Исследование особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака при ионно-циклотронном нагреве и инжекции нейтралов

Красильников, Виталий Анатольевич

Исследование особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака при ионно-циклотронном нагреве и инжекции нейтралов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Красильников, Виталий Анатольевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва, Троицк МЕСТО ЗАЩИТЫ

2013 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.08 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака при ионно-циклотронном нагреве и инжекции нейтралов»

Автореферат диссертации на тему "Исследование особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака при ионно-циклотронном нагреве и инжекции нейтралов"

005051334

На правах рукописи

Красильников Виталий Анатольевич

Исследование особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака при ионно-циклотронном нагреве и инжекции нейтралов

Специальность 01.04.08 - Физика плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

4 АПР 2013

Москва, Троицк - 2013

005051334

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Государственный научный центр Российской Федерации Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований»

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории (ЛПФТ) Кащук Юрий Анатольевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Ковальский Николай Григорьевич, доктор физико-математических наук, ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», главный научный сотрудник

Миронов Максим Игоревич, кандидат физико-математических наук, ФТИ им А.Ф. Иоффе старший научный сотрудник.

Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Защита состоится «26 2013 г. в на заседании

диссертационного совета ДС 201.004.01 при ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» по адресу: 142190, Россия, г. Москва, г. Троицк, ул. Пушковых, вл. 12.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ».

Автореферат разослан « /9 » М Т £\ 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ДС 201.004.01 кандидат физико-математических наук

А. А. Ежов

Общая характеристика работы

Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака JET с применением специально-разработанного цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки.

Актуальность работы. В плазме токамака происходит множество быстропротекающих процессов, которые оказывают влияние на перемешивание частиц в конфигурационном пространстве и пространстве скоростей. Это может приводить к существенному увеличению потерь частиц из плазмы и переносу энергии из центра плазменного шнура на границу. Для анализа характера и степени воздействия на плазму быстропротекающих процессов требуется измерение динамики энергетического распределения участвующих в этих процессах частиц [1]. В этой связи в современных экспериментах на токамаках возникает необходимость исследования эволюции энергетических распределений частиц с высоким временным разрешением.

Спектрометрия атомов перезарядки даёт информацию об энергетическом распределении быстрых ионов плазмы [2]. Эта информация важна для повышения эффективности нагрева ионов высокочастотными волнами и для изучения удержания ионов как в спокойной плазме, так л под влиянием магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, например «пилообразных» или Альфвеновских мод. Цели экспериментов требуют, чтобы используемые методики были способны обеспечивать спектрометрические измерения во временных интервалах ~10 мс, то есть при загрузках свыше 106 импульсов в секунду [3].

их импульса и энергии. Регистрация ионов производится многодетекторной системой, располагаемой в анализаторе сразу после блока с анализирующими магнитным и электрическим полями. Наряду с высокой надёжностью и информативностью (разрешением по массе иона) таких систем, они обладают некоторыми ограничениями в применении. Количество каналов анализатора ограничено количеством детекторов в нём. Не 100%-ная эффективность регистрации, связанная с вероятностным характером процесса обдирки, большие размеры и чувствительность к окружающим полям накладывают ограничения на расположение анализатора, затрудняют его применение для определённых задач. В экспериментах с высокотемпературной плазмой для регистрации энергетических распределений атомов перезарядки в коротких временных интервалах также применяются полупроводниковые (кремниевые, алмазные) спектрометры. До недавнего времени такие детектирующие системы использовали аналоговую обработку сигналов, что приводило к ограничениям по предельной скорости счета не более 105 имп./сек. В современных экспериментах на токамаках требуется измерять спектры атомов перезарядки во временном интервале 10 мс. Это условие трансформируется в требование к спектрометрическому тракту работать при более высокой скорости счёта.

В связи с развитием компьютерных технологий, дальнейшая эволюция полупроводниковых измерительных устройств будет связана с использованием цифровых методов регистрации и обработки сигналов. В настоящее время разработаны быстродействующие устройства регистрации и сбора данных, осуществляющие преобразование аналогового импульса детектора в цифровую форму, с частотой дискретизации ~0.5-И ГГц и разрядностью 10 бит.

Целью диссертационной работы является исследование особенностей функции распределения высокоэнергетичных ионов плазмы токамака при применении методов дополнительного нагрева и при различных параметрах плазмы. Для достижения этой цели потребовалось создать алмазный спектрометр быстрых атомов перезарядки, разработать аппаратную и программную части спектрометра, установить и применить его в условиях реального эксперимента на токамаке JET.

На протяжении периода с 2005 года, когда была начата работа, результаты которой представлены в данной диссертации, по настоящее время в целом устоявшиеся методы диагностики высокотемпературной плазмы претерпевали качественные изменения, причиной которых является развитие вычислительной техники и численных методов обработки данных. Многие диагностики переводятся с аналоговой схемы обработки сигналов на цифровую. Помимо увеличения скорости и точности работы измерительной системы это влечёт за собой такие благоприятные последствия, как возможность многократной пост-обработки данных, применение цифровой фильтрации и автоматизацию управления диагностикой.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработаны и реализованы не имеющие аналогов методы анализа больших экспериментальных массивов данных оцифрованных сигналов быстрых детекторов ионизирующего излучения плазмы токамака (атомарные, п- и у-потоки) для определения эволюций энергетических распределений регистрируемых частиц.

