Развитие и применение флуоресцентных методов для диагностики плазмы токамака тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Р Гтбоишй ЙНСТИТУТ ИННОВАЦИОННЫХ И ТЕРМОЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИИ

1 9 ДПР 1393

На правах рукописи

Тэлыбов Вагиф Мамед-огла

УДК 533.Э

РАЗВИТИЕ И ПГЙШШИЕ ФЛУ0Р2СЦБКГНЫХ МЕТОДОВ ДЛЯ ДН.41НОСТЖИ ПЛА2Ш ТОКАШКА

(01.04.08 - флзика и химия плазм;)

Аьторе^рат

досваргашш на соискание учшоЯ степени клади 1чтз Физико - кагематачвскюс паук

Мпква, 19-Х!г.

Работа выполнена в Троицком института инновационных я термоядерных исследований.

Научрыэ руководители: Доктор технических наук

О.И.Бухинский

Кандидат физико-математических наук Г.Т.Раздобарин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

профессор А.П.Захаров, кандидат физико-математических наук И.Н.Семенов,

Вэдущая организация-. Харьковский физико-технический

институт

Защита диссертации состоится "

в 16 часов на заседании Споиалюировашюго Ученого Совета К C63.9I.Q9 Московского Физико-технического института по адресу: г.Москва, ул.Профсоюзная, д. 84/22, кор.Ь-2, зуд.202

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке: Московского флзико- технического института

Автореферат разослан сх 99зг _ _

Ученый свкретарь Специализированного совета кандитат технических наук Н.П.Чубинский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.Установки типа токамак являются наиболее реальными претендентами на роль термоядерного реактора. Важнейшей задачей экспериментальных физических исследований на этих установках является исследование взаимодействия плазмы токамака с первой стенкой вакуумной камеры. Это связано с тем, что взаимодействием плазмы со стенкой в существенной степени определяется балланс энергии и частиц в плазме токамака.

Пристеночная плазма отличается от основной плазмы наличием значительных неоднородностей плазменных параметров, и низкими значениями температуры и плотности плазмы. В результате большинство методов, разработанных 'для диагностики горячей плазмы, для пристеночной области либо непригодны, либо требуют существенной модернизации.

С развитием лазерной техники на основе органических красителей появилась возможность использовать для диагностики плазмы токамака безконтактный метод резонансного флуоресцентного анализа. Метод позволяет выполнять локальные измерения концентрации атомов водорода и примесей с высоким временным разрешением. Для интерпретации результатов экспериментов достаточно привлечения относительно простых и надежных теоретеческих моделей.

Этот метод представляет собой эффективное средство для исследования динамики взаимодействия плазмы со стенкой камеры для различных способов формирования плазменного лшура.Еключая адиабатическое сзгатие плазмы и режим быстрого сброса разрядного тока

На установках типа токамак метод резонансной флуоресценции использовался в основном для диагностики нейтральной компоненты и атомоа тяжелых металлов. Результаты проведенних исследований позволяют считать, что динамика примесной и нейтральной компонент плазмы токамака взаимосвязаны. В тоже время схемы построения диагностических установок не позеол.чли одновременно получать информацию о нейтральной -и примесной компонент плазмы токамака.

Цель работы.Целью настоящей работы являлось реиепие задач:

1.Развитие метода разонансной флуоресценции ■ для диагностики водорода с использованием импульсно- периодических лазеров нанссекундного диаппазона.

2.Разработка и создание единого диагностического комплекса

для флуоресцентных измерений концентраций атомов металлов и водорода в плазме токамака.

3.Исследование динамики взаимодействия плазмы со стенкой камеры токамака в различных режимах работы установки.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1.Развит метод лазерной флуоресценции с целью получения информации о пространственно- временном распределении нейтрального водорода в плазме высокотемпературной установки.

2.Разработан и создан единый комплекс лазерной диагностический аппаратуры, позволяющий методом резонансной флуоресценции проводить пространственно- временные измерения концентраций атомов металлов и водорода в плазме токамака.

3.Впервые проведены флуоресцентные исследования динамики взаимодействия плазмы со стенкой камеры токамака при формировании плазменного шнура методом адиабатического сжатия плазменного шнура и при быстром сбросе разрядного тока.

Практическая значимость.

