| Разработка диагностики диверторной плазмы токамака ИТЭР методом томсоновского рассеяния
Диссертация
Автор: Мухин, Евгений Евгеньевич
Название: Разработка диагностики диверторной плазмы токамака ИТЭР методом томсоновского рассеяния
Справка: Мухин, Евгений Евгеньевич. Разработка диагностики диверторной плазмы токамака ИТЭР методом томсоновского рассеяния : диссертация кандидата физико-математических наук : 01.04.08 / Мухин Евгений Евгеньевич; [Место защиты: Физ.-техн. ин-т им. А.Ф. Иоффе РАН] Санкт-Петербург, 2007 137 c. : 61 07-1/1354
Объем: 137 стр.
Информация: Санкт-Петербург, 2007
Содержание:
1 ВВЕДЕНИЕ
Глава
I НАЗНАЧЕНИЕ И ТОМСОНОВСКОГО ТОКАМАКА ИТЭР
11 ПРИОРИТЕТЫ ДИАГНОСТИКИ РАССЕЯНИЯ В ДИВЕРТОРЕ плазмы методом Классификация режимов работы дивертора Физические основы диагностики ТОМСОНОВСКОГО рассеяния
Глава
II ПРЕДЛАГАЕМЫЙ НАБОР ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ В ДИВЕРТОРЕ ТОКАМАКА ИТЭР И ИХ ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ НАЗНАЧЕНИЕ
21 Требования и практическая реализация диагностики ТОМСОНОВСКОГО рассеяния в наружной «ноге» дивертора Требования и способы реализации диагностики томсоновского рассеяния во внутренней «ноге» дивертора Нейтронно-физический анализ
Глава
III РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ АППАРАТУРЫ
31 Разработка проекционной оптической системы для диагностики томсоновского рассеяния в диверторе и на периферии шнура в районе Х-точки Анализ требований к лазерной и детекторной аппаратуре
32 Лазерные источники зондирования
33 Детекторы рассеянного излучения
34 Пределы применимости диагностики томсоновского рассеяния диверторной плазмы токамакаИТЭР Анализ требований к спектральным приборам, сравнительные характеристики различных типов спектральных приборов Разработка дифракционного полихроматора с высоким уровнем подавления паразитно-рассеянного излучения на длине волны лазера
35 1 Принцип действия и оптическая схема полихроматора
36 2 Исследование характеристик опытного образца полихроматора Дифракционный полихроматор для регистрации контуров томсоновского рассеяния с нижним пределом измерения электронных температур 1 эВ МЕТОДОВ ЗАЩИТЫ ПОВЕРХНОСТЕЙ ОТ И ОЧИСТКИ ПЛАЗМЕННОГО
Глава
IV РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯ
41 Методы защиты оптических поверхиостей от плазменного напыления Стендовые испытания удаления пылевых диагностического канала потоком газа в вакууме частиц из Чистка конденсируемых из плазмы токамака углеводородных пленочных покрытий разрядами с низкотемпературной плазмой Экспериментальные исследования эффективности плазменной чистки образцов, напыленных на стендах и в плазме токамаков Т-10 и Глобус М
Глава
V МАКЕТИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ПОДСИСТЕМ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
51 Испытание опытного образца спектрометра в демонстрационных экспериментах по наблюдению спектров свечения газоразрядной плазмы и сигналов томсоновского рассеяния в токамаке Глобус-М при мощной паразитной засветке на длине волны лазера Исследование пространственно-временных характеристик и предельной чувствительности диагностики ЛИДАР с хронографической камерой в экспериментах по релеевскому рассеянию на газе
52 Схема эксперимента
53 2 Диагностический лазер
54 3 Хронографическая камера
55 Результаты исследований
56 ЗАКЛЮЧЕНИЕ БИБЛИОГРАФИЯ
Приложение Диссертация содержит страниц, таблиц и рисунков СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Введение:
Работы по созданию Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР открывают новый этап исследований в рамках программы управляемого термоядерного синтеза. Успешная реализация этой программы в значительной степени зависит от технических возможностей диагностического комплекса. Диагностические системы токамаков следующего поколения будут иметь существенное отличие от своих современных аналогов. Значительные размеры вакуумной камеры и большое расстояние от границы вакуума до плазмы (510 м) предполагают наличие внутрикамерных диагностических элементов, входящих в конструкцию токамака-реактора, что, в свою очередь, диктует необходимость разработки токамаков будущего одновременно с их диагностическими комплексами. При их разработке следует учитывать ряд факторов, действующих в рабочем вакуумном обьеме, а именно интенсивный радиационный фон, осаждение распыленных материалов конструкции, а также сильное магнитное поле (5 Тл) сверхпроводящих обмоток. Повышенные требования к оперативности и надежности диагностических комплексов следующего поколения продиктованы необходимостью управлять работой токамака в режиме реального времени. Данная работа посвящена разработке диагностического комплекса томсоновского рассеяния дивертора токамака ИТЭР. Электронная температура и концентрация, как в наиболее с существенные характеристики плазмы, нуждаются измерениях высоким пространственным и временным