Способ измерения радиального распределения энергетических спектров нейтралов перезарядки в установках с магнитным удержанием плазмы и устройство для его реализации
Владельцы патента RU 2265807:
Московский инженерно-физический институт (Государственный университет) (RU)
Изобретение относится к области плазменных исследований. В способе формирование потоков анализируемых частиц, покидающих различные области плазмы, осуществляют путем последовательного сканирования всей области плазмы. Для этого частицы пропускают через щели диафрагм, одну из диафрагм при этом вращают так, чтобы область перекрытия щелей двигалась относительно плазмы, затем фиксируют моменты времени измерения спектров нейтралов перезарядки, соответствующие различным положениям щелей, и проводят сопоставление времени регистрации каждого спектра с анализируемой областью плазмы. В устройство дополнительно введены две диафрагмы, расположенные на пути анализируемых частиц непосредственно друг против друга для формирования пучка частиц, при этом одна из них установлена с возможностью вращения для формирования потоков нейтралов перезарядки. Технический результат - повышение точности измерений. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к области плазменных исследований и корпускулярной диагностики, связанной с анализом нейтральных частиц, покидающих плазму термоядерных установок, и предназначено для измерения радиального по сечению плазмы распределения энергетических спектров нейтралов перезарядки с целью определения распределения ионной температуры плазмы по радиусу установки, а также углового распределения нейтралов перезарядки.
Известен способ измерения радиального по сечению плазмы распределения профиля энергетических спектров нейтралов перезарядки [1], включающий одновременное формирование потоков анализируемых частиц, летящих из различных областей плазмы, для этого устанавливается ряд приборов, линии наблюдения каждого из которых направлены в соответствующие области плазменного шнура. Каждый прибор состоит из блока обдирки на газовой мишени, представляющего собой камеру, заполненную рабочим газом, к блоку обдирки присоединяется система подачи рабочего газа и вакуумный насос, за блоком обдирки на пути частиц располагается магнит, пространственно разделяющий ионизированную компоненту по импульсам, затем располагается система высоковольтных электродов для энергетического анализа и ряд детекторов ионов [1].
При этом приборы измеряют спектр нейтралов перезарядки из фиксированных областей плазмы. Сформированные потоки нейтральных атомов подвергаются обдирке на газовой или фольговой мишени, образовавшиеся ионы пространственно разделяются по энергиям и массам в магнитном и электрическом полях, после чего происходит их детектирование.
Наиболее близким к предложенному устройству, принятым в качестве прототипа, является энергоанализатор CNPA [2]. Он состоит из блока обдирки нейтралов, внутри которого установлена тонкая углеродная фольга, секторного постоянного магнита, создающего магнитное поле на выходе из блока обдирки, датчика Холла для контроля величины магнитного поля в зазоре магнита, электрического дефлектора для возможности массового анализа нейтралов перезарядки и ряда детекторов ионов. Способ для измерения профиля энергетических распределений нейтралов перезарядки включает одновременное формирование потоков анализируемых частиц, летящих из различных областей плазмы, для этого устанавливается ряд приборов CNPA, линии наблюдения каждого из которых направлены в соответствующие области плазменного шнура. Каждый прибор измеряет спектр нейтралов перезарядки из фиксированной области плазмы. Сформированные потоки нейтральных атомов подвергаются обдирке на газовой или фольговой мишени, образовавшиеся ионы пространственно разделяются по энергиям и массам в магнитном и электрическом полях, после чего происходит их детектирование.
Поток нейтралов, эмитируемых из плазмы, попадает в блок обдирки, основным элементом которого является углеродная (алмазоподобная) фольга. При прохождении через нее часть нейтралов превращается в положительно заряженные ионы. Их энергетическое распределение при известной зависимости зарядовой фракции от энергии может быть однозначно соотнесено спектру нейтралов перезарядки. Для его измерения в анализаторе CNPA используется поле постоянного магнита, позволяющее пространственно разделять ионы различных энергий. Для регистрации энергетических спектров ионов разных масс дополнительно используется поле электрического дефлектора.
Недостатком устройств, описанных выше, является то, что они позволяют анализировать частицы, пришедшие только из одной области плазмы, поэтому для выполнения задачи измерения профиля по сечению плазмы энергетических распределений нейтралов перезарядки приходится использовать нескольких приборов, направленных в разные области плазмы, а это существенно усложняет проведение диагностики. При этом требуемого разрешения по радиусу плазмы достичь не удается. К недостаткам известного способа также можно отнести зависимость пространственного разрешения от числа используемых для анализа приборов, что делает реализацию способа конструктивно сложной, а также дорогостоящей. Кроме того, известный способ не позволяет измерить угловое распределение нейтралов перезарядки, попадающих в точку на первой стенке термоядерной установки.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении возможностей анализа потоков нейтралов перезарядки, а также увеличении точности измерений и уменьшении стоимости диагностической аппаратуры для определения ионной температуры плазмы и ее распределения по радиусу термоядерных установок.