Высокая стоимость эксплуатации крупных термоядерных установок типа токамак и не ' очень высокая воспроизводимость плазменных разрядов. требуют получения пространственных и временных распределений параметров плазмы за один разряд. Разработанный единый диагностический коплекс как раз и решает эту задачу получения цространственно- временных распределений атомов примесной и . нейтральной компонент плазмы токамака, магнитной ловушки и других высокотемпературных плазменных установок за один разряд.

На защиту выносятся следующие результаты:

1.Создание единого диагностического комплекса для флуоресцентных измерений концентраций атомов металлов и водорода в плазме токамака.

2.Теоретическое рассмотрение метода обработки результатов при диагностике водорода с возбуждением флуоресценции на линии На с использованием лазеров наносекундного диапазона.

3.Результаты стендовых исследований аппаратуры для диагностики водорода . в плазме токамака с применением нзносекундных импульсов возбуждения флуоресценции. ■

4.Исследование пространственно- временных распределений распыленных атомов железа в пристеночной плазме токамака

"Туман-3". Анализ основных каналов поступления примесей В пристеночную плазму в режимах омического нагрева и магнитного сжатия плазмы токамака.

5.Исследование пространственно- временных распределений распыленных атомов железа в пристеночной плазме токамака "Туман-Зи в режимах с быстрым сбросом разрядного тока. Обнаружение скин слоя с инверсным направлением тока в момент сброса тока разряда.

Апробация работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Всесоюзной конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, 1984г.), Всесоюзном совещании "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах" (Томск, 1986г.).

Материалы 'диссертационной: работы неоднократно представлялись: на семинарах С-Петербургского физико- технического института им.А.Ф.Иоффе, на семинарах Троицкого института инновационных и термоядерных исследований, на семинаре Харьковского физико- технического института и опубликованы в 6 печатных работах.

Объем и структура работы.

Диссертация состоит из введения,-трех глав и заключения. Она содержит ИЗ страниц машинописного текста, 26 рисунков, I таблицы, и список литературы, состоящий из 91 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введения дана постановка задачи, обоснована актуальность темы диссертацианной работы, дано краткое содержание диссертации по главам, приведены научные по.", жения» представляемые к защите.

Первая глава носит обзорный характер. В ней дан аналий теоретических основ метода резонансной флуоресценции в том объеме, который необходим для решения прикладных диагностических задач измерения концентрации атомов в плазме токьмака.

Показано, что для исследования нейтральной и примесной компонент гласми достаточно рассмотрения простейших двух и трех урошевых систем.

В

Для диагностики центральных областей разряда существенная роль принадлежит процессам тушения возбужденных атомных состояний электронным ударом. В сияза с этил рассматривается усложненная модель, связанная с учетом этих процессов.

, Обсуждаются экспериментальные проблема метода, возникающие на пути создания надежной диагностической аппаратуры для диагностики плазмы токамака.

Рассмотрена! специфичкие требования к лазерным источникам возбуждения, а также к схемам регистрации флуоресцентного излучения.

Из приведенного краткого обзора экспериментальных работ следует, что метод резонансной флуоресценции, обладает существенными преимуществам^ по сравнению с традиционными мвтоцвма эмиссионной спектроскопии..

)

Глава.2. В этой главе приведено .описание единого диагностического комплекса для флуоресцентных измерений примесной и нейтральной компонент плазмы ка токамаке "Туман-3".

В перьсм параграфе приведено описание токамака "Туман-3", на которой была выполнено диссертационная работа. -Указаны особенности токамака "Туман-3":

Второй параграф посвящон аппаратурным и методическим разработкам. В нем освещены следующие вопросы: -Блск-схема экспериментальной установки. -Способ обработки экспериментальных- результатов при диагностировании водорода лазерами наносекундного диаппазона.

-Иепыгания диагностического комплекса для измерений концентрации водорода.

Испытания диагностического комплекса для ' измерения концентрации прдаесннх металлических атомов. Блок-схеыа экспериментальной установки. Диагностический комплекс включает в себя: •■лазерные источники зондирующего излучения с оптогаль-вашческой системой контроля длины волны лазерного излучения;

-оптическую систему формирования и ввода зондирующего излучения в камеру токамака;

оптическую систему сбора рассеянного света и оптической фильтрации флуоресцентного сигнала; '

-унифицированную систему сбора и обработки информации на

ЭВМ.

