Уширение Na-D линий молекулярными газами при высоких температурах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ТЕПЛОФИЗИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

УДК 533.9.07:535.338.334

На правах рукописи

УСАЧЕВ Александр Дмитриевич

УШИРЕНИЕ N11-0 ЛИНИЙ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ ГАЗАМИ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ.

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1998

Российский Научный Центр "Курчатовский институт" Институт Ядерного Синтеза

На правах рукописи УДК 533.9.01; 621.039.626

ПИТАРОВ Александр Юрьевич

ФИЗИКА РЕКОШШРУЩЕИ ПЛАЗМЫ ДИВЕРТОРА ТОКАМАКА

Специальность: 01.04.03 - физика и химия плазмы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 1997

Работа выполнена в Институте Ядерного Синтеза Российского Научного Центра "Курчатовский Институт

Научный руководитель:

Кандидат физико-математических наук В.А. Абрамов

Официальные опоненты:

Доктор физико-математических наук ,-А.В. Недоспасов Доктор физико-математических наук Ю.Н. Днестровский

Л ■ ■

Ведущая организация:

Московский инженерно-физический институт

Защита состоится " 17 " ■ ^■¿-^¿ма} 1998г. в № часов на заседании Специализированного Совета Д.034.04.01 по физике, плазмы и управляемому термоядерному синтезу при Российском Научном Центре "Курчатовский Институт" по адресу: 123182, Москва, пл. Курчатова, тел. 196-92-51.-

С диссертацией •можно. ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".'

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного совета Л.с&^ггЗаи^ Л.И. Елизаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследований. Проблема съема тепловой энергии, выделяемой в плазме в результате термоядерных реакций, является одной из ключевых проблем в научно исследовательской и инженерной разработке проектов термоядерных реакторов на основе установки токамак (например, проекта Интернационального.Термоядерного Энергетического Реактора -ИТЭР). Общепринятым подходом к решению этой проблемы является концепция полоидального дивертора токамака. Важнейшим достижением 80-ых явилась демонстрация возможности работы полоидального дивертора токамака в режиме сильного рециклин-га. В этом режиме вблизи диверторных пластин образуется относительно плотная и холодная плазма (з-ю эВ), что позволяет значительно уменьшить скорость эрозии диверторных пластин и улучшить условия откачки гелия. Однако, проблему теплосъема данный режим не решает.

В настоящее время эксперименты практически на всех диверторных токэмаках демонстрируют возможность работы дивертора в новом режиме, с detached (оторванной от диверторных пластин) плазмой. По сравнению с режимом сильного рециклинга, detached режимы характеризуются крайне низкой температурой (а г эВ) и повышенной плотностью ю21 м-3) плазмы вблизи диверторных пластин, а также в несколько раз меньшим потоком заряженных частиц и значительно уменьшенной тепловой нагрузкой на диверторные пластины. Анализ экспериментальных данных и численное моделирование процессов переноса в диверторной плазме показывают, что по своим свойствам detached плазма является рекомбинирующей. В современном проекте ИТЭР (на стадии инженерной разработки) режим с detached плазмой принят в качестве базового рабочего режима дивертора. Необходимость всестороннего исследования нового режима и определила тему диссертационной работы.

Цель работы состоит в создании физических моделей. (и расчетных программ), которые учитывают многообразные атомно-молекулярные процессы, процессы переноса заряженных и нейтральных частиц и резонансного излучения в диверторной плазме установок токамак; а также в исследовании на основе этих моделей ряда явлений, протекающих в режимах работы токамака с рекомбинирующей плазмой в диверторе.

Научная новизна. Ниже перечислены наиболее. важные из-результатов, впервые полученных в настоящем исследовании:

1. С помощью атомно-молекулярной столкновительно-радиационной модели 'была рассчитана скорость процессов молек^лярно активированной рекомбинации в .водородной и в водородно-гелиевой плазмах для широкого диапазона параметров плазмы и газа.

■л

2. Показано, что процессы молекулярно активированной рекомбинации играют существенную -роль в балансе заряженных частиц в условиях detached ПЛЭЗМЫ На уСТЭНОВКаХ C-Mod и nagdis-ii.

3. Рассчитаны эффективные'скорости процессов перезарядки ионов на атомах с учетом ступенчатых процессов возбуждения атомов в плазме. Показано, что увеличение эффективной скорости по сравнению со скоростью перезарядки на атомах основного состояния лимитировано скоростью образования возбужденных частиц.

