленко ИВ., Берик Е.Б., Михкельсоо В.Т., Щеглов Д.А. Диагностическая система для регистрации иона CV методом резонансной флуоресценции. - Письма в ЖТФ, 1985, т. 11, вып. 6, с. 351 — 354 .

7. Бураков В.С, Ларионов МА1., МисаковП-Я. и др. Эксперименты по резонансной флуоресценции на линии Н в плазме установки "Токамак-ФТ-Г', — В кн.: Диагностика плазмы. Вып. 4. — М.: Энергоиздат, 1981, т. 1, с. 7 4 - 7 8 .

8. Раздобарин Г.Т., ФоломкинИЛ. Диагностика плазмы методом рассеяния света на атомах. - ЖТФ, i979, т. 49, вып. 7, с. 1353 - 1372 .

9. Razdobarin G.T., Folomkin I.P. Plasma diagnostics by the method of the resonance fluorescence. - In: Diagnostics tor frusion experiments, Proc of Course (Varenna, Italy, 1978). - Varenna: Pergamon Press, 1979, p. 311-325 .

10. Вайнштейн ЛА., Собельман И.И., Юков ЕЛ. Возбуждение атомов и ушкрение спектральных линий. - М.: Наука, 1979, гл. Ш, V .

П.АглицкийЕ.В., Бойко В А., Виноградов АБ., ЮковЕА. Диагностика плотной лазерной плазмы по спектрам водородоподобных и гелиеподобных многозарядных ионов. - Квантовая электроника, 1974, т. 1,№3,с.579-590 .

12. Wiese WJL, Smith M.W., Glenn on В.М. Atomic Transition Probabilities Volume 1 Hydrogen Through Neon. Report NSRDS-NBS4. -, Washington, 1966 .

13. Elton R.C. Intercombination line oscillator strengths in the helium isoelectronic sequence. Astrophys. J., 1967, vol. 148, p. 573 — 578 .

14. Johnson W.R., Lin CD., DalgarnoA. Allowed and forbidden transi- i tions o f helium-like ions. — J. Phys. В., 1976, vol.9, W l l, [ p. L303 - 306. j

15.Ноткин Г.Е., Щеглов ДА. Спектроскопическое исследование при г месей легких элементов в плазме установки "Токамак-6": Препринт .

ИАЭ-2484.-М., 1975. \

16. Itikawa Y., Нага S., KatoT. et al. Recommended data on exitation of carbon and oxygen ions by electron collision. Report IPPJ-AM-27. — Nagoya, 1983 .

17. KunzeH.-J., Gabriel A.H., Griem H.R. Measurement of Collision Rate Coefficient for Heliumlike Carbon Ions in a Plasma. — Phys. Rev., 1968, vol. 165, N 9 1, p. 267 - 2 7 6. ;

18.ngelhardt W., Koppendorfer W., Sommer J. Measurement of the Depo- \

pulation of the 2 3 Po,i,2 Levels of Heliumlike Ions by Electron Collisions. - Phys. Rev. A.*1972, vol. 6, №5, p. 1908-1914. :

19. Datla R.U., Nugent L.J., Griem H.R. Ionization rate coefficients of \ multiply ionized atoms. - Ibid., 1976, vol. 14, № 3, p. 979 -- 983. \

20. Hackwann J., Uhlenbysh J. Test of a Beryllium limiter in the tokamak ] Unitor. - J. Nucl. Mater., 1984, vol. 128/129, p. 418 - 421. '

21. Edmonds P.H., Mioduszewski P., Roberto J.B. et al. The ISX-JET beryllium limiter experiment. — Ibid., p. 422 —424 .

22.Берлизов А.Б., НоткинГ-Е., Щеглов ДА. Сравнение Z э. в центральной зоне шнура для режимов установки Т-10 с вольфрамовой и углеродной диафрагмами. — Физика плазмы, 1979, т.5, вьш.2, с. 229 — 234 .

23.БелянинВ-Б., Михкельсоо В.Т., СаариГШ. Опыт разработки лазерного комплекса - спектрометра в АН ЭССР. - Вестник АН СССР, 1984, №4, с. 6 7 - 7 2 .

24. Берик Е.Б., Михкельсоо В.Т. Автоматизированный эксимерный лазерный спектрометр. — В кн.: Лазерное оптическое и спектральное приборостроение (Мат. рсспубл. научно-технической школы-семинара). — Минск, 1983, с. 1 8 5 - 197 .