2. Впервые для алмазного спектрометра атомов перезарядки, работающего при высоких загрузках в условиях повышенных электромагнитных наводок, разработан и применён цифровой измерительный тракт. Основными особенностями элементов созданного электронного тракта являются хорошая помехозащищённость и соотношение сигнал/шум.

3. В экспериментах на токамаке JET впервые зарегистрированы потоки атомов перезарядки с использованием алмазного спектрометра с цифровой обработкой сигналов, проанализированы их энергетические распределения, выявлены механизмы, определяющие поведение быстрых ионов плазмы токамака.

Научная и практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты расширяют возможности систем корпускулярных диагностик высокотемпературной плазмы. Спектрометрия потоков атомов перезарядки в коротких временных окнах даёт уникальную информацию о поведении ионов плазмы, их взаимодействии с ионами и электронами, электромагнитными волнами и различными быстроразвивающимися неустопчивостями.

Созданные методики легли в основу разработанного автором проекта диагностики быстродействующей спектрометрии атомов перезарядки для Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Создан спектрометр быстрых атомов перезарядки на базе детектора с природным алмазом с системой цифрового сбора и обработки данных.

2. Разработаны эффективные алгоритмы анализа импульсов в зашумлённых сигналах детекторов ионизирующего излучения плазмы токамака. Созданные алгоритмы позволили увеличить предельную загрузку спектрометров до 106 имп./с и снизить энергетический порог регистрации атомов перезарядки до 70 кэВ.

3. Созданный спектрометр применён для регистрации атомов перезарядки в диапазоне энергий 7СК250 кэВ в экспериментах на токамаке JET с ВЧ-нагревом плазмы и инжекцией нейтралов.

распределения ионов плазмы токамака JET при различных сценариях дополнительного нагрева.

4а. Определена зависимость величины эффективной температуры надтепловой части спектра ионов плазмы от мощности ИЦР-нагрева и параметров плазмы.

46. Определена зависимость времени удержания (термализации) быстрых ионов от плотности плазмы в токамаке JET.

4в. Продемонстрировано влияние развивающихся в плазме неустойчивостей на потери частиц высоких и тепловых энергий. 5. Разработан проект цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки токамака ИТЭР, дополняющий диагностику анализаторов нейтралов.

Структура н объём диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 133 наименований. Основная часть работы изложена на 136 страницах, содержит 39 рисунков и 7 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи исследований, показывается научная новизна и практическая значимость диссертационной работы.

В первой главе, посвященной обзору литературы, представлен анализ быстропротекающих процессов в высокотемпературной плазме токамака, оказывающих влияние на перераспределение частиц в конфигурационном пространстве и пространстве скоростей, а также на перенос энергии из центра плазменного шнура к периферии. Обсуждаются механизмы формирования групп быстрых частиц в плазме и их взаимодействие с различными компонентами плазмы. Проанализировано развитие некоторых неустойчивостей плазмы. Показывается, что для исследования быстропротекающих процессов может применяться и применяется

диагностика плазмы по анализу энергетических спектров атомов перезарядки и что для ряда исследований применяемое временное окно спектрометрии не должно превышать 10 мс.

Во второй главе, «Спектрометр атомов перезрядки на базе алмазного детектора», обсуждается применимость алмаза в качестве чувствительного элемента детектора ионизирующего излучения, описывается разработка автором быстрого спектрометра атомов перезарядки на базе алмазного детектора со специальной электроникой [5]. Проводится сравнение спектрометра с аналоговой обработкой сигналов и спектрометра с цифровой обработкой сигналов по таким параметрам, как энергетическое разрешение, линейность, помехоустойчивость. Для тестирования цифрового спектрометрического тракта с алмазным детектором помимо прочего проводилось измерение спектра альфа частиц от источника 24|Аш. Сравнение полученных цифровым методом спектров с аналогичными измерениями спектрометра с аналоговым трактом приведено на Рис. 1. В результате делается вывод о том, что алмазный детектор применим для спектрометрии быстрых атомов перезарядки в диапазоне энергий выше 30 кэВ, а разработанная специально для данной задачи быстрая малошумящая электроника по ряду свойств не уступает стандартным, коммерчески-доступным образцам.

¡Г

О 6

200-, 180160 140 120-1 100 80 60 40 20-1 0 -20

2000

Цифровая обработка сигнала Аналоговая обработка сигнала

3000

4000

5000 Е, кэВ

6000

7000

Рис. 1 Аппаратные спектры спектрометров с цифровой и аналоговой обработкой сигналов, полученные при регистрации потоков а-частиц с энергией 5.5 МэВ от источника 24'Ат

В третьей главе, «Цифровая обработка сигналов», обсуждаются разработанные автором математические методы и алгоритмы цифровой регистрации событий и получения аппаратурных спектров.

Предложенный автором алгоритм обработки цифровых данных состоит из нескольких основных этапов [5]. Это быстрый поиск импульса, отсеивание ложных обнаружений, определение времени начала фронта импульса и определение амплитуды импульса, после чего полученные значения используются для построения спектров и графиков скорости счёта спектрометра. Помимо точности и эффективности обработка данных должна обладать таким качеством, как скоросчётность. Объём данных одного эксперимента может составлять несколько гигабайт и обработка такого массива данных должна длиться не более нескольких минут. Такое время

между разрядами современных токамаков отводится диагностикам для сбора и обработки своих измерений. По этой причине скорости выполнения быстрого поиска импульса уделено особое внимание.