4.' С учетом заселения возбужденных состояний атомов эффективные скорости перезарядки многозарядных ионов могут быть сравнимы со скоростью ионизации атомов. В определенных условиях это может приводить к уменьшению зарядового состояния ионов и снижению скорости эрозии диверторных пластин.

5. Используя данные спектроскопических и зондовых измерений в диверторе токамака c-Mod, с помощью нульмерной модели диверторной плазмы был проведен многопараметрический анализ баланса частиц в плазме, который показал, что detached плазма является рекомбинирующей плазмой даже при сильной запертости излучения водорода в линиях и ь^.

6. На основе одномерной транспортной модели, самосогласованно описывающей переносы плазмы, нейтрального газа и

резонансного излучения, были исследованы условия реализации режима "газового бланкета" в диверторе токамака-реактора и получены характеристики плазмы в этом режиме.

7. С помощью метода Монте-Карло проведено двумерное моделирование переноса нейтрального газа в диверторной плазме в условиях газового бланкета. Показано, что как скорость эрозии материальных поверхностей, так и поток нейтралов из дивертора в основную камеру токамака могут иметь приемлимые для реактора значения.

Научная и практическая ценность.

■ Разработаная столкновительно радиационная модель для водородно-гелиевой плазмы позволила объяснить новое явление - молекулярно активированную ' рекомбинацию в диверторной плазме токамака. Результаты этих исследований могут быть использованы при описании поведения плазмы во многих других лабораторных низкотемпературных плазмах, как например в источниках отрицательных ионов или в мощных дуговых плазмотронах. --

Результаты численного моделирования режимов работы токамака с рекомбинирувдей плазмой в диверторе были использованы в работе международной группы по проекту ИТЭР.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Столкновительно-радиационная модель (и расчетная программа сгшю) для описания характеристик атомно-молекулярных процессов, протекающих в диверторной плазме токамака. В модели одновременно учитываются: колебательные и электронные возбужденные состояния частиц, многочисленные элементарные процессы и химические реакции, влияние статистических микрополей плазмы на квантовую структуру и скорости столкновительных' процессов атома в плазме, а также эффекты поглощения резонансного линейчатого излучения в плазме.

2. Результаты расчетов эффективной скорости молекулярно активированной рекомбинации в водородной и в водородно-гелиевой плазмах.

3. Теоретическое исследование влияния столкновительно радиационной кинетики возбуждения атомов на процессы

с

перезарядки ионов на.атомах в плазме.-

4. Моделирование спектра излучения detached плазмы установки c-Mod, результаты которого свидетельствуют о рекомбинации плазмы в диверторе и показывают, что в результате воздействия статистических микрополей плазмы формируется монотонный переход линий дискретного спектра в непрерывный спектр.

5. Анализ линейчатого спектра излучения плазм дивертора токзмзкэ c-Mod и установки nagdis-ii, результаты которого показывают, что процессы молекулярно активированной рекомбинации ИГраЮТ Важную РОЛЬ В реализации режимов С detached плазмой.

6. Результаты взаимосогласованного- моделирования процессов переноса плазмы, нейтрального газа и резонансного излучения в условиях режима "газового бланкета" дивертора токамака-реактора.

Публикации. Результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 17 печатных работах. Их список приведен в конце автореферата.

Основные результаты диссертационной работы неоднократно докладовались на европейских и международных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу, на международных совещаниях по теории пристеночной плазмы в термоядерных установках, на рабочих совещаниях международной рабочей группы по проекту ИТЭР, и на научных семинарах Института Ядерного Синтеза РНЦ "Курчатовский институт".

Структура-и объем диссертации. Диссертация состоит из введения и трех глав. Основные выводы приводятся в конце каждой главы. Работа изложена на 151 странице машинописного текста и содержит 14 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении приведено обоснование целесообразности и актуальности, проведенных в диссертационной работе исследований, сформулированы основные цели работы. Дано краткое изложение содержания диссертации.

Первая глава диссертации посвящена исследованию атомных и молекулярных процессов, протекающих при взаимодействии нейтральных частиц с диверторной плазмой токамака. В начале главы рассматриваются: различные элементарные атомно-молекулярные процессы, которые необходимо учитывать в условиях диверторной плазмы; характеристики элементарных процессов для различных квантовых состояний частиц; модели для расчета сечений ряда важных элементарных процессов; и модели самой квантовой структуры связных частиц.