разрешением. В диагностике томсоновского рассеяния локальность измерений достигается двумя различными способами. В классическом исполнении рассеянное излучение наблюдается в наборе пространственных точек на пересечении лазерного пучка и набора хорд наблюдения. В другом варианте, известном как диагностика ЛИДАР, используется единственная ось наблюдения, совпадающая с осью зондирования. При этом пространственное разрешение основано на времяпролетном принципе регистрации в соответствии с временной задержкой сигналов рассеяния относительно короткого лазерного импульса. Набор диагностических систем томсоновского рассеяния, предлагаемых для дивертора токамака ИТЭР, представлен обеими схемами. Целью диссертационной работы является разработка диагностического комплекса для исследования режимов работы дивертора в токамаке-реакторе ИТЭР методом томсоновского рассеяния. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: 1) Анализ различных источников фонового излучения и других факторов ограничения чувствительности диагностики. 2) Выбор параметров диагностической системы и обоснование принципиальной оптической схемы диагностики томсоновского рассеяния диверторной плазмы токамака ИТЭР. 3) Обеспечение нейтронной защиты в условиях, когда основной поток нейтронов обусловлен каналами доступа к плазме. 4) Разработка принципов построения аппаратуры с и создание опытных образцов диагностической плазмы для исследования мощного низкотемпературной монохроматического дивертора подавлением паразитно-рассеянного излучения на 6 порядков и более. 5) 6) Апробация опытных образцов аппаратуры на диагностических стендах, Исследование эффективности методов защиты оптических поверхностей от плазменного воздействия, в том числе удаления иылевых частиц и летучих углеводородных молекул направленным потоком газа в вакууме, а также плазменной чистки пленок углеводородных соединений конденсируемых на поверхности из плазмы токамака. Научная новизна работы; Исходя из приоритетных задач стоящих перед диагностикой томсоновского рассеяния в диверторе токамака ИТЭР выбрана структура 5 диагностического комплекса, представленного классической схемой, а также системой ЛИДАР высокого разрешения с возможностью доступа к различным участкам диверторной плазмы. Выполненные эксперименты по чистке оптических поверхностей в низкотемпературной нлазме ЭЦР и ВЧ разрядов, а также опыты на стендах по удалению ныли из диагностического канала потоком газа в вакууме предоставляют важную информацию для разработки методов защиты диагностических зеркал от плазменного напыления в токамаке. Разработанная серия оригинальных дифракционных полихроматоров по принципу вычитания равных и неравных дисперсий для регистрации узких спектральных томсоновского контуров, позволяет расширить электронных измеряемый температур методом в ранее рассеяния диапазон недоступную область низких значений 1 эВ. Для регистрации спектров рассеяния в диагностике ЛИДАР предложена оригинальная компоновка фильтровых полихроматоров и быстродействующих хронографических камер. Практическая значимость результатов работы; о Выполненные проектные разработки, включенные в рабочие документы ИТЭР (N 55 DDD 3 00-10-27 W 0.1), позволяют перейти к очередной стадии конструирования диагностики томсоновского рассеяния. о В рамках программы исследования плазмы в диверторе ИТЭР разработаны и испытаны опытные образцы оригинальной спектральной аппаратуры. о Применение хронографической камеры с матричным детектором для лазерной диагностики плазмы методом ЛИДАР, позволяет реализовать высокое пространственное разрешение, а также, при использовании режима счета фотонов, повысить чувствительность диагностики. о Разработаны эффективные методы защиты оптических поверхностей от осаждения углеводородов из плазмы токамака путем удаления пылевых частиц и летучих углеводородных молекул из диагностического канала направленным потоком газа в вакууме.о Проведенные исследования взаимодействия низкотемпературной плазмы ЭЦР и ВЧ разрядов с поверхностью рекомендации для плазменной дают возможность оптических выработать чистки поверхностей, напыленных из плазмы токамака. Личное участие автора: Все представленные в диссертации результаты получены непосредственно автором или при его активном участии. Лично автором выполнены оценки пределов применимости диагностики томсоновского рассеяния в диверторной области токамака ИТЭР; сформулированы основные требования к лазерной и детекторной аппаратуре; разработана серия оригинальных дифракционных полихроматоров с вычитанием равных и неравных дисперсий для измерения низких значений электронной температуры 1 эВ; создан экспериментальный стенд по исследованию пространственно-временных диагностики ЛИДАР с характеристик и предельной чувствительности хронографической камерой в экспериментах по релеевскому рассеянию на газе; выполнены разработки эффективных методов защиты