Это достигается тем, что в известном способе измерения радиального распределения профиля энергетических спектров нейтралов перезарядки в установках с магнитным удержанием плазмы по п.1 формулы изобретения, включающем формирование потоков анализируемых частиц, покидающих фиксированные области плазмы с последующей их частичной ионизацией, разделение образовавшихся ионов по энергиям и массам полей и их детектирование, разделение ионов по энергиям и массам осуществляют в продольном магнитном поле установки, а формирование потоков анализируемых частиц, покидающих различные области плазмы, осуществляют путем последовательного сканирования всей области плазмы. Для этого частицы пропускают через щели диафрагм, одну из диафрагм при этом вращают так, чтобы область перекрытия щелей двигалась относительно плазмы, затем фиксируют моменты времени измерения спектров нейтралов перезарядки, соответствующие различным положениям щелей, и проводят сопоставление времени регистрации каждого спектра с анализируемой областью плазмы, это позволяет получить радиальное распределение энергетических спектров нейтралов перезарядки в установках с магнитным удержанием плазмы.
При этом согласно п.2 формулы изобретения, измеряя суммарные значения зарегистрированных детекторами токов в фиксированные моменты времени и при сопоставлении их с расчетными значениями углов эмиссии нейтралов из плазмы, дополнительно определяют угловое распределение нейтралов перезарядки, попадающих с разной энергией в место расположения блока обдирки.
Для реализации этого способа согласно п.3 формулы изобретения предложено устройство п.3, включающее блок обдирки нейтралов на углеродной фольге, электростатический дефлектор, датчик Холла для контроля величины анализирующего магнитного поля и систему последовательно расположенных детекторов ионов, в которое дополнительно введены две диафрагмы, расположенные на пути анализируемых частиц непосредственно друг против друга для формирования пучка частиц, при этом одна из них установлена с возможностью вращения для формирования потоков нейтралов перезарядки.
С целью осуществления сканирования одна из диафрагм устройства установлена с возможностью вращения и имеет щель, форма которой определяется зависимостями п 3:
то есть представляет собой дугу с радиусом, сравнимым по величине с половиной радиуса диафрагм, другая - неподвижна и имеет щель прямоугольной формы, выполненную в соответствии с зависимостями:
где R - радиус диафрагмы, a d1, d2 - ширина щелей, начало координат выбрано в центре диафрагм. На фиг.1. приведены четыре различных варианта возможного взаимного расположения входных диафрагм. Частицы способны проникать в область обдирки лишь через области перекрытия щелей, отмеченные на рисунке штриховкой. При вращении область пересечения перемещается вдоль прямоугольной щели передней диафрагмы, пропуская нейтралы под различными углами.
Значения d1 и d2 в формулах (1) и (2) определяют исходя из требуемой точности измерения радиального по сечению плазмы распределения профиля энергетических спектров нейтралов перезарядки. Чем меньше значения d1 и d2, тем выше пространственное разрешение прибора, однако при этом сигнал тока регистрируемых ионов убывает. Ширина щелей d1 и d2 выбирается исходя из известных значений плотности потока нейтралов перезарядки в области регистрации и минимального значения величины потока частиц, который способен зарегистрировать детектор - I2, при этом
d1*d2˜I2/I1
Щель подвижной диафрагмы, выполненная в соответствии с формулой (1), представляет собой дугу менее 180 град. Поэтому дважды за период вращения диафрагмы щели располагаются друг относительно друга таким образом, что не перекрываются, и следовательно, регистрируемый сигнал тока равен нулю. Это позволяет иметь временные метки на спектрах и, следовательно, знать угол падения нейтралов на фольгу в каждый момент времени, а по нему и исследуемую область плазменного шнура. Это дает возможность при восстановлении профиля энергетических распределений нейтралов перезарядки проводить сопоставление времени регистрации каждого спектра с анализируемой областью плазмы по п.1. Таким образом, измерение радиального по сечению плазмы распределения профиля энергетических спектров нейтралов перезарядки заключается в непрерывном снятии спектров, соответствующих различным областям плазменного шнура, и дальнейшем сопоставлении измерений с областями плазмы, к которым они относятся, для этого используется зависимость координаты области перекрытия щелей диафрагм относительно их центра от времени t, полученная из уравнений (1) и (2):
- где Y - координата области перекрытия щелей относительно центра диафрагм, ω - угловая скорость вращения диафрагмы. Значение координаты Y однозначно соответствует расстоянию от оси плазменного шнура до линии наблюдения.