Для учета влияния возбужденных состояний частиц на процессы, протекающие при взаимодействии связных частиц с плазмой, широко используются столкновительно-радиационные (СР) модели. Начало развитию таких моделей дала модель, разработанная в [Ц1]. Исследование физических процессов, протекающих в диверторе, поставило новые задачи, которые потребовали дальнейшего развития столкновительно-радиационных моделей. В настоящей работе создана новая СР модель, которая является многосортовой, атомно-молекулярной и одновременно учитывает эффекты, которые связаны с воздействием статистических микрополей плазмы на атомы и с захватом линейчатого излучения в плазме.

Компьютерной реализацией модели является многоцелевая программа сиаито. Она может использоваться как подпрограмма для сложных многомерных программ, моделирующих перенос плазмы и нейтрального газа в диверторе токамака. Расширенная версия программы сиамо предназначена для получения подробной информации о характеристиках атомно-молекулярных процессов и для детального моделирования спектров излучения плазмы.

В §1.1 на основе столкновительно-рэдиационной модели

проведено исследование влияния ступенчатых процессов возбуждения на динамику нейтральных атомов водорода в диверторной плазме. Впервые рассчитана эффективная скорость резонансной перезарядки (РП) протонов на атомах водорода в условиях, плазменной среды. Показано, что отличие эффективной скорости РП от скорости перезарядки иона на атоме основного состояния сравнительно невелико: увеличение скорости ограничено скоростью образования возбужденных атомов в плазме. Разработанная модель позволяет также определить отклонение функции распределения (по скоростям частиц) возбужденных атомов от функции распределения атомов основного состояния в результате процесса резонансной перезарядки атомов на ионах плазмы. В достаточно плотной плазме значительная доля возбужденных атомов испытывает перезарядку и приобретает локальную функцию распределения ионов плазмы. Этот эффект необходимо учитывать в анализе распределения скоростей атомовов в плазме по Допплеровскому профилю спектральной линии излучения атома.

В §1.1.3 обсуждаются результаты расчетов, которые показывают, что присутствие в плазме возбужденных атомов приводит к сильному увеличению эффективных скоростей нерезонансной перезарядки примесных ионов на атомах водорода. По приведенным оценкам, при взаимодействии тестового многозарядного иона примеси с облаком плотного нейтрального газа, которое образуется вблизи ^диверторных пластин в режимах с detached плазмой и в pemiikax .с сильным рециклингом, необходимо происходит уменьшение зарядового состояния примесного иона, что, в свою очередь, - может значительно уменьшать скорость эрозии приемных пластин.

В §1.2 рассмотрена полная система квазистационарных уравнений столкновительно-радиационной кинетики, которая

/ + + — ч

включает различные частицы водорода (н, н2, н2, hJ, н ) и которая учитывает многочисленные колебательные и электронные возбужденные уровни водородных частиц. Далее в §1.4 рассмотрена еще более сложная (многосортовая) модель, необходимая для исследования физических и химических процессов в водородно-гелиевой плазмы.

В §1.3 исследуется новое физическое явление в низкотем-

пературной диверторной плазме, которое было названо "молекулярно активированной рекомбинацией" (MAP) шазмы. С помощью кода cramd впервые были рассчитаны значения эффективной скорости MAP в плазме. В чисто водородной плазме с параметрами, типичными для современного диверторного

О Г) О Л -»"Ч

эксперимента: т =1-2 эВ и ne=io -icr м , эффективная скорость MP достигает достаточно больших значений: (1-2) х ю-10 см3/с, и превышает в 30-100 раз скорость обычной электрон-ионной рекомбинации плазмы. Кроме того, эффективная скорость MAP, в сравнении со скоростью трехчастичной рекомбинации, имеет значительно более слабую температурную зависимость и уменьшается с ростом плотности плазмы. Следует ожидать, что уже при плотности молекул в несколько процентов от плотности плазмы в диверторе, молекулярно активированная рекомбинация будет оказывать заметное влияние на материальный баланс плазмы, а при больших концентрациях молекул MAP будет доминирующим процессом. Простые оценки для условий detached плазмы в диверторе токамака c-Mod показывают, что процесс MAP может играть важную роль, позволяя достаточно просто объяснить экспериментальные результаты, такие как уменьшение плотности плазмы вблизи диверторных пластин и снижение потока плазмы на пластину.