Созданная специально для алмазного спектрометра электроника и математический аппарат при небольших модификациях были применены автором для создания спектрометров на базе детекторов с различными чувствительными элементами, такими как: уже упомянутый алмаз (в качестве нейтронного спектрометра), теллурид кадмия (рентгеновская спектрометрия), а также сцинтилляторы - стильбен и NE-213 (спектрометрия нейтронов и гамма-квантов). Показывается, что созданные алгоритмы сбора, передачи и обработки данных продемонстрировали свою состоятельность в применении к цифровой спектрометрии ионизирующих излучений в реальных экспериментах на действующих токамаках.

В четвёртой главе, «Моделирование энергетического спектра термоядерных нейтронов по заданным функциям распределения ионов плазмы», представлены принципы, заложенные в созданный автором программный код Y ANC, с помощью которого планируется определять особенности функций распределения быстрых ионов плазмы по результатам спектрометрии термоядерных нейтронов. Создание этого кода потребовалось в связи с разработкой проекта алмазного спектрометра для токамака ИТЭР. В дейтерий-тритиевой фазе эксплуатации ИТЭР ожидается очень большой нейтронный выход, на фоне которого регистрация атомов перезарядки представляется затруднительной. Поэтому в этой фазе алмазный спектрометр будет использоваться в качестве нейтронного спектрометра, а результаты экспериментов будут интерпретироваться с применением кода Y ANC. На примере экспериментальных данных, полученных в реальном эксперименте на токамаке JET, демонстрируется, что разработанный код может применяться для интерпретации спектров, зарегистрированных нейтронными спектрометрами, а также сигналов мониторов нейтронного потока для восстановления особенностей функций распределения быстрых ионов

плазмы токамака на действующих и будущих установках. С помощью кода YANC были получены параметры надтепловой части функции распределения ионов, при которых результаты моделирования наилучшим образом соответствуют восстановленным спектрам разряда JET#42769. Результаты моделирования и экспериментальные данные приведены на Рис. 2 [6].

Энергия [МэВ]

Рис. 2 Нейтронные спектры и их thermal-thermal и high-energy (he)-thermal компоненты для разряда токамака JET #42769 с ИЦР-нагревом. Линии -спектры, полученные восстановлением из данных нейтронного спектрометра MPRu (разбиение на компоненты осуществлено посредством кода APACHE), точки - результаты моделирования кодом YANC для термализованной части и высокоэнергетичной части с би-максвелловской моделью при различных Ты (Ты = 100 кэВ, Ты = 150 кэВ, Ты = 200 кэВ,)

В пятой главе, «Исследование энергетических спектров быстрых ионов при различных сценариях нагрева плазмы токамака JET», описываются результаты применения автором созданной им методики для

спектрометрии атомов перезарядки токамака JET при различных сценариях дополнительного нагрева плазмы [7]. В токамаке JET инжекция нейтральных частиц реализуется двумя инжектирующими комплексами (с максимум восемью лучами инжекции у каждого), а ИЦН - четырьмя антеннами. Геометрия расположения детекторов спектрометра на токамаке JET такова, что конус регистрации алмазного детектора пересекается с некоторыми лучами одного из инжекторов, следовательно, когда эти лучи используются, измеряемый детектором поток атомов в существенной мере формируется при перезарядке быстрых ионов плазмы на инжектированном пучке атомов, как на активной мишени. Когда же по этим лучам инжекция не производится, регистрируются высокоэнергетичные атомы, перезарядившиеся на примесях во всём конусе регистрации детектора, реализуется пассивная спектрометрия. Оба режима экспериментально реализованы. Энергетический порог регистрации, равный приблизительно 100 кэВ и связанный в основном с высокочастотными помехами в цепи спектрометра, обусловил уровень счёта регистрируемых частиц, далёкий от максимального. Тем не менее, все элементы спектрометра были настроены так, чтобы разрешать события, произошедшие с интервалом времени 0.5 мкс, что при достаточном потоке частиц позволило бы вести спектрометрию с временным окном Юме при обеспечении требуемой погрешности измерений. По данным алмазного спектрометра наблюдается развитие пилообразных и ELM-неустойчивостей, переход плазмы из Н- в L-режим, худшее проникновение ВЧ-волн ИЦР-нагрева в Н-режиме, демонстрируется влияние плотности плазмы на время торможения быстрых ионов (см. Рис. 3, Рис. 4 и Рис. 5). Помимо этого продемонстрирован более эффективный нагрев быстрого ионного компонента плазмы при более высокой мощности ИЦР-нагрева (см. Рис. 6 и Рис. 7).

■ Мощность нейтральной инжекции

■ Мощность ионно-циклотронного нагрева

"I-'-1-'-г

79199

тутт"р<......ГГ""РЦ"*

79202

і—-1-»-1-1-г

г11 И41"......і....."чнііпгі

79203

1--1-'-І-1-1-1-1--1-1-1-'-г

Скорость счёта алмазного спектрометра (временное окно 500 мс)_

—г~

—г-

58 60 Время (с)

Рис. З Временные диаграммы мощности дополнительного нагрева (инжекции нейтралов - сплошная линия, ИЦН - пунктир) для разрядов 79199, 79202 и 79203, а также скорость счёта алмазного спектрометра для этих разрядов.

(S 1.5x107-|

! l.OxlO7

• j/yif«' '»»y...........