Кроме того, так как каждое взаимное расположение формирующих диафрагм однозначно соответствует углу эмиссии нейтралов перезарядки из плазмы, то способ позволяет измерить угловое распределение нейтралов перезарядки. Для этого согласно п.2. дополнительно измеряют количество анализируемых частиц в заданные моменты времени, одновременно при этом определяя углы падения нейтралов в область ионизации, и по сопоставлению этих параметров судят об угловом распределении нейтралов перезарядки.
Для обеспечения более длительной эксплуатации блока обдирки нейтралов перезарядки может использоваться магниточувствительный затвор п.4, представляющий собой экран, по контуру которого во время измерений пропускается электрический ток. При этом силы, действующие на контур с током, поднимают затвор, пропуская частицы в анализирующую систему только на время необходимых измерений. При проведении тренировочных разрядов на установках с магнитным удержанием плазмы затвор защищает фольгу блока обдирки от возможного запыления.
Поскольку поле тороидальных установок с магнитным удержанием плазмы имеет, помимо продольной компоненты, еще и составляющую, обусловленную током плазмы (токамаки) или винтовыми обмотками (стеллараторы), то для большей точности измерений спектров нейтралов перезарядки ее целесообразно определять. Эта составляющая может быть легко оценена теоретически без каких-либо измерений, а может быть измерена с помощью второго датчика Холла по п.5.
Схема устройства для реализации предложенного способа приведена на фиг.2. Устройство состоит из диафрагмы 1 с возможностью вращения и неподвижной диафрагмы 2, расположенных на пути анализируемых частиц непосредственно друг против друга для формирования пучка частиц и осуществления сканирования плазмы, блока обдирки нейтралов на углеродной фольге 3, электростатического дефлектора, представляющего собой электрический конденсатор 4, датчиков Холла для контроля величины анализирующего магнитного поля 5 - для продольной составляющей и 6 - для измерения поперечной составляющей поля, системы последовательно расположенных детекторов ионов 7 и магниточувствительного затвора 8. С целью осуществления вращения диафрагмы используют двигатель постоянного тока 9.
При проведении измерений все элементы устройства размещаются в корпусе 10, который вставляется в диагностический патрубок установки.
Изобретение работает следующим образом. Устройство помещают в установку между катушками, создающими продольное магнитное поле, поток нейтралов, эмитируемых из фиксированной области плазмы, пропускают через диафрагмы 1 и 2 в блок обдирки 3, основным элементом которого является тонкая углеродная фольга (50-100 А). При прохождении через нее часть нейтралов превращается в положительно заряженные ионы. Доля ионизированной компоненты при этом определяется по известным зависимостям зарядовой фракции от энергии частиц [3]. При этом их энергетическое распределение однозначно соответствует спектру нейтралов перезарядки. Для его измерения в работе устройства используется продольное магнитное поле установки и поле электростатического дефлектора 4. Они позволяют пространственно разделять ионы различных энергий, после чего ионы регистрируют с помощью детекторов 7. При этом каждый детектор регистрирует частицы определенной энергии. При измерении радиального по сечению плазмы распределения профиля энергетических спектров нейтралов перезарядки необходимо регистрировать спектры нейтралов перезарядки из разных областей плазмы, для этого используются диафрагмы 1 и 2, через щели которых пропускаются частицы. Одну из диафрагм - диафрагму 1 при этом вращают при помощи двигателя постоянного тока 9, диафрагму 2 при этом оставляют неподвижной. При вращении диафрагмы 1 область перекрытия щелей диафрагм 1 и 2 двигается относительно плазмы. Таким образом осуществляется сканирование плазмы с помощью одного прибора. Для предотвращения запыления фольги во время тренировочных разрядов установки используется магниточувствительный затвор 8, представляющий собой диэлектрический прямоугольный экран, периметр которого выполнен из токопроводящего материала. При пропускании по его контуру тока сила, действующая со стороны магнитного поля на контур, обеспечивает подъем затвора только на время эксперимента. Величину анализирующего магнитного поля определяют с помощью датчика Холла 5. Для увеличения точности интерпретации полученных результатов включают второй датчик Холла 6, позволяющий определить составляющую магнитного поля, обусловленную протеканием тока по плазме (или поперечную составляющую в стеллараторах).
Произведено численное моделирование задачи регистрации радиального по сечению плазмы распределения энергетических спектров нейтралов перезарядки. Для расчетов были взяты следующие геометрические параметры устройства (см. формулы (1)-(2)):
R=50 мм
d1=d2=1 мм
ω=1 кГц (такая частота вращения диафрагмы позволяет получать до 1000 зависимостей радиального по сечению плазмы распределения энергетических спектров нейтралов перезарядки!), толщина фольги для расчетов была выбрана 50 А.