Анализ экспериментальных данных по взаимодействию потока низкотемпературной гелиевой плазмы с нейтральным газом в установке nagdis-ii (установка моделирует плазмофи-зические условия detached дивер.тора токамака), проводится в §1.4. Эксперименты указывают на то, что напуск молекулярного водорода в гелиевую плазму приводит к молекулярно активированной рекомбинации и, тем самым, к сильному уменьшению плотности плазмы и снижению штока ионов на нейтрализирующую пластину. В анализе экспериментальных данных использовался код cramd. С его помощью были рассчитаны интенсивности спектральных линий серии Бальмера водорода и гелия для различных механизмов образования возбужденных атомов в плазме. Сравнение экспериментальных и расчетных данных показало, что именно MAP, а не трехчастичная рекомбинация или возбуждение атомов из основного состояния, приводит к наблюдаемому распределению интенсивности линий в Бальмеровс-

ких сериях атомов гелия и водорода. Таким образом, MAP

ЯВЛЯеТСЯ ДОМИНИРУЮЩИМ Процессом В реализации detached

режимов в плазме из смеси водорода и гелия.

Современные представления о том, что detached плазма, образующаяся в диверторе токамака, является рекомбинирующей плазмой основаны прежде всего на экспериментальных данных. Основное экспериментальное подтверждение рекомбинации плазмы дает анализ спектров излучения, исходящих из диверторной плазмы, и данных зондовых измерений на диверторных пластинах. Впервые такой анализ был дан в [Ц2] для токамака c-Mod. Вторая"глава посвящена углубленному анализу экспериментальных данных, полученных на установке c-Mod, в поддержкуv рекомбинационного состояния detached плазмы в диверторе. ^

Для исследования характеристик detached плазмы в л диверторе на основе спектроскопических измерений • была разработана расширенная столкновительно-радиационная модель (одна из версий программы cramd). С е_е помощью можно проводить детальное моделирование линейчатого и непрерывного спектров излучения, исходящих из низкотемпературной и плотной плазмы. Для более точного описания спектра вблизи границ фоторекомбинации, в модели учитывается влияние статистических микрополей плазмы на квантовую структуру атома (§2.2.1) и на скорости столкновительных процессов атома в плазме (§2.2.2). Основные механизмы уширения, которые .учитываются в расчетах формы спектральных линий, рассматриваются в §2.2.3.-В том же параграфе изложен метод расчета спектральных характеристик расширенного фоторекомби-национного континуума. В §2.2.4 рассмотрена простая диффузионная модель переноса линейчатого излучения, на основе которой вычисляются вероятности выхода излучения за пределы оптически плотной области плазмы. Отметим, что в расчетах линейчатого спектра учитываются также различные процессы образования возбужденных атомов в плазме, включая и те процессы, которые приводят к молекулярно активированной рекомбинации плазмы.

Эксперименты с detached плазмой в диверторе установки c-Mod показывают, что вблизи диверторных пластин образуется

специфическая область плазмы с малым попераотым размером (около 1 см), которая дает основной вклад в излучение плазмы, связанное с ионами и атомами рабочего газа. Результаты моделирования спектров излучения этой области дивертор-ной плазмы с помощью программы cramd обсуждаются в §2.4. Здесь показано, что в исследованном разряде в' сильно излучающей области: (а) температура плазмы была крайне низка, те=о,э эВ, а плотность плазмы достигала 2 х ю21 м~3; (в) заселенности высоко возбуж денных состояний атомов дейтерия с п>з были равны равновесным заселенностям в распределении Саха-Больцмана и трехчастичная рекомбинация плазмы была основным механизмом заселения данных квантовых состояний; (с) сток заряженных частиц за счет ступенчатой электрон-ионной рекомбинации был сравним с потоком ионов плазмы на нейтрализирующие пластины. Полученные результаты характеризуют область рекомбинирующей плазмы.

Спектры, исходящие из плазмы большой плотности, обладают важными отличительными чертами ДО]. Свой отпечаток в спектрах имеют физические процессы, связанные с воздействием статистических плазменных микрополей на излучающий атом. Влияние микрополей плазмы на заселенности возбужденных уровней в плазме исследуется в §2.3. В §2.4 проведено моделирование измеренного спектра Бальмера и показано, что в этом спектре под воздействием статистических плазменных микрополей формируется монотонный переход дискретного спектра в непрерывный спектр излучения плазмы.

