Лазерная диагностика плазмы применительно к пристеночной области токамаков тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ПО ДЕЛАМ НАУКИ И ВЬЮШЕй ШКОДЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Сергие.чко Геннадий Витальевич

УДК 533.9.082

ЛАЗЕРНАЯ ДИАГНОСТИКА ПЛАЗМЫ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ПРИСТЕНОЧНОЙ ОБЛАСТИ ТОКАЫАКОВ

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазкы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1991

Работа выполнена в Институте высоких температур АН РОССИИ

Научный руководитель: доктор физико-математических наук

профессор А.В.Недоспасов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ведущее предприятие: Физический факультет Московского Государственного университета им. 11.В.Ломоносова

заседании Специализированного Совета К 063,91.06 в Московском физико-технической институте по адресу:

141700, город Долгопрудный Московской области, Институтский переулок 9, МФТИ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МФТИ

Д.А.Щеглов

кандидат физико-математических наук А.В.Нохов

Защита состоится 1992 г. в часов на

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Специализированного совета, кандидат физико-математических наук

В.В.КОБТУН

!

стация

ОЕЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работа. Для углублэ!шя понимания процессов, протекатвдх в пристеночной области токамаков, важно квдеяпо контролировать параметры периферийной плазмы. Кромэ того, изучение поведения плазмы в пристеночной области важно для решения проблемы откачки продуктов термоядерной реакции и оптимизации процессов теплопередачи при взаимодейстзяп плаз:щ со стенкой. При диагностике пристеночной плазмы возникает ряд проблем, связанных со спецификой объекта исследований, к которой можно отнести большие градиенты параметров плазмы , относительно малые размеры зоны, занимаемой прнстепо'шой плазмой по малому радиусу, близость последней к стояке разрядной камеры и, кроме того, значительные полоидальныэ неоднородности параметров плазмы, связанные с тем, что магнитные поверхности в этой области рассечены лимитером. В этих условиях рад традиционных методов днагностшси плазмы, такие как, например, хордовые (интегральные) метода исследования по собственному излучению «плазш и СВЧ-диагностика плазмы, становятся . непригодными, а другие (например, зондовый метод) в значительной мере уменьшают свои достоверность и информативность. Ряд явлений, возникающих при взаимодействии периферийной плазмы со стенкой, удобнее и дешевле моделировать и исследовать на небольних установках.

Таким образом, в настоящее время является актуальным создание методик для диагностики лраетеночной йлазмы, а также изучение эрозии конструкционных материалов, предполагаемых в качестве кандидатов для первой стеши, в условиях имитирующих пристеночную плазму токамаков.

Для диагностики пристеночной плазмы токамакс-в особый интерес представляет привлечет« бесконтактных невозмущапцих методик, таких как лазерная диагностика плазмы. Налаживание аппаратуры для диагностики плазмы этим методом удобно проводить в плазме, имитирующей периферийную плазму токамака. Кроме того, исследование процессов, происходящих в моделирующей плазме,имеет самостоятельный интерес для изучения физики пристеночной • плазмы токамака и механизмов взаимодействия плээик с диафрагмой и первой стенкой. Целью работы является:

- Исследование электронной компоненты плазмы в условиях, характерных для периферийной зоны разряда токамака, с помощью лазерного диагностического комплекса на базе шодшового лазера, излучающего на второй гармонике.

- Создание лазерной диагностической установки для исследования потоков распыленных атомов материала стенки в разряда с полым катодом методом резонансной флуоресценции.

- Определение селективного коэффициента распыления железа ионами гелия с анергией "\500 эВ из нержавеющей стали в условиях разряда с полнм катодом при помощи лазерной резонансной флуоресценция.

- Изучение взаимодействия поверхности с плазмой ее паров, образуемой при воздействии мощного лазерного излучения, при помощи лазерного проекционного микроскопа.

Научная новизна работы состоит в том,что:

- Определена параметры электронной компоненты плазмы токамака ТВ-1 методом томсоновского рассеяния излучения второй гармоники неодимового лазера;

- Проведены измерения селективного коэффициента распыления в

тлеющем разряде с полю.» катодом с помощью резонансной флуоресценции;

- С помощью лазерного проекционного микроскопа проведеш исследования поверхности во время воздействия на нов плазм?! релвксирующего лазерного факела.

Научная и практическая ценность. Полученные в работе результата могут сыть использованы при создакшш лазерных систем для диагностики ш!эзш и для диагностики поверхности, контактируицеП с плнз.чой. Кроме того, о.'ш могут быть полезны при создании стендов для испытания материалов-кандидатов для первой стенки и динар-горных пластин.

Апробация работа. Основные результаты роботы докладывались и обсуждались на: ,

XXIX Научной конференции Я ( Долгойрудный, IS33 ), XII Европейской конференции по управляемому термоядерному с-.штезу и физик? плазмы (Будапешт, 1985), XI Конференции молодых ученых ЮТИ (Долгопрудный. 1986), VIII Всесоюзной конференции по взаимодействии оптического излучения с веществом (Ленинград, 1990).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Основное содержание работы изложено на 134 страницах, включая 28 рисунков, 6 таблиц и список цитированной литературы из 109 наименований.