§5.0x10 -

» S

2x10 -

1x10

& m

О Г)

к rf 4000-

2000-

9000-

u S 6000-

IÈ

I 30000-

- Мошиосп. НИ ■ Мощность ИЦРН

тг

-Г"

II-шци-1

-п

• Электронная темпфатура в центре плазмы

- Сигнал алмазного спектрометра |

-і-1-г

61 62

Время (с)

-1

Рис. 4 Разряд JET 79199. Временные диаграммы мощности дополнительного нагрева, поток Н-альфа излучения, электронная температура в центре плазменного шнура и сигнал алмазного спектрометра.

'О

а В

Энергия, кэВ

Рис 5 Спектры атомов водорода, зарегистрированные во время трёх разрядов с одинаковыми сценариями нагрева. В разряде 79203 плотность плазмы вдвое меньше, чем в двух других разрядах.

—— Мощность ИЦР нагрева

-----------Мощность НИ октанта 8

Мошносп. НИ октанта 4

[79340]

| 793411

1 793431

79340

79341 79343

Время, с.

Рис 6 Временные диаграммы мощности дополнительного нагрева для разрядов 79340, 79341 и 79343, а также скорость счёта алмазного спектрометра для этих разрядов.

Рис. 7 Энергетические распределения атомов дейтерия, зарегистрированные в разрядах 79340, 79341 и 79343 токамака JET.

В шестой главе, «Алмазный спектрометр для токамака ИТЭР в комплексе системы анализаторов нейтральных частиц», представлен разультат развития методики спектрометрии атомов перезарядки с использованием алмазного детектора - проект цифрового алмазного спектрометра для токамака ИТЭР. Спектрометр быстрых атомов перезарядки и нейтронов на базе алмазного детектора (Алмазный Спектрометр, АС) предполагается реализовать на токамаке ИТЭР как часть комплекса анализаторов нейтральных частиц (АНЧ) [8]. Алмазные детекторы будут располагаться внутри трубы АНЧ, не перекрывая конусы регистрации анализаторов. В ряде режимов работы токамака ИТЭР АС будет способен обеспечить измерения потоков и энергетических распределений высокоэнергичных атомов перезарядки с более высокими, по отношению к АНЧ, временным и энергетическим разрешением. В определённых режимах (в которых будут регистрироваться одновременно потоки нескольких типов частиц) алмазному спектрометру потребуется дополнительная информация по данным измерений АНЧ для определения конкретного вида регистрируемой частицы. В связи с этим применение АС на ИТЭР особенно эффективно в комплексе с АНЧ. В дейтерий-тритиевых экспериментах ИТЭР сигналы АС, генерируемые потоками термоядерных ДТ-нейтронов, на порядок превзойдут отсчёты детектора, связанные с регистрацией атомов перезарядки - в этом случае алмазный спектрометр будет использован для исследования ионного компонента плазмы уже в качестве спектрометра нейтронов. Для интерпретации данных планируется применять разработанный автором код УАЫС. Система цифрового сбора и обработки данных вместе со сверхбыстрой специально разработанной первичной электроникой обеспечат АС работоспособность при пиковых загрузках свыше 10б импульсов в секунду. При такой скорости счёта будет обеспечено временное разрешение измерения плотности потока нейтронов на уровне 1 мс и энергетических спектров нейронного излучения на уровне 100 мс. Это соответствует системным требованиям к нейтронной диагностике ИТЭР.

Максимальный допустимый флюенс быстрых нейтронов, при котором алмазный детектор сохраняет свои спектрометрические свойства, составляет 5x10й нейтронов/см2. Такой флюенс в месте расположения алмазного детектора соответствует приблизительно 100 разрядам ИТЭР при максимальной термоядерной мощности (500 МВт). После набора такого флюенса блок детектирования подлежит замене. Особо чистые пластины искусственно выращенного (CVD) алмазного материала, который будет применяться при изготовлении алмазных детекторов для ИТЭР, в данный момент являются коммерчески доступным материалом, что гарантирует возможность создания детекторов для данной диагностики.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

В работе над диссертацией автором создан спектрометр атомов перезарядки на базе алмазного детектора с цифровой обработкой сигналов, не имеющий аналогов на момент написания работы. Для реализации этой задачи разработаны эффективные алгоритмы идентификации, отсеивания (режекции), определения амплитуды импульсов в сильно зашумлённых сигналах детекторов ионизирующего излучения. Это позволило значительно увеличить предельную загрузку алмазного спектрометра атомов перезарядки по сравнению с применяемыми ранее методами, а также опустить нижний энергетический порог идентификации до 70 кэВ.

С применением разработанного алмазного спектрометра и алгоритмов обработки данных автор провёл исследования поведения быстрого ионного компонента высокотемпературной плазмы токамака JET в различных сценариях дополнительного нагрева, определил зависимость эффективной температуры надтепловой части спектра быстрых ионов плазмы от мощности дополнительного нагрева, продемонстрировал зависимость скорости торможения высокоэнергетичных ионов от плотности плазмы.

