Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы



Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы
Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы
Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы
Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы
Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы
Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы
Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы

 


Владельцы патента RU 2569379:

Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (RU)
Федеральное государственное бюджетное учреждение Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт" (RU)

Изобретение относится способу измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы и характеризуется тем, что измеряют энергетическое распределение атомов перезарядки, поступающих из плазмы, калиброванным многоканальным анализатором, каждый канал которого регистрирует атомы определенной энергии. Каждому зарегистрированному атому соответствует электрический импульс на выходе анализатора, и одновременно регистрируют фотоны спектрально-селективным прибором (ССП), имеющим с анализатором общий входной коллиматор. При этом регистрируют атомы с энергией Еi i-м каналом анализатора и регистрируют фотоны с длиной волны λ0-Δλ i-м каналом ССП, где λ0 - длина волны водородной линии, излучающейся покоящимся атомом, a Δλ - смещение длины волны, обусловленное эффектом Доплера для энергии Еi. Возникшие электрические импульсы с выхода детектора совпадений подают на счетчик импульсов и по соотношению количества импульсов, зарегистрированных в различных каналах анализатора, определяют энергетическое распределение атомов перезарядки и соответственно ионную температуру Тion в данном ЛОИ. Далее получают значения Tion(j) для j локальных областей измерения и зависимость Tion(L), где L - координата вдоль линии наблюдения, т.е. пространственное распределение ионной температуры. Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности измерений без использования зондирующих атомных пучков, а также в повышении достоверности и точности измерений. 3 ил.

 

Изобретение относится к области экспериментальной физики плазмы. Например, предлагаемый способ может быть применен в программе управляемого термоядерного синтеза на базе установок с магнитным удержанием плазмы, в частности токамаков. В этих экспериментах температура рабочего газа (изотопов водорода) является важнейшим параметром, поскольку именно она определяет интенсивность реакций синтеза. Ионная температура в токамаке значительно отличается в различных зонах плазмы, поэтому для работы термоядерного реактора необходимы достаточно подробные измерения пространственного распределения этой величины.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ

Функция распределения частиц по энергии, энергетическое распределение частиц - d n ( E ) d E , где n - концентрация частиц, E - энергия.

Полный объем измерений, ПОИ - объем плазмы, частицы из которого, двигающиеся по прямолинейным траекториям, могут при определенном направлении вектора скорости быть зарегистрированы; для коллиматора, образованного двумя прямоугольными отверстиями - это пирамида (пирамида наблюдения), усеченная ближней к коллиматору и удаленной от него поверхностями плазмы.

Линия наблюдения - прямая, проходящая через центры отверстий коллиматора.

Калибровка - процесс измерения характеристик (эффективности регистрации, диапазона измеряемых параметров частиц, аппаратной функции, динамического диапазона и т.д.) прибора.

Спектрально-селективный прибор, ССП - прибор, позволяющий выделить и зарегистрировать фотоны одной (одноканальный ССП, монохроматор) или нескольких (напр. спектрометр, спектрограф, полихроматор) областей спектра.

Локальный объем измерений, ЛОИ - часть полного объема наблюдения, заключенного между двумя сферическими поверхностями, центры которых расположены на оси наблюдения посередине между диафрагмами коллиматора; радиусы поверхностей определяются параметрами схемы регистрации электрических импульсов.

Сопряженные каналы анализатора и ССП - каналы, имеющие одинаковые номера i и приведенные в соответствие между собой согласно следующему правилу: i-м каналом анализатора регистрируют атомы с энергией Ei, а i-м каналом спектрометра - фотоны с длиной волны λ0-Δλi, где λ0 - длина волны водородной линии, излучающейся покоящимся атомом, а Δλi - смещение длины волны, обусловленное эффектом Доплера для энергии Ei.