оптических поверхностей от плазменного напыления при воздействии защитного газового потока на пылевые частицы и углеводородные молекулы. Автор принимал непосредственное анализе диагностического свойств порта участие: в нейтронно-физическом токамака ИТЭР; расчете дивертора систем аберрационных оптических и спектральных приборов; экспериментальных исследованиях плазменной очистки образцов, напыленных на стендах и в плазме токамаков Т-10 и Глобус-М. Основные положения, выносимые на защиту: 1. Обоснование структуры диагностического комплекса для исследования диверторной плазмы токамака ИТЭР методом томсоновского рассеяния по результатам нейтронно-физического анализа, а также габаритных и аберрационных расчетов проекционной оптической системы.Физическое обоснование выбор рабочих вариантов лазерной детекторной аппаратуры. 3. Оптические схемы полихроматоров, способных работать с тонкой отстройкой спектральных каналов от фона мощной помехи на лазерной длине волны и рассчитанных на разные диапазоны электронных температур с нижним пределом около 1 эВ. 4. Результаты макетирования и экспериментального исследования опытного образца дифракционного полихроматора на диагностических стендах и в экспериментах на токамаке Глобус-М. 5. Результаты исследований пространственно временных характеристик и предельной чувствительности диагностики томсоновского рассеяния методом ЛИДАР в демонстрационных экспериментах по релеевскому рассеянию на газе. 6. Расчетное и экспериментальное обоснование методов защиты оптических поверхностей от плазменного напыления в присутствии направленного потока стороннего газа в вакууме. 7. Результаты выполненных экспериментов по плазменной чистке пленок, напыленных на поверхности зеркал на стендах с низкотемпературной плазмой и в разрядах токамаков Т-10 и Глобус-М. Структура диссертации; Сложная радиационная обстановка и чрезвычайно ограниченный доступ к плазме в диверторной камере ИТЭР создает немало проблем при реализации диагностики в условиях, не имеющих аналогов на действующих установках токамак. Практическая реализация диагностического комплекса, а также сопутствующие проблемы и пути их преодоления подробно рассмотрены в диссертации. Приведены разработки оригинальной диагностической аппаратуры, обсуждаются результаты макетирования и экспериментальных исследований основных подсистем диагностического комплекса. Диссертация состоит из введения пяти глав и заключения.Во введении обосновывается актуальность исследования и приводится краткое содержание работы. В главе 1 дан краткий обзор основных режимов работы дивертора исходя из главного предназначения диверторной конфигурации уменьшить эффекты и последствия взаимодействия плазмы со стенкой. Основное внимание уделяется специфике диверторной конфигурации в условиях токамака-реактора ИТЭР, Обсуждаются физические основы диагностики томсоновского рассеяния и потребность в ней для сбора данных о пространственном распределении электронной темнературы и концентрации для анализа физических процессов, и, в конечном итоге, для разработки надежных моделей и кодов управления режимами, В главе 2 выбрана классической структура системой диагностического томсоновского комплекса, представленного рассеяния для наружной «ноги» дивертора, а также системой ЛИДАР высокого разрешения с зондированием плазмы из диверторного порта по большому радиусу на периферии шнура в районе Х-точки, Обсуждаются также перспективы применения диагностики томосоновского рассеяния по схеме ЛИДАР в качестве возможного претендента для измерений во внутренней «ноге» дивертора. Выполнен нейтронно-физический анализ нижнего порта с диагностическими системами томсоновского рассеяния для дивертора токамака ИТЭР, Показана необходимость установки дополнительной заш;иты в диверторном порту, в условиях, когда основной поток нейтронов обусловлен диагностическими каналами доступа к плазме. Разработан вариант дополнительной защиты, обеспечиваюш;ий приемлемое среднее значение плотности полного потока нейтронов на внутренней поверхности криостата, В главе 3 представлены результаты разработок аппаратуры диагностического комплекса. Рассмотрены варианты размеш,ения зеркальных систем в диверторном порту для оснащения диагностики томсоновского рассеяния в наружной «ноге» дивертора и диагностики ЛИДАР в районе Хточки, приведены результаты расчета аберрационных искажений изображения лазерного луча в плоскость детектора для каждой из систем. Выполнен анализ требований к лазерам двух диагностических систем и обсуждаются пути их реализации. Выполнен сравнительный анализ детекторов для диагностики ЛИДАР и проведены стендовые испытания шумовых характеристик усилителя света на микроканальной пластине. Выбор параметров лазерной и детекторной аппаратуры продиктован требованиями к предельной чувствительности диагностики с учетом собственного свечения плазмы и свечения перегретых диверторных пластин. В
|