Для токамака ИТЭР автором диссертации разработана методика цифровой спектрометрии быстрых атомов перезарядки, расширяющая

возможности анализаторов потоков атомов перезарядки NPA. В определённых режимах работы токамака ИТЭР алмазный спектрометр будет вести измерения нейтронов, по которым предполагается восстанавливать характеристики функций распределения ионных компонентов плазмы с помощью специально разработанного автором кода YANC. Личный вклад автора

Изложенные в работе результаты получены автором лично или в соавторстве при его активном участии. Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались в 2007-201 Згг. на 7 научных конференциях:

1. Диагностика Высокотемпературной Плазмы (Звенигород, 2007),

2. XXXV Международная (Звенигородская) Конференция по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2008),

3. Диагностика Высокотемпературной Плазмы (Звенигород, 2009),

4. XXXVII Международная (Звенигородская) Конференция по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2010),

5. Диагностика Высокотемпературной Плазмы (Звенигород, 2011),

6. VIII конференция "Современные методы диагностики плазмы и их применение" (НИЯУ «МИФИ», Москва 2012)

7. XL Международная (Звенигородская) Конференция по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2013),

а также на 8 семинарах, совещаниях и школах:

1. в ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ» - 2009, 2010 и 2012,

2. в НИЯУ «МИФИ» - 2009 и 2012,

3. в Научном центре Калэм (Абингдон, Великобритания, 2010 и 2011)

4. на 48-ой Калэмской плазма-физической школе (Абингдон, Великобритания, 2011)

5. на 12-ом Техническом совещании по «Энергичным частицам в системах с магнитным удержанием» МАГАТЭ (12th IAEA Technical

Meeting on "Energetic Particles in Magnetic Confinement Systems") (Остин, Техас, США, 2011)

6. на 10-й Курчатовской молодёжной научной школе (Москва, 2012)

7. на 55-й Научной конференции МФТИ (Москва, 2012)

8. в Организации ИТЭР (ITER Organization) (Кадараш, Франция, 2012) Основное содержание диссертации опубликовано в 11 работах: в 3

статьях в ведущих рецензируемых научных журналах из Перечня ВАК, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание учёных степеней доктора и кандидата наук (редакция от 22 июля 2011 года), в 1 зарубежном журнале и в 7 докладах, опубликованных в сборниках трудов конференций:

1. В.Н.Амосов, А.В.Красильников, Д.А.Скопинцев, С.А.Мещанинов, В.А.Красильников. Система Спектрометрии Быстрых Атомов на Токамаке JET на Базе Алмазного Детектора // Сборник трудов сотрудников ОФТР ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», Вып. 6-Троицк, 2005. стр. 37-40

2. В.Н.Амосов, А.В.Красильников, Д.А.Скопинцев, С.А.Мещанинов, В.А.Красильников. Система Спектрометрии Быстрых Атомов на Токамаке JET на Базе Алмазного Детектора // Приборы и техника эксперимента (ПТЭ). № 2, 2008, стр. 108-112

3. В.А. Красильников. Спектрометр быстрых частиц с цифровой обработкой сигналов на основе алмазного детектора // 2008 ПТЭ, № 4, стр. 44-49

4. Krasilnikov, V.; Marocco, D.; Esposito, В.; Riva, M.; Kaschuck, Yu. Fast pulse detection algorithms for digitized waveforms from scintillators // Computer Physics Communications, 2010. Volume 182, Issue 3, p. 735-738.

5. В.А. Красильников, В.H. Амосов, Ай. Коффей, С.Поповичев, Ю.А. Кащук и др. Применение цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки на токамаке JET. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 4. стр. 97-102

6. В.Н.Амосов, А.В.Красильников, Д.А.Скопинцев, С.А.Мещанинов, В.А.Красильников. Система Спектрометрии Быстрых Атомов на Токамаке JET на Базе Алмазного Детектора // Материалы XXXV Международной (Звенигородской) Конференции по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2008),

7. В.А. Красильников, В.Н. Амосов, Ю.А. Кащук, A.B. Красильников, Д.А. Скопинцев. Измерение спектров и потоков быстрых атомов перезарядки при дополнительном нагреве плазмы токамака JET с применением алмазного детектора. // Материалы XXXVII Международной (Звенигородской) Конференции по Физике Плазмы и Управляемому Термоядерному Синтезу (Звенигород, 2010),

8. В.А. Красильников, В.Н. Амосов, Ю.А. Кащук, Д.А. Скопинцев.. Измерение спектров и потоков быстрых атомов перезарядки при дополнительном нагреве плазмы токамака JET с применением алмазного детектора // Сборник трудов сотрудников ОФТР ФГУП «ГНЦ РФ ТРИНИТИ», Вып. 11-Троицк, 2010.

9. В.А. Красильников, В.Н. Амосов, Ю.А. Кащук, Д.А. Скопинцев. Диагностика атомов перезарядки на базе алмазного детектора для токамака JET и проект для ITER. // Материалы VIII конференции "Современные методы диагностики плазмы и их применение" (НИЯУ «МИФИ», Москва, 2012)

10. В.А. Красильников, В.Н. Амосов, Ю.А. Кащук, Д.А. Скопинцев. Цифровой алмазный спектрометр атомов перезарядки для токамака JET и проект для ITER. // Материалы 10-й Курчатовской молодёжной научной школе (Москва, 2012)

И. В.А. Красильников, В.Н. Амосов, Ю.А. Кащук, Д.А. Скопинцев. Цифровой алмазный спектрометр атомов перезарядки для токамака JET и проект для ITER. // Материалы 55-й Научной конференции МФТИ (Москва, 2012).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. С.В.Мирное. Физические процессы в плазме токамака // М.: Энергоатомиздат, 1983.- 184 с.

2. М.П.Петров. Корпускулярная диагностика плазмы. / В кн. Диагностика термоядерной плазмы, под ред. С.Ю. Лукьянова, М.: Энергоатомиздат. 1985, стр. 88-111.