Известен способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы [В.В. Афросимов, М.П. Петров, В.А. Садовников. Измерение локальных значений ионной температуры в токамаке с использованием перезарядки ионов плазмы на струе водородных атомов. Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, с. 510], заключающийся в том, что измеряют энергетическое распределение атомов перезарядки термализованных ионов плазмы на атомах водорода; поскольку передача энергии в этом процессе, как правило, пренебрежимо мала по сравнению с энергией регистрируемых атомов, можно считать, что температура атомов перезарядки, рождающихся в некотором объеме плазмы, равна ионной температуре в том же объеме;

энергетическое распределение измеряют калиброванным многоканальным анализатором, каждый канал которого регистрирует атомы определенной энергии;

при этом каждому зарегистрированному атому соответствует электрический импульс на выходе соответствующего канала;

по соотношению числа импульсов на выходе различных каналов, используя характеристики, полученные при калибровке анализатора, и некоторые данные других диагностик, определяют энергетическое распределение атомов перезарядки и соответственно пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы;

для получения локальных измерений используют пучок водородных атомов, пересекающий объем наблюдения анализатора. До и после инжекции измеряется «пассивный» сигнал, а во время инжекции - «суммарный» («пассивный» + «активный»); вычитая из «суммарного» энергетического спектра «пассивный» можно определить распределение по энергиям только тех атомов, которые образуются при перезарядке термализованных ионов плазмы на атомах пучка, и получить энергетическое распределение атомов (а следовательно, и ионов плазмы) именно для объема пересечения пучка с полным объемом наблюдения анализатора;

усредняя «активное» энергетическое распределение, определяют температуру атомов перезарядки, а следовательно, и ионов плазмы в объеме пересечения пучка и линии наблюдения анализатора;

одновременно спектрально-селективным прибором (ССП) измеряют яркость одной из линий бальмеровской серии; результаты этих измерений используются только для того, чтобы измерить параметры инжектируемого пучка.

Этот способ выбран в качестве прототипа предлагаемого решения.

Описанный способ обладает следующими недостатками.

Первый недостаток связан с необходимостью применения сложных, дорогостоящих и, как правило, недостаточно надежных инжекторов атомов.

Второй недостаток заключается в том, что инжекция пучка атомов приводит к возмущению плазмы, поэтому измеренная ионная температура может существенно отличаться от существующей в отсутствие инжекции.

Третий недостаток состоит в том, что пространственное разрешение измерений определяется размерами пучка, уменьшать которые можно только до определенного предела из-за технических ограничений; таким образом, отсутствуют действия, позволяющие улучшить детализацию измеряемого пространственного распределения ионной температуры.

Четвертый недостаток - для каждой пространственной зоны измерений необходим отдельный анализатор; отсюда следует, что на больших установках предреакторного поколения и на реакторе нужно иметь несколько десятков анализаторов, что практически неосуществимо.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении возможности измерений без использования зондирующих атомных пучков, а также в повышении достоверности и точности измерений.

Для этого предложен способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы, заключающийся в том, что измеряют энергетическое распределение атомов перезарядки, поступающих из плазмы, калиброванным многоканальным анализатором, каждый канал которого регистрирует атомы определенной энергии, при этом каждому зарегистрированному атому соответствует электрический импульс на выходе анализатора, и одновременно регистрируют фотоны спектрально-селективным прибором (ССП), имеющим с анализатором общий входной коллиматор, при этом в качестве ССП используют многоканальный ССП, каждый канал которого регистрирует фотоны определенной длины волны, и каждому зарегистрированному фотону соответствует электрический импульс на выходе соответствующего канала, при этом число каналов спектрометра равно числу каналов анализатора, при этом регистрируют атомы с энергией Ei i-м каналом анализатора, и регистрируют фотоны с длиной волны λ0-Δλi i-м каналом ССП, где λ0 - длина волны водородной линии, излучающейся покоящимся атомом, а Δλi - смещение длины волны, обусловленное эффектом Доплера для энергии Ei, электрические импульсы с i-го выхода анализатора подают на один из входов детектора совпадений, а импульсы с i-го выхода ССП подают на другой вход детектора совпадений через блок задержки, при этом время задержки устанавливают согласно формуле:

где Δτ - время задержки;

Lion - полная длина пути атома/иона от локального объема измерений до поверхности детектора;

νi - скорость атома/иона;