В качестг.е источников когерентного излучения для

&

возбуждения флуоресценции атомов водорода и металлов использовались основная и вторая гармоники лазеров на основе, растворов органических соединений. Накачка лазеров на красителях осуществлялась излучением эксимерного лазера с длиной волны Л.=308нм. Параметры генерации эксимерного лазера: режим излучения импульсно- периодический, энергия генерации в одном импульсе около 70 мДх, длительность импульсов около 20нс, частота следования импульсов до 100Гц.

Оптическая система формирования и ввода зондирующего излучения в камеру гокамака обеспечивала поперечное сечение лазерного пучка в исследуемой области в виде прямоуголы. пса с размерами 10x5мм2. Спектральная плотность мощности зондирующего излучения в наблюдаемой области составляла более 1000 КВт•см~2-нм~1, что позволяло проводить измерения в режиме насыщения. Для увеличения отношения сигнал/шум больший размер сечения лазерного пучка был ориентирован вдоль линии наблюдения.

Состав регистрирующей спектральной аппаратуры определялся. характером, собственного свечения плазмы при наблюдении флуоресценции атомов водорода и металлов.

В первом случае в виду отсутствия близко расположены*, интенсивных спектральных линий для выделения излучения линии На использовался светофильтр из цветного оптического стекла.

Во втором случае для выделения сигнала флуоресценции атомов металлов на фона достаточно равномерного по спектру свечешя плазмы использовался дифракционный монохроматор МДР-2. Высота щели монохромэтора Эмм при наклонной (45 градусов) ориентации оси наблюдения соответствовала длине отрезка зондирующего лазерного луча в плазме 13мм.

Фотоприемное устройство за выходной щелью монохроматора состояло из кварцевых световодных делителей, комплекта фотоумножителей ФЭУ-118, предварительных усилителей и калибровочного светодиода. Расположение фотоприемного устройства обеспечивало одновременную регистрацию световых потоков из трех равных по высоте участков щели. Таким образом, наблюдение сигнала флуоресценции проводилось одновременно из трех участков плазмы размером 4.2мм, р сположенных вдоль лазерного пучка. Расположение каналов вдоль оси зондирующего лазерного луча могло смещаться путем наклона оси наблюдения.

Одинаковый временной реким генерации лазеров на красктплях позволял использовать унифицированную систему сбора и обработки информации на базе ЭВМ.

Фильтрация шума свечения плазмы в области низких частот (Г<1МГц) осуществлялась вычитанием сигналов прямого и задерганного па 30 не каналов заряда- временного преобразователя. Вашим качеством разработанного комплекса является импульсно- периодический разом генерации лазера. Это позволяло измерять временную эволюцию параметров разряда и при необходимости проводить усреднение регистрируемых сигналов флуоресценции и фона в течении выбранного временного интервала, увеличивая тем самым чувствительность метода.

Способ обработки экспериментальных результатов при диагностировании водорода лазерами наносекундного диаппазона.

Главная проблема планируемых экспериментов по' резонансной флуоресценции атомов водорода на крушшх установках - дефицит чувствительности, обусловленный высоким уровнем собственного свечения плазмы (МГД-иум) и его фдуктуациями.

Наиболее действенным методом уменьшения МГД-иума является метод измерения и обработки экспериментальных данных основанный на формировании частотной полосы регистрируемых флуоресцентных сигналов со смещением ее в область высоких частот (/*ШГц), где МГД колебания плазмы заметно подавлены.

В нашей работе фильтрация шума свечения плазмы в области низких частот (/<1МГц) фактически осуществлялась вычитанием сигналов прямого и задержанного на 30нс каналов зарядо-временного преобразователя. Важным качеством разработанного комплекса аппаратуры является импульсно- периодический режим генерации- лазера. Это позволяет производить усреднение регистрируемых сигналов флуоресценции и фона в течении выбранного временного интервала и тем самым . увеличить чувствительность метода.

Основное'отличие предлагаемого метода обработки данных от существовавших ранее связано с малой длительностью возбуждающего лазерного излучения (10+20нс), сопоставимого с временем релаксации возбужденного состояния атома водорода.

Для расчетных моделей, используемых' при обработке экспериментальных результатов, это означает несоблюдение условия стационарности, обычно предполагаемое в такого рода экспериментах.

Для вычисления сечения флуоресценции на линии н требуется найти временную зависимость приращения населенности верхнего

уровня п-3 под действием возбуждающего излучения.

«

Проведено теоретическое рассмотрение метода обработки эксперименталыгых результатов при диагностике водорода с возбуждением флуоресценции на линии Больмеровской серки Нд при использовании лазеров наносекундного диапазона.