3. A.V.Krasilnikov, S.S.Medley, N.N.Gorelenkov, R.V.Budniy, O.V.Ignatyev, Yu.A.Kaschuck, M.P.Petrov, A.L.Roquemore. "Tokamak Fusion Test Reactor charge exchange atom spectrometry using a natural diamond detector" // Review of scientific instruments. Volume 70, number 1,1999.

4. M.P.Petrov, V.I.Afanasyev, S.Corti et al. Neutral Particle Analysis in the MeV Range in JET // 19th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics, vol,16C(II), 1992, p.1031-1034.

5. B.A. Красильников. Спектрометр быстрых частиц с цифровой обработкой сигналов на основе алмазного детектора // ПТЭ, № 4 2008, стр. 44-49

6. L. Giacomelli. Comparison of neutron emission spectra for D and DT plasmas with auxiliary heating // Eur. Phys. J. D 33 2005, p. 235-241

7. B.A. Красильников, B.H. Амосов, Ай. Коффей, C.B. Поповичев, Ю.А. Кащук и др. Применение цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки на токамаке JET. // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез, 2012, вып. 4. стр. 97-102

8. V.I. Afanasyev et al. Neutral particle analysis on ITER: present status and prospects // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 621 2010, 456-467

КРАСИЛЬНИКОВ Виталий Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФУНКЦИЙ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ БЫСТРЫХ ИОНОВ ПЛАЗМЫ ТОКАМАКА ПРИ ИОННО-ЦИКЛОТРОННОМ НАГРЕВЕ И ИНЖЕКЦИИ НЕЙТРАЛЛОВ

Подписано в печать 7.03.2013 г. Формат 60x84/16. Печ. л. 1,25 Тираж 500 экз. Заказ 7777.

Издательство «Тровант» ЛР 071961 от 01.09.1999 г.

Отпечатано с готового оригинал-макета в типографии издательства «Тровант». 142191, г. Москва, г. Троицк, м-н «В», д. 52.

Тел. (495) 775-43-35, (495) 850-21-81 E-mail: trovant@trtk.ru, http://www.trovant.ru/

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Красильников, Виталий Анатольевич, Москва, Троицк

Федеральное Госудраственное Унитарное Предприятие «Государственный Научный Центр Российской Федерации Троицкий Институт Инновационных и Термоядерных Исследований»

На правах рукописи

04201355925

Красильников Виталий Анатольевич

Специальность 01.04.08 - Физика плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.ф.-м.н. Кащук Юрий Анатольевич

Москва, Троицк - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ......................................................................................5

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................6

Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................16

1.1 Быстрые ионы высокотемпературной плазмы..............................16

1.1.1 Кинетика быстрых ионов в однородной плазме...................18

1.1.2 Потери быстрых ионов в токамаке........................................27

1.2 Неустойчивости и быстропротекающие процессы в плазме.......33

1.3 Нагрев плазмы методом нейтральной инжекции и с помощью высокочастотных волн...................................................................................40

1.3.1 Инжекция нейтральных частиц.............................................41

1.3.2 Ионно-циклотронный нагрев плазмы...................................45

Глава 2 СПЕКТРОМЕТР АТОМОВ ПЕРЕЗАРЯДКИ НА БАЗЕ АЛМАЗНОГО ДЕТЕКТОРА.................................................................................49

2.1 Алмаз в качестве чувствительного элемента детектора ионизирующего излучения............................................................................49

2.1.1 Конструкция и принцип работы алмазного детектора нейтральных частиц...............................................................................52

2.2 Спектрометр атомов перезарядки на базе алмазного детектора

и система цифровой регистрации данных....................................................57

2.3 Калибровка спектрометра атомов перезарядки............................61

Глава 3 ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ.............................................67

3.1 Системы сбора и обработки цифровых данных для различных токамаков и спектрометров...........................................................................72

3.1.1 Спектрометр атомов перезарядки с цифровой обработкой сигнала на базе алмазного детектора на токамаке JET........................72

3.1.2 Нейтронный спектрометр с цифровой обработкой сигнала на базе стильбенового детектора на токамаке JET...............................73

3.1.3 Спектрометр тормозного излучения убегающих электронов на токамаке Т-10................................................................78

Глава 4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ТЕРМОЯДЕРНЫХ НЕЙТРОНОВ ПО ЗАДАННЫМ ФУНКЦИЯМ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ ПЛАЗМЫ...............................................................82

4.1 Код YANC.......................................................................................82

4.1.1 Вычисление нейтронного спектра.........................................82

4.1.2 Решение для cos(y).................................................................86

4.1.3 Вычисление Vseen и ДП...........................................................88

4.2 Функции распределения ионов плазмы........................................89

4.2.1 Распределение Максвелла......................................................90

4.2.2 Би-максвелловское распределение........................................90

4.2.3 Урезанное-Максвелловское распределение..........................91

4.2.4 Распределение-коробочка......................................................91

4.3 Обратная задача диагностики........................................................92

4.4 Апробация кода YANC на данных токамака JET.........................93

Глава 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ БЫСТРЫХ ИОНОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ СЦЕНАРИЯХ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ ТОКАМАКА JET...................................................................................................95

5.1 Расположение алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки на токамаке JET........................................................................96

5.2 Влияния параметров плазмы на удержание быстрых частиц токамака JET.................................................................................................100

5.3 Влияние мощности дополнительного нагрева плазмы токамака JET на энергетическое распределение быстрых ионов..............................106

Глава 6 АЛМАЗНЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ТОКАМАКА ИТЭР В КОМПЛЕКСЕ СИСТЕМЫ АНАЛИЗАТОРОВ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ ..111