По известным спектрам токамака Tore Supra [4] построены расчетные спектры для предлагаемого изобретения. Один из таких известных спектров приведен на фиг.3 (кривая 1) ниже приведен расчетный спектр предлагаемого изобретения (кривая 2). Он соответствует центральной области плазменного шнура. Высокоэнергетичная часть спектра ионов, попадающих в каналы, позволяет определить температуру ионов в соответствующей фиксированной области плазмы.
Обработка большого числа спектров, соответствующих различным областям плазмы, и их распределение по радиусу установки Токамак Tore Supra позволили путем сопоставления расчетного времени их регистрации с областями плазмы построить ожидаемый профиль ионной температуры плазмы фиг.4. Из рисунка видно, что расчетные значения разрешающей способности прибора в радиальном направлении составляет 0,03-0,06, таким образом, разрешающая способность прибора на порядок превосходит достигнутую в аналогах, при этом устройство покрывает требуемый для диагностики плазмы в данной установке энергетический диапазон 500-20000 эВ. Расчет диапазона углов относительно нормали к фольге для установки Tore Supra дает (-20.5) - (+40.1)°, следовательно, изобретение позволяет измерить угловое распределение нейтралов перезарядки в этом угловом диапазоне. Это соответствует области наблюдения (-35) ÷(+40) см относительно центра плазменного шнура. Таким образом, плазменный шнур установки оказывается практически полностью видимым, что позволяет производить измерение профиля температуры по сечению плазмы. Следует также отметить, что устройство с параметрами, указанными выше, является весьма компактным.
Таким образом, предложенное изобретение позволяет измерять профиль энергетических распределений нейтралов перезарядки с более высоким пространственным разрешением по сравнению с прототипом, кроме того, его использование дает возможность измерять угловое распределение нейтральных частиц, покидающих плазму установки с магнитным удержанием. При этом изобретение отличается простотой конструкции и существенно меньшей по сравнению с аналогами стоимостью, так как не требует для своей реализации отдельной вакуумной камеры и магнита.
Источники информации
1. Thomas James Dolan, Fusion Research, p. 242-244.
2. Chernishev F.V., Afanasyev V.I., Detch A.V., Kick M., Kislyakov A.I., Kozlovski S.S., Kreter A., Mironov M.I., Petrov M.P., Petrov S.Ya. Compact Neutral Particle Analyzer for Plasma Diagnostics. 30th EPS Conference on Contr. Fusion and Plasma Phys., St. Petersburg, 7-11 July 2003. ECA. Vol. 27A, P-4.71.
3. Курнаев В.А., Машкова Е.С., Молчанов В.А. //Отражение легких ионов от поверхности твердого тела. // M., Энергоатомиздат, 1985, 192с.
4. Романников А. и др. // Физика плазмы, 2002 г., 28, №2, с. 110.
1. Способ измерения радиального распределения энергетических спектров нейтралов перезарядки в установках с магнитным удержанием плазмы, включающий формирование потоков анализируемых частиц, покидающих фиксированные области плазмы с последующей их частичной ионизацией, разделение образовавшихся ионов по энергиям и массам и их детектирование, отличающийся тем, что разделение образовавшихся ионов по энергиям и массам проводят в продольном магнитном поле установки, а формирование потоков анализируемых частиц, покидающих фиксированные области плазмы, осуществляют путем последовательного сканирования всей области плазмы, пропуская частицы через щели диафрагм, одну из диафрагм при этом вращают так, чтобы область перекрытия щелей двигалась относительно плазмы, затем фиксируют моменты времени измерения спектров нейтралов перезарядки, после чего проводят сопоставление времени регистрации каждого спектра с анализируемой областью плазмы, по которому судят о радиальном распределении энергетических спектров нейтралов перезарядки.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно измеряют количество анализируемых частиц в заданные моменты времени, одновременно при этом определяя углы падения нейтралов в область ионизации, и по сопоставлению этих параметров судят об угловом распределении нейтралов перезарядки.
3. Устройство для реализации способа по пп.1 и 2, включающее блок обдирки нейтралов на углеродной фольге, электростатический дефлектор, датчик Холла для контроля величины анализирующего магнитного поля и систему последовательно расположенных детекторов ионов, отличающееся тем, что в него дополнительно введены две диафрагмы, расположенные на пути прохождения анализируемых частиц непосредственно против друг друга для формирования пучка частиц, при этом одна из них установлена с возможностью вращения и имеет щель, форма которой определена зависимостями
а другая - неподвижна и имеет щель, форма которой определена зависимостями
где R - радиус диафрагмы;
d1, d2 - значения ширины щелей;
х, у - координаты относительно центра диафрагм.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что на пути прохождения частиц перед блоком обдирки нейтралов размещен магниточувствительный затвор, представляющий собой диэлектрический прямоугольный экран, периметр которого выполнен из токопроводящего материала.
5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что дополнительно введен второй датчик Холла, ориентированный перпендикулярно первому.