Рекомбинация плазмы, происходящая в малой области дивертора, приводит к значительному росту плотности атомов рабочего газа.' В свою очередь, при больших концентрациях нейтрального газа происходит частичный захват резонансного линейчатого излучения атомов, что оказывает влияние на скорости ступенчатых процессов рекомбинации и ионизации в этой области. Количественная оценка эффекта захвата резонансного излучения в detached диверторе c-Mod дается в §2.5. Здесь проведено моделирование интенсивности линий в сериях Лаймана и Бальмера для разряда, в которым наблюдалось максимальное отклонение отношения интенсивностей излучения линий и дейтерия от их статистического отношения.

Показано, что при измеренном относительном уменьшении интенсивности линии в о,45 раза, интенсивность линии ьа падает почти в 22 раза по сравнению с ее интенсивностью в случае оптически прозрачной плазмы. Тем не менее, даже при столь сильном захвате резонансного излучения рекомбинацион-ный сток заряженных частиц в объеме дивертора составляет значительную долю ( 40%) от потока плазмы на нейтрализующую пластину.

В §2.6 проводится детальный анализ. вклада различных механизмов образования возбужденных атомов в интенсивности, линий серии Лаймана в спектрах, измеренных в разрядах c-Mod с detached плазмой. Получены результаты, подтверждающие присутствие процессов молекулярно активированной рекомбинации в диверторной плазме токамака. Показано, что, хотя относительный вклад процессов MAP в излучение\ спектральных линий невелик (10% в^ и 20% в Da) по сравнению со вкладом обычно учитываемых в спектральном анализе механизмов образования возбужденных атомов, только с учетом этих процессов можно добиться согласия между расчетным и экспериментальным спектрами. Исследование баланса частиц плазмы показало, что сток заряженных частиц за счет MAP сравним со стоком плазмы за счет процессов электрон-ионной рекомбинации.

Третья глава посвящена самосогласованному моделированию переноса плазмы и нейтрального газа в режимах с рекомбини-рующей плазмой в диверторе. В-начале главы дается качественный анализ различных режимов работы дивертора, показывающий что по мере увеличения давления рабочего газа в диверторе (например, при уменьшении скорости откачки) происходит последовательная смена режимов. Режим с сильным рециклингом сменяется режимом с detached плазмой и, далее, дивертор переходит в режим со сверхплотной плазмой, известный также как режим "газового бланкета" (ГБ). В §3.1 изучаются режимы газового бланкета, в которых происходит полное переизлучение теплового потока плазмы и сверхплотная плазма практически полностью рекомбинирует в диверторе, а в §3.2 рассматрдаают-ся detached плазмы относительно меньшего давления.

В §3.1.1 анализируются плазмофизические условия, необ-

холимые для реализации режима^газового бланкета в диверторе токамака-реактора ИТЭР. Важнейшим параметром, определящим возможность работы дивертора в режиме ГБ, является плотность плазмы лз на сепаратриссе - естественной границе шнура плазмы. Сначала, опираясь на данные двухмерного' численного моделирования переносов плазмы и газа в режиме сильного рециклинга дивертора ИТЭР и на данные главы 2, обсуждается общая картина физических процессов, протекающих в диверторе. При увеличении плотности плазмы N до уровня, сравнимого со

9 о —"ч

средней плотностью плазмы в шнуре <ке>«1,25 1<г м , температура плазмы в глубине дивертора спадает до т,«1 эВ, плот-

7 2 —3

ность плазмы увеличивается до N3*10" м , и излучательная способность такой плазмы достаточна для переизлучения значительной доли -кондуктивного теплового потока плазмы в дивер-тор. С помощью скейлингов диверторной плазмы в §3.1.1.1 устанавливается взаимосвязь между параметрами плазмы на сепаратриссе и в диверторе, что позволяет экстраполировать результаты двумерного моделирования режимов с' сильным рецик-лингом (низкие м ) в область значений N >. В §3.1.1.2 рассматриваются особые свойства сверхплотной плазмы, образующейся при мз«<ые> в той области дивертора, где происходит переизлучение кондуктивного теплового потока. Обосновывается, что плазма в этой области находится в состоянии близком к локальному термодинамическому равновесию (ЛТР).

В дальнейшем исследовании режимов газового бланкета были использованы одномерная модель переноса плазмы и атомов рабочего газа (§3.1.2) и одномерная модель переноса резонансного излучения (§3.1.3), в которых используется приближение ЛТР плазмы для переизлучающей области.