6.1 Задачи корпускулярной диагностики при различных режимах работы токамака ИТЭР................................................................................111

6.2 Схема двухканального спектрометра..........................................113

6.3 Расположение элементов спектрометра......................................114

6.4 Анализ потоков нейтралов, нейтронов и гамма-квантов в точке расположения алмазных детекторов АС....................................................117

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................125

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АД - алмазный детектор

АНЧ - анализатор нейтральных частиц, (Neutral Particle Analyzer, NPA) AC - алмазный спектрометр (Diamond Neutral Particle Spectrometer DNPS)

АЦП - аналого-цифровой преобразователь ВЧ - высокочастотный (нагрев)

ИТЭР - международный термоядерный экспериментальный реактор (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor). В настоящее время официально не считается аббревиатурой, а связывается со словом лат. iter — путь ИЦР - ионно-циклотронный резонанс ИЦН - ионно-циклотронный нагрев НИ - нейтральная инжекция

Питч-угол - угол между вектором скорости частицы и линией тороидального магнитного поля

ПТТ111В - полная ширина спектра на его полувысоте (full width at half

maximum, FWHM) ЦОС - Цифровая Обработка Сигналов.

CVD - метод выращивания искусственных алмазных пластин

осаждением из газовой фазы (Chemical Vapor Deposition) d и t - дейтерий и тритий

ELM - неустойчивость на границе плазмы (Edge Localized Mode)

H-mode - режим работы токамака с повышенным удержанием (High confinement mode). Впервые обнаружен экспериментально Ф. Вагнером 4 февраля 1982 г. В этом режиме не наблюдаются турбулентности на периферии плазмы, но неотъемлемо присутствуют неустойчивости ELM. По аналогии L-mode -обычный режим токамака, с пониженным удержанием.

JET (ЕС, Великобритания), TFTR (США), JT-60U (Япония), DIII-D (США),

MAST (Великобритания), NSTX (США), START (Великобритания), Tore Supra (Франция), FTU (Италия), Т-11 (Россия), Т-15 (Россия) ASDEX (Германия), ТУМАН-ЗМ (Россия), Глобус-М (Россия) -мировые токамаки классического и сферического типа.

тип - числа, обозначающие количество оборотов по большому (m) и малому (п) обходу тора токамака, которые необходимо сделать силовой линии, чтобы замкнуться самой на себя.

NE-213 - органический жидкий сцинтиллятор

q(a) - запас устойчивости токамака, q(a)=BTr/BeR, где Вт -тороидальный, a Be - полоидальный компоненты магнитного поля, г и R - малый и большой радиусы токамака.

ВВЕДЕНИЕ

В плазме токамака происходит множество быстропротекающих процессов, которые оказывают влияние на перемешивание частиц в конфигурационном пространстве и пространстве скоростей. Это может приводить к существенному увеличению потерь частиц из плазмы и переносу энергии из центра плазменного шнура на границу. Для анализа характера и степени воздействия на плазму быстропротекающих процессов требуется измерение динамики энергетического распределения участвующих в этих процессах частиц. В этой связи в современных экспериментах на токамаках возникает необходимость исследования эволюции энергетических распределений частиц с высоким временным разрешением.

Спектрометрия атомов перезарядки даёт информацию об энергетическом распределении быстрых ионов плазмы. Эта информация важна для повышения эффективности нагрева ионов высокочастотными волнами и для изучения удержания ионов как в спокойной плазме, так и под влиянием магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, например «пилообразных» или Альфвеновских мод. Цели экспериментов требуют, чтобы используемые методики были способны обеспечивать спектрометрические измерения во временных интервалах ~10мс, то есть при загрузках свыше 10б импульсов в секунду.

Для выполнения подобных измерений в настоящее время применяют многоканальные анализаторы нейтральных частиц, обеспечивающие регистрацию энергетических распределений ионов после ионизации атомов в обдирочной камере или плёнке. Заряженные частицы «заворачиваются» в магнитном и электрическом полях по разным траекториям в зависимости от их импульса и энергии. Регистрация ионов производится много детекторной системой, располагаемой в анализаторе сразу после блока с анализирующими магнитным и электрическим полями. Наряду с высокой надёжностью и

информативностью (разрешением по массе иона) таких систем, они обладают некоторыми ограничениями в применении. Количество каналов анализатора ограничено количеством детекторов в нём. Не 100%-ная эффективность регистрации, связанная с вероятностным характером процесса обдирки, большие размеры и чувствительность к окружающим полям накладывают ограничения на расположение анализатора, затрудняют его применение для определённых задач. В экспериментах с высокотемпературной плазмой для регистрации энергетических распределений атомов перезарядки в коротких временных интервалах также применяются полупроводниковые (кремниевые, алмазные) спектрометры. До недавнего времени такие детектирующие системы использовали аналоговую обработку сигналов, что приводило к ограничениям по предельной скорости счета не более 105 имп./сек. В современных экспериментах на токамаках требуется измерять спектры атомов перезарядки во временном интервале 10 мс. Это условие трансформируется в требование к спектрометрическому тракту работать при более высокой скорости счёта.

В связи с развитием компьютерных технологий, дальнейшая эволюция полупроводниковых измерительных устройств будет связана с использованием цифровых методов регистрации и обработки сигналов. В настоящее время разработаны быстродействующие устройства регистрации и сбора данных, осуществляющие преобразование аналогового импульса детектора в цифровую форму, с частотой дискретизации ~0,5-г1 ГГц и разрядностью 8-^10 бит [1,2].