25. Gohil P., Kolbe G., Forrest M J. et aL A measurement of the neutral hydrogen density determined from Balmer alpha fluorescence scattering in the HBTXIA reversed field pinch: Preprint CLM-P669. Abingdon, 1982 .

26. Гуляев В.А., ЛевковБ.С, Маталин-Слуцкий Л.А., НоткинГЧЕ. Инженерные проблемы построения системы автоматического регулирования радиуса токового канала плазмы на установке Т-10. — В кн.:

Докл. 3-й Всесоюз. конф. по инж. пробл. термоядерных реакторов (Ленинград, 1984). - М.: ЦНИИатомииформ, 1984, т. 3, с. 423 - 431 .

27. Гегечкори Н.М., Жидков А.Г., Пименов А.Б. Оптические исследования легких примесей и процессы переноса в периферийной области плазмы Т-10: Препринт ИАЭ-3464/7. - М., 1981 .

–  –  –

ш




Похожие работы:

«"КУБОК РТК" РЕГЛАМЕНТ СОРЕВНОВАНИЙ "КУБОК РТК" Приложение №3: Автоматика на полигоне.1. Общие положения В состав соревнований "Кубок РТК" вводятся автономные участки 1.1. на полигоне. Перед стартом необходимо уведомить судей о том, какие действия 1.2. робот будет выполнять автоматически. Также в процессе попытки участн...»

«Калужская область Администрация муниципального района "Город Людиново и Людиновский район" ПОСТАНОВЛЕНИЕ от 26.02.2014 № 264 Об утверждении ведомственной целевой программы "Противодействие распространению ВИЧ – инфекции на террито...»

«Алсигна 11.8. Гравитация 2 ГОСПОДЬ с вами, когда вы с НИМ; и если будете искать ЕГО, ОН будет найден вами; если же оставите ЕГО, ОН оставит вас.Библия, 2-я Паралипоменон, 15:2 Одной из задач человечества, судя по всему, является постижение основ...»

«ФЕДЕРАЛЬНАЯ АНТИМОНОПОЛЬНАЯ СЛУЖБА РАЗЪЯСНЕНИЯ ПО ПОРЯДКУ И МЕТОДИКЕ АНАЛИЗА СОГЛАШЕНИЙ О СОВМЕСТНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ 2013 г. Содержание Общие положения I. Порядок проведения анализа допустимости соглашений о II. совместной д...»

«FG-ACE-VC-2 Многофункциональный комплекс видеоконтроля и управления доступом с системой экстренного оповещения абонентов (IP-домофон нового поколения) РУКОВОДСТВО ПОЛЬЗОВАТЕЛЯ Версия: 1.2 FG-ACE-VC-2 Руководство пользователя Меры предосторожности Пожалуйста, следуйте мер...»

«ЦЕНТРАЛЬНЫЙ КОМИТЕТ ОБЩЕРОССИЙСКОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО СОЮЗА РАБОТНИКОВ ГОСУДАРСТВЕННЫХ УЧРЕЖДЕНИЙ И ОБЩЕСТВЕННОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫЙ БЮЛЛЕТЕНЬ ПРОФСОЮЗА № 4 (138) Москва 2015 г. Редакционный Совет: О.В. ШЕЛОБАНОВА (председатель), Ю.Е. КАЗАКОВ (ответственный секретарь), Т.Ю. ГЕРАСИМЕНКО, Г.И. ДАНИЛОВА, О.В....»

«СТРАТИГРАФИЯ И ФАУНА МОЛЛЮСКОВ ВЕРХНЕМЕЛОВЫХ И ПАЛЕОЦЕНОВЫХ ОТЛОЖЕНИЙ ЮЖНОЙ И ВОСТОЧНОЙ ТУРКМЕНИИ А Ш Х А Б А Д —i 974 МИНИСТЕРСТВО ГЕОЛОГИИ СССР УПРАВЛЕНИЕ ГЕОЛОГИИ СОВЕТА МИНИСТРОВ ТУРКМЕНСКОЙ ССР ТУРКМЕНСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ГЕОЛОГОРАЗВЕДОЧНЫЙ...»

«Tarasy z drewna Teak FSC™ najbardziej naturalny ze sposobw wykoczenia powierzchni tarasowych Poczenie unikalnego pikna drewna TEAKOWEGO oraz zaoe i filozofii systemu odnawialnych zasobw naturalnych – FSC™, pozwolio stworzy bogat gam funkcjonalnych i wytrzymaych systemw tarasowych. Teak Decking FSC™ the more natural way to decorate the...»







 
2019 www.mash.dobrota.biz - «Бесплатная электронная библиотека - онлайн публикации»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.