Испытания аппаратуры для диагностики атомов водорода.

Короткая (около ЮОмс) длительность разряда на токамаке Туман-3" нэ позволяла продемонстрировать преимущества импульско- периодического реяаала генерации лазера и процедуры накопления сигнала в условиях, когда максимальная частота следования импульсов составляла 100Гц. Эти преимущества должны проявиться в диагностических экспериментах на крупных более токамаках с длительностью разряда свыше 1сек.

Для демонстрации способности регистрирующей аппаратуры измерять слабый световой сигнал в присутствии мощного фонового излучения, экспериментальной апробации самой идеи выделения из шума короткого импульсного сигнала при накоплешш числа измерения, а также определения пороговой чувствительности аппаратуры была проведена серия экспериментов на стенде.

На фотокатод умножителя 0ЭУ-П8 подавались световые импульсы от светодиода, интенсивность которых была близка к ожидаемому Значению для флуоресцентного излучения. Одновременно фотокатод освещался абсолютно калиброванным источником, интенсивность которого могла изменяться в широких пределах. В проведенных экспериментах интенсивность фонового засветки в »75 раз превышала сигнал светодиода. В качестве абсолютно калиброванного источника использовалась лампа накаливания. Из спектра лампы накаливания выделялся участок в 8нм в окресности линии На.

Импульсное включение чувствительности ФЭУ производилось синхронно с включением светодиода с частотой до I кГц. Чувствительность регистрирующей аппаратуры обеспечивала регистрацию отдельных фотоэлектронов.

Проведенные на стенде испытание аппаратуры для диагностики атомарного водорода показали, что, сигнал светодиода <*1000 Фотопое за импульс становится обнаружимым среди шумов при накоплении нескольких десятков импульсов. При накоплении 100 импульсов относительная ошибка измерения сигнала в присутствии фона составляла около 30". Измеренное значение сигнала =<1000 фотонов за импульс соответствует ожидаемому сигналу флуоресценции на линии На г.рл том условии, что концентрации возбужденных

• l _ry-

■атомов водорода на втором уровне l^S-IO см . Исходя из величины N2 = 6-104см предельно измеримые концентрации невозбувденных атомов водорода составляют N1 = (0.3 + 1)-Ю8см~3 для диаппазона элоктронных концентраций (3+1).1013ом-3 и температуры электронов Те 1кэВ.

Испытания аппаратуры для диагностики тяжелых примесей.

Испытания проводились в условиях стандартного омического разряда: ток ЮОкА, магнитное поле =*0.6Тл, длительность разрядного тока 6Оме, электронная концентрация температура электронов ^500эв.

Объектом исследований являлась поверхность раздела плазма стенка и приповерхностной слой плазмы. В целях исследования интенсивности эрозии стенки вакумной камеры плазменной установки использовалась мишень, в виде специальной пластины. Пластина, изготовленая из нержавеющей'стали, была единственным источником атомоь Ге в разрядной камере, изготовленной из нихрома, и помещалась в лазерном патрубке на расстоянии около 100мм от основной диафрагма. Для исследования механизмов эрозии в различных областях пристеночной плазмы поверхность мишенной пластины шириной 30мм (в плоскости малого сечения тора) могла быть расположена на разных расстояниях относительно луча лазера как в тени основной диафрагмы, так и за ее пределами. В последнем случае она выполняла роль штыревой диафрагмы, ограничивающей радиус плазменного шнура.

Для возбуждения флуоресценции атомов примесных металлов в пограничном слое плазмы токамака использовалось ультафиолетовое излученио второй гармоники лазера на красителях. Члина волны второй гармоники излучения лазера на красителях настраивалась на резонансные переходы атомов Fei a5D4~y5D® (Л.<*ЗО2,06нм).

Спектральная ширина линии генерации лазера на красителях для возбукдения флуоресценции атомов тяжелых примесей составляла около 0.02нм. Точность настройки линии генерации лазера на красителях на резонансный переход атома контролировалась по оп-тогальБошческому эффекту в лампах с. полым катодом. Поляризация зондирующего лазерного излучения была ориентирована вдоль тороидального поля токамака. Энергия возбуждавшего лазерного импульса для 2-ой гармоники излучения составляла е стандартных условиях около О.ЗмДж при частоге следования импульсов до 100 Г>и Длительность лазерного импульса била *10нс. . Расходимость лазерного излучения составляла около 1С~3рад.