Цель диссертационной работы - исследование особенностей функции распределения высокоэнергетичных ионов плазмы токамака при применении методов дополнительного нагрева и при различных параметрах плазмы. Для достижения этой цели потребовалось создать спектрометр быстрых атомов перезарядки с детектором на базе алмаза ввиду его исключительных характеристик, разработать аппаратную и программную части спектрометра,

установить и применить его в условиях реального эксперимента на крупнейшем в Мире токамаке JET.

На защиту выносятся следующие положения:

2. Разработаны эффективные алгоритмы анализа импульсов в зашумлённых сигналах детекторов ионизирующего излучения плазмы токамака. Созданные алгоритмы позволили увеличить предельную загрузку спектрометров до 10б имп./с и снизить энергетически порог регистрации атомов перезарядки до 70 кэВ.

3. Созданный спектрометр применён для регистрации атомов перезарядки в диапазоне энергий 70-г250 кэВ в экспериментах на токамаке JET с ВЧ-нагревом плазмы и инжекцией нейтралов.

4. С помощью экспериментальных исследований спектров атомов перезарядки, выполненных с применением разработанной методики и алгоритмов обработки данных, продемонстрированы особенности функции распределения ионов плазмы токамака JET при различных сценариях дополнительного нагрева.

46. Определена зависимость времени удержания (термализации) быстрых ионов от плотности плазмы в токамаке JET.

4в. Продемонстрировано -влияние развивающихся в плазме неустойчивостей на выход частиц высоких и тепловых энергий.

5. Разработан проект цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки токамака ИТЭР, дополняющий диагностику анализаторов нейтралов.

В первой главе, обзор литературы, представлен анализ быстропротекающих процессов в высокотемпературной плазме токамака, оказывающих влияние на перераспределение частиц в конфигурационном пространстве и пространстве скоростей, а также на перенос энергии из центра плазменного шнура к периферии. Обсуждаются механизмы формирования групп быстрых частиц в плазме и их взаимодействие с различными компонентами. Проанализировано развитие некоторых неустойчивостей плазмы. Показывается, что для исследования таких процессов может применяться и применяется диагностика плазмы по анализу энергетических спектров атомов перезарядки и что для ряда исследований применяемое временное окно спектрометрии не должно превышать 10 мс.

Во второй главе обсуждается применимость алмаза в качестве чувствительного элемента детектора ионизирующего излучения,

описывается разработка быстрого спектрометра атомов перезарядки на базе алмазного детектора со специальной электроникой. Проводится сравнение спектрометра с аналоговой обработкой сигналов и спектрометра с цифровой обработкой сигналов по таким параметрам, как энергетическое разрешение, линейность, помехоустойчивость.

В третьей главе обсуждаются математические методы и алгоритмы цифровой регистрации событий и получения аппаратурных спектров. Разработанная для алмазного спектрометра электроника и математический аппарат при небольших модификациях были применены для построения спектрометров на базе детекторов с различными чувствительными элементами, такими как: уже упомянутый алмаз (нейтронный монитор), теллурид кадмия, а также сцинтилляторы - стильбен и NE-213.

В четвёртой главе представляются принципы, заложенные в программный код YANC, с помощью которого предполагается определять особенности функций распределения быстрых ионов плазмы при помощи спектрометрии термоядерных нейтронов. Разработка этого кода потребовалась в связи с построением проекта алмазного спектрометра для токамака ИТЭР. В дейтерий-тритиевой фазе эксплуатации ИТЭР ожидается очень большой нейтронный выход, на фоне которого регистрация атомов перезарядки представляется затруднительной. Однако, в этой фазе алмазный спектрометр будет использоваться в качестве нейтронного спектрометра, а результаты экспериментов будут интерпретироваться с применением кода Y ANC.

В пятой главе описываются результаты применения приведённой методики для спектрометрии атомов перезарядки токамака JET при различных сценариях дополнительного нагрева плазмы. Токамак JET имеет два инжектора нейтральных частиц (с максимум шестью лучами инжекции у каждого) и четыре антенны ИЦР нагрева. Геометрия расположения детекторов спектрометра на токамаке JET такова, что конус регистрации

алмазного детектора пересекается с некоторыми лучами одного из инжекторов, следовательно, когда эти лучи используются, измеряемый детектором поток атомов в существенной мере формируется при перезарядке быстрых ионов плазмы на инжектированном пучке атомов, как на активной мишени. Когда же по этим лучам инжекция не производится, регистрируются высокоэнергетичные атомы, перезарядившиеся на примесях во всём конусе регистрации детектора, реализуется пассивная спектрометрия. Оба режима экспериментально реализованы. Энергетический порог регистрации, равный приблизительно 100 кэВ и связанный в основном с высокочастотными помехами в цепи спектрометра, обусловил уровень счёта регистрируемых частиц, далёкий от максимального. Тем не менее, все элементы спектрометра были настроены так, чтобы разрешать события, произошедшие с интервалом времени 0,5 мкс, что при достаточном потоке частиц позволило бы вести спектрометрию с временным окном Юме при требуемой точности.

В шестой главе рассказывается о дальнейшем развитие методики спектрометрии атомов перезарядки с использованием алмазного детектора -о проекте цифрового алмазного спектрометра для токамака ИТЭР.

В заключении диссертации сформулированы основные результаты работы.

В хо