Lfot - полная длина пути фотона от локального объема измерений до поверхности детектора;

c - скорость света;

i - номер канала анализатора и ССП;

электрические импульсы с выхода детектора совпадений подают на счетчик импульсов, по соотношению количества импульсов, зарегистрированных в различных каналах анализатора, определяют энергетическое распределение атомов перезарядки и соответственно температуру (Tion) в данном ЛОИ, и, устанавливая между каждыми двумя i-ми сопряженными каналами анализатора и ССП параллельно j электрических цепей, включающих блок задержки, детектор совпадений и счетчик импульсов, с разными временами задержки, получают значения Tion(j) в j локальных областях измерения и зависимость Tion(L), где L - координата вдоль линии наблюдения, т.е. пространственное распределение ионной температуры.

Способ основан на регистрации атомов и фотонов, рождающихся в одном и том же акте одной из ветвей реакции перезарядки термализованного иона плазмы на атоме водорода. Такой процесс протекает с образованием возбужденного атома, который за короткое время релаксирует с испусканием фотона линейчатого излучения. Вот как выглядит формула процесса для водорода:

здесь H т е р м + - термализованный ион плазмы; H т е р м 0 - атом остаточного водорода, всегда присутствующего в плазме за счет проникновения со стенки, электрон-ионной рекомбинации и т.д.; H о с т + - вторичный ион, образовавшийся в процессе перезарядки из остаточного атома; H т е р м 0 * - возбужденный атом, образовавшийся из термализованного иона; γ - фотон линейчатого излучения.

Поскольку передача энергии в этом процессе не превышает нескольких эВ, то при ионной температуре плазмы более 100-200 эВ ошибку, связанную с изменением энергии при перезарядке, можно не учитывать, т.е. полагать, что энергия возбужденного и нейтрального атомов равна энергии исходного иона плазмы. Длина волны фотона, излучаемого при релаксации возбужденного атома, будет составлять сумму длины волны линии, излучаемой покоящимся атомом, и добавки, обусловленной доплеровским смещением, определяемым скоростью движения атома перезарядки.

На фиг. 1 показан один из возможных вариантов устройства для реализации предлагаемого способа.

На фиг. 2 показана блок-схема регистрации электрических импульсов (РЭИ).

На фиг. 3 показана блок-схема регистрации электрических импульсов для измерений в М локальных объемах измерения (ЛОИ1…ЛОИМ), что достигается использованием нескольких РЭИ.

Позициями обозначены:

1 - плазма;

2 - входной коллиматор;

3 - вакуумный шибер;

4 - камера ионизации, заполненная газом;

5 - анализирующий магнит;

6 - зеркало;

7 - оптический ввод;

8 - спектрально-селективный прибор ССП;

9 - траектории ионов, образовавшихся после ионизации атомов;

10 - электрические выходы ССП;

11 - электрические выходы анализатора;

12 - анализатор атомов;

13 - БЗi - регулируемая схема задержки;

14 - ДСi - детектор совпадающих импульсов;

15 - СЧi - счетчик импульсов.

16 - РЭИ - схема регистрации электрических импульсов, включающая регулируемую схему задержки, детектор совпадающих импульсов и счетчик импульсов;

ВСi - выход i-го канала ССП;

ВАi - выход i-го канала анализатора;

РЭИij - схема регистрации электрических импульсов, включенная между выходами i-х каналов анализатора и ССП и предназначенная для измерений в локальном объеме ЛОИj, где j - от 1 до М.

Основными компонентами устройства являются энергетический анализатор атомов 12 и спектрально-селективный прибор (ССП) 8. Ближняя к устройству граница объема, занятого плазмой, обозначена цифрой 1.