ю

Для определения абсолютных концентраций регистрируемых атомов, осуществлялась калибровка регистрирующей аппаратуры. Калибровка аппаратуры производилось с помощью эталлонной банд-лампы с ленточной вольфрамовой нитью накала и с увиолевым окном.

Флуоресценция атомов железа наблюдалась на смещенной линии с длиной волны ^.=382,04нм (Fei y5D®- а5Р5). Измерения сигналов флуоресценции производились через каждые 10мс в соответствии с частотой следования импульсов лазера- 100Гц.

Проведенныэ испытания доказали, что, созданная многоканальная и многоимпульсная система позволяет работать в условиях сильной невоспроизводимости условий разряда, особенно характерных для разрядов со срывом.

Из результатов измерений следует, что чувствительность аппаратуры вполне достаточна для измерения концентрации атомов металлических примесей i Ю8ат-см_3. При накоплении

отсчетов за несколько десятков ' импульсов нижний предел измеримых концентраций может быть снижен до ^Ю^ат-см-3.

Глава,3.

В третьей главе приводятся результаты экспериментов по измерению концентрации примесных атомов металлов вблизи стенки разрядной камеры токамака "Туман-3" в режимах омического нагрева, адиабатического сжатия плазмы нарастающим магнитным полем, а также в режиме с быстрым сбросом тока разряда.

Эксперименты в режиме с адиабатическим сжатием плазмы.

Адабатическоэ сжатие представляет собой эффективный метод формирования и сжатия плазмы в токамака. Сжатие плазмы по малому радиусу позволяет добиться существенного улучшения термоизоляции плазмы и использовать комбинированный нагрев, сочетающийся с другими методами нагрева плазмы, например с высокочастотным нагревом и нагревом методом шжекции нейтральных атомов. При этом с одной стороны снижаются требования к методам дополнительного нагрева, а с другой стороны, увеличивается эффективность ввода энергии в плазму при сжатии. Кроме этого, скатие и комбинированный нагрев представляют собой дополнительный метод воздействия и исследования таких параметров, как температура и плотность.

Проведенные эксперименты показали, что сжатие плазмы яарэставдим магшгным шлем от ЗкГс до 9кГс приводило к

значительному уменьшению поступления Примесей в плазму со стенки камеры. При сжатии плазмы концентрация атомов железа падала до значений около 0.5-10'см-^, что соответствовало 3+4-х кратному уменьшению, по сравнению с моментом времени, предшествовавшему сжатию.

В отличии от омических разрядов, при сжатии плазмы наблюда- ется существенно однородное распределение примесей. Значения концентрации атомов у края диафрагмы и ближе к центру плазмы (на расстоянии около 10 мм от края диафрагмы) мало отличаются от концентрации у сте^и. Такая однородность пространственного распределения примесей в режиме адибагичоского сжатия связана, скорее всего, с уменьшнением скорости ионизации из-за уменьшения концентрации электронов при отрыве плазменного шнура от диафрагмы в результате сжатия плазмы.

Проведенное оценки показывают, что при переходе от режима магнитного с:катия к режиму омического чагрева должно наблюдаться соответствующее уменьшение поступления примесей, связанное с нейтралами перезарядки. Наблюдающийся в экспериментах рост поступления примесей свидетельствует о том, что относительный вклад нейтральных атомов перезарядки незначителен.

Указанный рост поступления примесей в омических разрядах связан с другими причинами, и?-в первую очередь с увеличением ионного токе, ввиду роста концентрации плазмы в пристеночной области.

На основании проведенных экспериментор момю сделать вывод, о том, что механизмы эрозии диафрагмы в условиях омического рс1зрядэ и при сжатии существенно отличаются. В то время как в омических разрядах, в соответствий с общепринятыми представлениямидоминирующим фактором является процесс тонного распыления, .в режиме сжатия основным каналом поступления примесей в плазму является распыление каморы нейтральными водородными атомами перезарядки.

Эксперименты в реише с быстрым сбросом тока разряда.

В программе по.управляемому термоядерному синтезу большое внимания уделяется различным методам воздействия и управления параметрами плазменного шнура. Одним из способов сильного изменения профиля плотности тока в токамакэ является быстрый, за время меньшее,чем время диффуг.ии магнитного поля,увеличение или умо'п,ша1ие лолнего тока ллазыы. Оптимизации профиля плотности тока лредигапляетег. актуальной для изучения ггроцеосоЕ переноса

и управления накопленной в тскамако энергией.