Во введении обоснована актуальность работы н сформулированы цели исследования. Приводятся основные полонеяия, защищаемые автором.

В первой главе кратко изложены теоретические основа

методов томсоновсного рассеяния и рэзонансиэй флуоресценции. Там иэ приведены литературные данные по экспериментальным в теоретическим аспектам втиз. методов. Сделан вывод, что для диагностики электронной компоненты периферийной плазмы в токамаках методом томеоиовского рассеяния, в качестве источника зондирующего излучения больше всего подходит лазер на наодиковом стекле с преобразованием частоты во вторуэ гармонику (Х=530 ш).

Вторая глава содержит результаты экспериментов ш диагностике электронной компоненты плазмы токамака ТВ-1 методом томсоновского рассеяния второй гармоники неодимового лазера. В ней описан диагностический комплекс для измерения температуры и концентрация электронов в плазме токамака ГВ-1. В состав ко!,шлекса входят зондирующий лазер на неодимовом стекла с преобразованием частоты во вторую гармошку, система сбора рассеянного излучения и четырехканальннй фоторегистратор спектра томсоновского рассеяния. Так как принятых стандартных мэр по ушнывэшв) паразитного рассеяния зондирующего излучения оказалось недостаточно, то были проведены исследования систеь? специально отобравши светофильтров, отсеканиях участок спектра с линией излучения зондарущего лазера. Приводятся наиболее пригодные системы фильтров.

Калибровка система регистрации проводилась как хорово известными методами с помощью эталонной вольфрамовой лампа накаливания и методом калибровки по рэлеевскому рассеянию в газах, пак и новым методом калибровки по комбинационному рассеянию в водороде. Для калибровки по комбинационное рассеянию в водороде рассчитали сечения рассеяния и частоты нескольких .линий спектра спонтанного вращательного

ко^кньщ'сжого рассеяния. Описали яр -ЛГР . И

проведено сравнение их результатов. Показано, что метод абсолютно!!! калибровки системы регистрации по комбинационному рассеяний обладает рядом преимуществ по сравнению со стандартными методами, а именно:

- «ожет использоваться при калибровке систем регистрации с эодективш-м подавлением зондирующего излучэтя, а также при высоком уровне паразитного рассеяния;

- позволяет за один лазерный импульс откалибровать все каналы регистрации (при соответствующем их выборе);

- не чувстгнтелен к шли в газе, мокет прш.1еияться сразу кэ после нап^шения камеры токамака газом;

- калиброгка проводится на рабочем газе токамака боз нарушения вакуумных условий.

Результаты калибровки были использованы в экспериментах по измерению температуры и концентрация электронов плазмы в токамаке ТВ-1. Эти эксперименты показали, что на стационарной стадии базового разряда токамака ТВ-1 на оси аяаекешюго шнура концентрация электронов составляет (1,7+0,6)-10"см"', а их температура достигает 270+60 эВ.

Третья глава посвящена исследованиям распыления нержавеющей стели в тлевдем разряде с полым катодом, который ' служил для моделирования распыления конструкционных* материалов первой стенки. Там жэ описан комплекс аппаратуры для диагностики примесных атомов в плазме методом резонансной лазерной флуоресценции. Зондарувдим лазером с перестраиваемой в ультрафиолетовой области епбктра частотой являлся лазер на красителе с удвоением частоты, накачиваемый второй гармоникой моноимпульснох',о лазера на неодимовом стекле. Для наладки

комплекса аппаратуры , а такке для проведения исследования распыления металлической поверхности в плазме методом резонансной лазерной флуоресценции, сила создана экспериментальная установка - газоразрядная камера с полым катодом. Конструкция к&черы позволяла проводить измерения радиальных профилей примесных атомов в плазме полого катода.

Исследования проводились для полого катода из нержавеющей стали диаметром 4,4см с рабочим газом гелием или аргоном. Температура газа в полом катоде определялась спектроскопически по допплеровскому уширешш спектральных .вшнй рабочего газа. Поток распыленных атомов определялся по градиенту концентрации и по концентрации атомов железа вблизи поверхности полого катода. Измерения проводились в диапазоне концентраций цримеоных атомов ю1О-2-10"си~а при объеме регистрации 5-ю~асмв, пространственное разрешение по радиусу полого катода составляло при атом 0,12сы. Из измеренных профилей концентрации атомов железа определен коэф£ациент распыления аэлеза из нержавеющей стали ионами гелия Бк=о,07+о,02атои/ион (при анергии распыляющих ионов ^оовВ).