На входе анализатора атомов устанавливается коллиматор 2. Для анализатора и для ССП используется общий коллиматор, представляющий собой две тонкие пластины с отверстиями прямоугольной формы; плоскости пластин перпендикулярны линии, проходящей через центры отверстий. Параметры коллиматора определяют полный объем измерений как для анализатора, так и ССП. За коллиматором располагаются вакуумный шибер 3 и камера ионизации 4, заполненная водородом, в которой часть атомов, поступающих из плазмы, превращается в ионы. Анализирующий магнит 5, напряженность магнитного поля которого направлена перпендикулярно плоскости рисунка, отклоняет ионы, образовавшиеся в камере ионизации, на разные углы, величина которых зависит от энергии ионов. Электрические импульсы, формирующиеся при регистрации ионов разной энергии в различных каналах анализатора, подаются на электрические выходы анализатора 11. За анализирующим магнитом 5 располагается металлическое зеркало 6, направляющее световое излучение плазмы через оптический ввод 7 - стеклянное вакуумное окно на вход ССП 8. В приведенной иллюстративной схеме ССП, как и анализатор, является пятиканальным, в каждом канале регистрируются фотоны разных длин волн. На практике число каналов может достигать нескольких десятков.

И анализатор, и ССП работают в режиме счета импульсов, это означает, что каждой зарегистрированной частице соответствует отдельный, короткий по сравнению со временем накопления информации, электрический импульс на одном из выходов анализатора и ССП 11 и 10 соответственно.

Перед началом измерений и анализатор, и ССП проходят процедуру калибровки; измеренные характеристики приборов используются при обработке полученных экспериментальных данных.

Каналы приборов, используемых для реализации предлагаемого способа, (сопряженные каналы) устроены таким образом, что i-му каналу анализатора, регистрирующему атомы с энергией Ei, соответствует i-й канал ССП, регистрирующий фотоны с длиной волны λ0-Δλi, где λ0 - длина волны линии, излучающейся покоящимся атомом (например, одной из линий серии Бальмера), а Δλi - смещение длины волны, обусловленное эффектом Доплера для энергии Ei, где i - номер канала от 1 до K.

Без использования дополнительных мер для обеспечения пространственного разрешения измерений как анализатор, так и спектрометр будут регистрировать атомы и фотоны, которые образовались в результате актов перезарядки, происходящих в полном объеме измерений. Однако можно проводить измерения в значительно меньшем объеме (локальном объеме измерений ЛОИ), лежащем внутри полного объема измерений, используя тот факт, что фотон и атом, родившиеся в одном и том же акте перезарядки, движутся с разными скоростями. Время задержки между импульсами, обусловленными регистрацией фотона и атома, родившихся в одном акте, известно для каждой пары сопряженных каналов и составляет:

где Δτ - время задержки; Lion - полная длина пути атома/иона от локального объема измерений до поверхности детектора; vi - скорость атома/иона; Lfot - полная длина пути фотона от локального объема измерений до поверхности детектора; c - скорость света.

Таким образом, можно регистрировать только те пары электрических импульсов, возникающих при регистрации фотонов и атомов в i-х каналах ССП и анализатора, временной сдвиг которыми составляет Δτ; в этом случае существует вероятность того, что и фотон, и атом родились в одном и том же акте перезарядки. Для снижения помехи, связанной с совпадением случайных импульсов, скважность в каналах как анализатора, так и ССП не должна быть менее 8…10. Таким образом, задавая Δτ, можно измерить потоки атомов перезарядки, имеющих различные энергии, из любого локального объема измерения вдоль линии наблюдения.

На фиг. 2 показана блок-схема регистрации электрических импульсов 16 (РЭИ), на которую подаются сигналы с выходов i-х каналов анализатора ВАi и ССП ВСi. Основой схемы является детектор совпадающих импульсов - детектор совпадений 14 ДСi. Импульсы с анализатора поступают в ДСi непосредственно, а с ССП через регулируемый блок задержек 13 БЗi. Блок ДСi выдает импульс на счетчик импульсов 15 СЧi только в том случае, когда импульсы присутствуют одновременно на обоих его входах.

Описанная схема позволяет измерить потоки атомов и фотонов только из одного локального объема измерений. Для одновременного измерения в нескольких локальных объемов достаточно включить между выходами сопряженных каналов анализатора и ССП параллельно М аналогичных схем РЭИ 16 задержки Δτij, каждая из которых настроена для измерений в определенном локальном объеме измерений j (фиг. 3, Блок-схема регистрации в М локальных объемах измерения). На фиг. 3 ВСi - выход i-го канала ССП; ВАi - выход i-го канала анализатора. Блоки задержки в цепях РЭИi1…РЭИiM настроены для измерений в различных локальных объемах плазмы ЛОИj…ЛОИМ вдоль линии наблюдения, т.е. установлены разные времена задержки.