Ток плазмы з ходе экспериментов спадал в два раза от исходного стационарного значения I = 84 кА до конечной величин;; 42кА. Время спада тока плазмы <=*5У7,5 мс было примерно в 4-6 раз короче характерного времени диффузии магнитного поля. Типичные значения времени удержания энергии в исходном режиме омического нагрева с I = 84 кА находились в интервале Одновре-

менно со спадом тока уменьшалось вертикальное магнитное поле.

Для того, чтобы иметь более полную информацию об основных параметрах электрошюй компоненты плазмы (п , Те) на границе плазменного шнура, формируемой тенью диафрагмн, били выполнены специальные измерения длины ионизации атомов, эмитируемых с поверхности мишени. Измерялись пространственные распределения концентрации атомов железо в основном состоянии по малому радиусу на участке прямой, отстоящей от поверхности пластины на 2мм. Верхняя кромка мишенной: пластины была смещена от границы с тенью диафрагмы в направлении к стенке примерно на 4мм.

Количество атомов железа уменьшалось по маре удаления как вглубь плазмы, так и в тевь даэфраьлы. Уменьшение концентрации атомов железа от края пластины в теневую зону происходит вследствие уменьшения эрозии атомов с поверхности пластины и характеризует структуру диафрагменного граничного слоя. Уменьшение концентрации нейтральных атомов при удалении ог кр?я пластины в основную плазму происходит Еследствии их ионизации. С.учетом уменьшения концентрации атомов железа на основном уровне из-за возбуждения по уровням тонной структуры длна ионизации составляет ~Б.Ьмм, что соответствует концентра-

ИОН • , л

ции электронов на границе плазменного шнура С.5-10 см .

Не имеет пока однозначного объяснения эффект резкого уменьшения эрозии диафрагмы мишени в момент сброса тока. Уменьшение концентрации металлических атомов наблюдается уже в самом начале процесса эволюции тока, когда основные параметры основной плазмы (профили г.е, Те) практически не претерпели изменения.

В более поздние моменты стационарной фазы разряда с током 42кА. эрозия поверхности пластины частично возобновляется и продолжается до конца разряда. При этом скорость эрозии при мглом токе разряда оказывается примерно на порядок меньше исходной.

Указанные экспериментальные результаты относятся к схеме измерений со стороны поверхности пластины, ориентирован]!'; Л навстречу ионному току. Аналогичный эффокт качествен!:1")

наблюдался и со стороны, ориентированной навстречу электронному току. Однако, в отличии от предыдущей серии экспериментов, установить количествеиные соотношения уменьшения скорости эрозии затруднительно, ввиду того, что потоки атомов навстречу электронному току существенно меньше.

По внешним признакам этот эффект очень близок к наблюдаемому резкому уменьшению эрозии диафрагмы при отрыве плазменного шнура от стенки в момент адиабатического сжатия плазмы. Предполагается, что оба упомянутых эффекта имеют общую причину- отрыв плазменного лшура от диафрагмы.

Указано,что такое объяснение не находится в противоречии с наблюдаемым постоянством плотности плазмы на краю шнура в момент сброса тока, если предположить существенную полоидальную неоднородность плазмы (интерферометрические данные относятся к другой хорде наблюдения, расположенной в вертикальном направлении.

Предполагается, что такое необычное поведение эрозии диафрагмы в нашем случае есть следствие существенной полоидалыюй неоднородности, наведенной в рекиме инверсии тока в скиновом слое плазменного шнура.

Существование такой инверсии в ходе экспериментов было показано в результате моделирования процесса диффузии магнитного поля, выполненного на основе анализа эволюции радиальных профиле® температуры и концентрации электронов по данным диагностики томсоновского рассеяния.

В результате проведенных экспериментов было показано, что • очень показательный, отчетливо регистрируемый и существенно воспроизводимый эффект резкого уменьшения эрозии диафрагмы, по-видимому, может рассматриваться, как свидетельство появления скин слоя с инверсным направление тока в момент сброса тока разряда.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе были разработаны и использованы флуоресцентные методы для диагностики примесной и нейтральной компонент.плазмы токамака "Туман-3".

Основше результаты диссертационной работы следугацио:

1. Дан анализ теоретических основ метода резонансной флуоресценции в томобъема, который необходим для ротешя лрикладних диагностических задач измерения концентрации атомов в плазме токамака.