Четвертая глава посвящена исследованию взаимодействия плазмы релаксирущего лазерного факела с металлической поверхностью. В ней описан лазерный диагностический комплекс для наблюдения за поверхностью стенки, взаимодействугщеа с плазмой ее паров. Плазма вблизи поверхности создавалась с помощь» излучения мощного моноимпульсного лазера на нэодамовом стекле. Для наблюдения за поверхностью был создан лазерный проекционный микроскоп на Сазе типового лазера на парах мэда ИЛГИ-101. Изображение поверхности, созданное лазерным проекционным микроскопом, регистрировалось па фотопленку. Для

получения изображения за один импульс генерации лазера на парах меди был разработан блок синхронизации, позволяющий переключать этот лазер,на время съемки, с частотного на моношпуль сный режим работы. Изучалось взаимодействие поверхности алюминия с плазмой его паров при разных вивших давлениях воздуха. Установлено, что рельеф поверхности в пятне обручения моадаым лазером начинает формироваться через несколько сотен наносекунд поело окончания воздействия мопщого лазерного импульса, а характер рельефа зависит от величины внешнего давления. Обнаружено появление мелкомасштабных нводнородностей кратерообразного вида на поверхности с размерами до бОмкм при внешней давлении воздуха 10*Па. Показано, что возникновение такого вида неоднородностей монет быть связано с развитием тепловой контракции.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

Основные результаты;

1. Разработана и проведена абсолютная калибровка системы регистрации спектра томсоновского рассеяния методом вращательного комбинационного рассеяния в водороде для второй гармоники неодимового лазера и показаны ее преимущества по отношению к стандартным методам калибровки.

2. Проведены измерения температуры и концентрации электронов на оси плазменного шнура токамака ТВ-1, условия которого характерны для периферийной области крупных токамаков, в разные моменты времени от начала базового разряда. Показано, что на стационарной стадии разряда температура 270±60эВ и концентрация электронов 0,7±о,5Мо*"см~", измеренные методом томсоновского рассеяния, согласуются со значениями, полученными с помощью других диагностик.

3. Создана лазерная диагностическая установка для исследования потоков распыленных атомов материала стенки в разряде с полым катодом методом резонансной флуоресценции. 4.. Определен селективный коэффициент распыления пержйвещэЯ стали ионами гелия с энергией ^ООэВ в условиях разряда с полым катодом с помощью резонансной флуоресценции. Полученное значение Б>с=о, 0710, б2атом/ион находится в согласпд с литературными даннями.

5. При помощи лазерного проекционного микроскопа получены снимки поверхности через плазму релаксируицего лазерного факела, в разные моменты времени от его возникной"н;^я.

6. Обнаружено, что рельеф поверхности в пятне облучения начинает образовываться через несколько сотен накоссгуял после окончания мовдого лазерного импульса длительности) с:сэло 30;:с. Характер рельефа зависит от величины внешнего давления. Появление неоднородностей поверхности кратероооразаг>го гида с размерами до бСмкм при внешнем давлении воздха ю'пя связано, по-видимому, с наличием плазмы Еблизи поверхности и может являться результатом развития процессов тепловоз контракта.

Основные результаты, изложенные в диссертации, опубликованы в следующих работах:

1. Bychkov S.S., Ivanov R.S., Sergiörtko G.V., StctaKy 0.1. Joint eet-up of laser diagnostlks tor determination of tokamak plaema parameters- J Proo-. XI European ooni. on control luaion and plasma phys. -1985. -v. 11. -p.599-602.

2. Бычков C.C., Сергиенко Г.В. Использование комбинационного рассеяния для калибровки системы регистрации тойсокоеского спектра на токамаке. -в кн.: Элементарный процессы в

химически реагирующих средах. -И.: над. МЭТИ, 1986. -с.15-19.

3. Бычков С.С., Сергиенко Г.В. Использований второй гармоники неодимаво го лазера для диагностики плазмы в токамаке // Труда XI конф. молод, ученых Ыоск. Jhs.-tox. нн-та / ВИНИТИ.-Ä 5698-886. -Ы.. 08.08.86. -Ч. 3. -С.134-139.

4. Сергиенко Г.В., Стоцкий Г.И. Исследование распыления металлической поверхности методом резонансной лазерной флуоресценции. -Препринт liBTAH -Si 1-232. -Ы., 1987. -16с.

Б. Батенин Б.Ы., Климовскнй И.И., Косшянский А.И., Селезнева Л.А., Сергиенко Г.В., Недоспасов A.B., Шелюхаев Б.П. Исследование временной эволюции поверхности алюминиевой мшени, экранированной слоем ярко светящейся плазмы, после воздействия на нее мощкого импульсного лазерного излучения / Тезисы докладов va Всесоюзной конф. по взанмод. оптич. излуч. с веществом. -Л., 1990. -с. 260.

6. Батенин Б.Ы., Климовский И.И., Кобылянскнй A.M., Селезнева Л.А., Сергиенко Г.В., Недоспасов A.B., Шелюхаев В.П. Взаимодействие поверхности с плазмой ее паров после окончания лазерного ишгульса // ТВТ. -1990. -т. 28, -й 6. -с. I093-1100.

Ротапринт ШУГИ

Тираж 100 экз. Заказ № 'Aîô