В результате эксперимента получают последовательности количества зарегистрированных в каналах анализатора импульсов N для каждого из локальных объемов измерений j. Обработка данных для получения локальной температуры плазмы Tion(j) проводится с учетом характеристик, полученных в процессе калибровки приборов и некоторых данных других диагностик. Методика алгоритма обработки аналогична таковой, используемой для активной корпускулярной диагностики [В.В. Афросимов, М.П. Петров, В.А. Садовников. Измерение локальных значений ионной температуры в токамаке с использованием перезарядки ионов плазмы на струе водородных атомов. Письма в ЖЭТФ, 1973, т. 18, с. 510.1] и подробно описана в (Ю.В. Готт, В.А. Курнаев, О.Л. Вайнсберг, Корпускулярная диагностика лабораторной и космической плазмы, Учебное пособие, Московский инженерно-физический институт (Государственный университет), 2008, 143 с.). После чего переходят от ряда значений Tion(j) к зависимости Tion(L), где L - координата вдоль линии наблюдения, т.е. к пространственному распределению ионной температуры.

Способ измерения пространственного распределения ионной температуры водородной плазмы, заключающийся в том, что измеряют энергетическое распределение атомов перезарядки, поступающих из плазмы калиброванным многоканальным анализатором, каждый канал которого регистрирует атомы определенной энергии, при этом каждому зарегистрированному атому соответствует электрический импульс на выходе анализатора, и одновременно регистрируют фотоны спектрально-селективным прибором (ССП), имеющим с анализатором общий входной коллиматор, отличающийся тем, что в качестве ССП используют многоканальный ССП, каждый канал которого регистрирует фотоны определенной длины волны и каждому зарегистрированному фотону соответствует электрический импульс на выходе соответствующего канала, при этом число каналов спектрометра равно числу каналов анализатора, при этом регистрируют атомы с энергией Ei i-м каналом анализатора и регистрируют фотоны с длиной волны λ0-Δλ i-м каналом ССП, где λ0 - длина волны водородной линии, излучающейся покоящимся атомом, a Δλ - смещение длины волны, обусловленное эффектом Доплера для энергии Ei, электрические импульсы с i-го выхода анализатора подают на один из входов детектора совпадений, а импульсы с i-го выхода ССП подают на другой вход детектора совпадений через блок задержки, при этом время задержки устанавливают согласно формуле:

где Δτ - время задержки;
Lion - полная длина пути атома/иона от локального объема измерений до поверхности детектора;
νi - скорость атома/иона;
Lfot - полная длина пути фотона от локального объема измерений до поверхности детектора;
с - скорость света;
i - номер канала анализатора и ССП;
электрические импульсы с выхода детектора совпадений подают на счетчик импульсов и по соотношению количества импульсов, зарегистрированных в различных каналах анализатора, определяют энергетическое распределение атомов перезарядки и соответственно температуру Тion в данном ЛОИ, устанавливая между каждыми двумя i-ми сопряженными каналами анализатора и ССП параллельно j электрических цепей, включающих блок задержки, детектор совпадений и счетчик импульсов, с разными временами задержки, получают значения Тion(j) для j локальных областей измерения и зависимость Tion(L), где L - координата вдоль линии наблюдения, т.е. пространственное распределение ионной температуры.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к термоядерному синтезу. Электроизолирующее устройство для крепления модуля бланкета на вакуумном корпусе термоядерного реактора содержит гибкую полую опору с фланцами, болт и закрепительную гильзу.