2.Разработан и создан единый диагностический комплекс, предназначенный для флуоресцентных измерений концентраций атомов водорода и металлов в плазме токамака. С имеющейся аппаратурой оказывается возможным проводить измерения пространственно- временных распределен^ исследуемых атомов за один разряд токамака.

3.Проведено теоретическое рассмотрение метода обработки экспериментальных результатов при диагностике водорода с возбуждением флуоресценции на линии Бальмеровской серии На при использовании лазеров нзносекундного диэппазона.

4.Выполнены испытания на стенде аппаратуры для диагностики водорода. Показано, что предельно измеримые концентрации невоз-бувденных атомов водорода на крупных плазменных установках составляют (0.3+1) •108см~-} для диапазона электронных концентраций (3+1)•1013см~3 и температуре электронов Те^1кэВ.

5.Проведоны эксперименты по исследованию динамики взаимодействия плазмы токамака со стенкой вакуумной камеры в режиме адиабатического сжатия. Обнаружено, что сжатие плазмы нарастающим магнитным полем приводит к значительному уменьшению поступления примесей в плазму со стенки камеры.

6.Результаты измерений пространственного , распределения примесей е пристеночной области позволяют сделать вывод об уменьшении концентрации электронов в теш диафрагмы в режиме магнитного сжатая плазмы'.

7.Получены сведения об основшх механизмах поступления примесей в плазму в рекимах омического нагрева и магнитного сжатия плазмы.

а.Выполнены измерения флуоресцентного излучения атомов железа в пристеночной области токамака "Туман-3" в режимах с быстрый сбросом разрядного тока.

Эффект уменькэния эрозии диафрагмы б рехиме быстрого

сброса тока очень близок к наблюдаемому резкому " уменьшению эрозии диафрагмы при отрыве плазменного шнура от стенки в момент адиабатического сжатия плазмы. На основании этого сделан вывод о том, что оба упомянутых Еффекта могут иметь общую причину - отрыв плазменного шнура от диафрагмы.

9.Обнаруженное необычное поведение эрозии диафрагмы в режимах с быстрым сбросом тока рассматривается, как свидетельство появления скин-слоя с инверсным направлением тока в момент сброса тока разряда.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

I.Бураков B.C., Мошкалев С.А., Науменков П.А., Раздобарин ГЛ., Семенов В.В., Талибов В.М., Тарасенко Н.В. Применение метода резонансной флуоресценции для диагностики плазмы вблизи стенки разрядной камеры на установке "Туман-3". Письма в ЖЭГФ, 1983, Т.37, ВЫП.?, стр.308-310

2.0.И.Бужинский, В.М.Талибов, С.Н.Тугаринов, "Лазер на красителях для диагностики атомов тяжелых примесей в плазме токамака", Всесоюзное совещание "Инверсная заселенность и генерация на переходах в атомах и молекулах", р.25, Томск, 1986г.

3.Талибов В.М., Диагностика примесной и нейтральной компонент плазмы токамака методом резонансной флуоресценции. Препринт ИАЭ-4838/7, 1989г.

4.В.С.Бураков, С.Г.Гончаров, П.Я.Мисаков, П.А.Науменков, В.В.Петров, Г.Т.Раздобарин, В.В.Семенов, В.М.ТалыОов, Н.В.Тарасенко, Развитие метода резонансной "флуоресценции для диагностики нейтрального водорода в плазме крупных установок токамак, ЖПС, 1990, т.53, п.4, стр.547-551

5-Бураков B.C., Гончаров С.Г., Пекин A.B., Мисаков П.Я., Науменков П.А..Раздобарин Г.Т..Семенов В.В., Талыбов В.М., Тарасенко Н.В. Диагностический комплекс для флуоресцентных измерений концентрации водорода и атомов металлов в плазме токамака. Вопросы -атомной науки и техники. Сер. Термоядерный сиятез, 1991г., вып.I, ст.55-60.

6.Т.Ю.Акатова, С.Г.Гончаров, Г.Т.Раздобарин, Н.В.Сахаров, В.В.Семенов, Б.¡¿.Талибов, А.С.Тукачинский, Эксперименты по флуоресценции атомов железа в режимах с быстрым сбросом . тока разряду на установке "Туман-3". Прнпринг ИАЭ- 1Э93г.

■А1*ТМ 7/. «.93,. ^Г ^***