Изобретение относится к устройству для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора. Заявленное устройство выполнено в виде контейнера (1), по оси которого расположены капсулы (5), содержащие металлические детекторы (7) нейтронного излучения и детекторы (6) наработки трития из тритийвоспроизводящего материала, оба конца которого закрыты пробками (2, 3) из малоактивируемого материала.
Изобретение относится к оптическим системам для фокусировки пучка. Оптическая система содержит корпус (1) с входным отверстием (2) для ввода вдоль оптической оси (3) пучка лазерного излучения (4), который отражается от первого конического зеркала (5), проходит через цилиндрическое окно (6), кольцевое коническое зеркало (7) и, пройдя через кольцевое тороидальное зеркало (8) и главное тороидальное зеркало (9), выводится через выходное отверстие (10), фокусируясь в точке (11).

Заявленная группа изобретений относится к средствам для проведения реакции управляемого ядерного синтеза. Для этого осуществляют инжектирование ускоренных ионов легких элементов в вакуумированный кольцевой канал (1) со стенкой (2), выполненной из материала, способного к электризации, имеющий продольную ось (3) в виде выпуклой гладкой линии.

Изобретение относится к средствам управляемого ядерного синтеза с магнитным удержанием плазмы и может быть использовано в термоядерных реакторах для защиты стенок.

Изобретение относится к способу осуществления управляемого термоядерного синтеза. Способ включает периодическое взрывание термоядерного взрывного устройства внутри реактора в виде прочного корпуса (1), в котором имеется вода (2), превращаемая в пар, используемый для потребных нужд, и отличается тем, что прочный корпус заполняется водой, которая при любом ее агрегатном состоянии остается должное время в пределах внутреннего пространства прочного корпуса, через который производится отбор утилизируемой теплоты, аккумулированной внутри этого корпуса.

Заявленное изобретение относится к способу осуществления ядерных реакций. Заявленный способ характеризуется тем, что каналируемые ядерные частицы, ионы или излучения при каналировании фокусируются в определенном месте канала в кристаллической решетке фазы внедрения, нанотрубках или за их пределами.

Изобретение относится к области энергетики, в частности термоядерным взрывным устройствам. Термоядерное взрывное устройство (2), выполненное из металла, включает размещенную внутри него капсулу (1) из дейтерия или смеси дейтерия и трития и любого иного термоядерного топлива.

Заявленное изобретение относится к области энергетических установок типа токомак и может быть использовано при создании и проектировании магнитных термоядерных установок с активной зоной в виде тора.

Изобретение относится к области управляемого ядерного синтеза и может быть применено в устройствах для контроля нарабатываемого трития в бланкете термоядерного реактора.

Заявленное изобретение относится к способу увеличения эффективности преобразования энергии лазерного термоядерного синтеза. В заявленном способе поглощающий теплоноситель формирует сплошную завесу вокруг источника ионизирующего излучения, что реализуется посредством заявленного устройства. Устройство содержит корпус (1) реакционной камеры, в которую вводятся лазерные пучки (2) через окна (3), слой поглощающего теплоносителя (4), первую стенку (5), фокусируясь на термоядерной мишени (6), доставленной механизмом подачи мишеней (7), закрепленном во входном цилиндрическом канале (8), за которым следуют сферический канал (9) и выходной цилиндрический канал (10). После инициирования термоядерной реакции ионизирующее излучение проходит через первую стенку, поглощаясь в слое теплоносителя, и далее не может покинуть реакционную камеру, распространяясь по траекториям лазерного излучения. Техническим результатом является увеличение эффективности преобразования энергии потока выделенного в ходе термоядерной реакции ионизирующего излучения в тепловую энергию в реакторе с инерциальным удержанием плазмы. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройству для электрического соединения внутрикамерных компонентов с вакуумным корпусом термоядерного реактора. Заявленное устройство содержит установленные в единый пакет токопроводящие пластины. Пластины имеют фланцы для крепления к внутрикамерному компоненту и вакуумному корпусу. Поверхность пластин между фланцами имеет форму симметричной волны по меньшей мере одного полного периода. Техническим результатом является увеличение нагрузочной способности по току и податливости устройства в целом за счет создания в токопроводящих пластинах участков с встречно направленным током, перпендикулярным тороидальной составляющей магнитного поля. 3 ил.
Наверх