Результаты численного моделирования режимов газового бланкета в диверторе обсуждаются в §3.1.4. С помощью одномерной модели переноса плазмы и атомарного газа вдоль силовых линий магнитного поля в диверторе, получена зависимость величины переизлученного потока тепла в дивертореот давления плазмы на сепаратриссе. Показано, что для параметров ИТЭР при концентрациях плазмы на сепаратриссе N=<11^ происходит полное переизлучение теплового потока плазмы и одновременно практически полная рекомбинация плазмы в объеме

дивертора (то есть, реализуются основные условия режима газового бланкета) в случае, если поперечная температуропроводность плазмы описывается обычно принятыми скейлингами (Бомовским скейлингом или скёйлингом кх= const).

Далее в §3.1.4 изучается влияние переноса резонансного излучения водородной плазмы на характеристики диверторной плазмы в режиме газового бланкета. Проведено самосогласованное моделирование переносов плазмы и резонансного излучения. Показано, что несмотря на сильную запертость линии l , потери энергии плазмы, обусловленные уходом резонансного излучения, оказываются достаточно большими и превышают - энергетические потери за счет излучения других типов, например, фоторекомбинационного. При одних и тех же значениях параметров плазмы на входе в дивертор. учет переноса резонансного излучения позволяет в 2-3 раза увеличить обще излучательные энергопотери плазмы. Наконец, при фиксированном значении кондуктивного потока тепла в дивертор, режимы газового бланкета реализуются с учетом переноса резонансного излучения "атомов при вдвое меньшем давлении, чем это имеет место в случае, когда энергопотери в резонансной линии не учитываются.

В §3.1.5 рассмотриваются инженерно-физические аспекты, ' связанные с реализацией режима газового, бланкета в диверторе ИТЭР. С помощью двухмерного кода, моделирующего перенос нейтрального газа в сверхплотной плазме методом Монте-Карло, рассчитываются значения скорости эрозии материальных поверхностей диверторного канала и обратного потока атомов в основную плазму токамака.. Показано, что важную роль в работе дивертора играет "шуба" область дивертора между стенками диверторного канала и керном (керн - слой плотной плазмы, в котором происходит перенос основного теплового потока плазмы на пластину), заполненная относительно менее плотной (з х

л О

ю м ) и холодной (~i эВ) плазмой. Плазма шубы достаточно эффективно экранирует стенки канала от попадания на них горячих атомовов перезарядки и, в результате, эрозия стенок оказывается незначительной. Поток быстрых атомов из дивертора в основную плазму токамака может быть уменьшен до уровня потока ионов из основной плазмы.

Наконец, в §3.2 описана•одномерная транспортная модель, с помощью которой исследуется перенос диверторной плазмы в приближении равномерного распределения параметров нейтрального газа в диверторной камере. Основное внимание уделено изучению роли различных процессов объемной рекомбинации плазмы в реализации режимов detached плазмы. В расчетах задавались: давление плазмы pu и потоки частиц и тепла плазмы на входе в дивертор, значения которых были близки к значениям соответствующих параметров в реакторе ИТЭР. Плотность нейтрального газа в диверторе определялась самосогласованно из решения уравнений и предполагалось, что концентрации атомов и молекул в диверторе одинаковы. Показано, что если в данной модели учитываются процессы рекомбинации плазмы, то переход к низко температурной (1-2 эВ) плазме вблизи диверторной пластины сопровождается - как это и должно быть в detached режимах - значительным уменьшением как потока заряженных частиц на приемную пластину, так и давления плазмы вблизи пластин. Чем меньше давление плазмы р , при котором реализуются detached .режимы, тем большую роль играет молекулярно активированная рекомбинация плазмы. Так при pu=2,5 ю21 эВ/м3 сток заряженных частиц за счет MAP более чем на порядок превышает сток за счет электрон-ионной рекомбинации и составляет около 30% от полного числа ионизаций в диверторе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

. В диссертации разработан ряд физических моделей и расчетных программ, которые учитывают многообразные атомно-молекулярные процессы, процессы переноса заряженных и нейтральных частиц, а также перенос резонансного излучения в диверторной плазме установок токамак. На основе этих моделей исследован комплекс явлений, протекающих в рекомбинирующей плазме давертора токамака.

С помощью атомно-молекулярной столкновительно-радиационной модели изучены процессы молекулярно активированной рекомбинации в водородной и в водородно-гелиевой плазмах.

Проведен анализ экспериментальных данных установок

C-Kod и NAGDIS-II, который П0КЭЗЭЛ, ЧТО detached ПЛЭЗМа дивертора является рекомбинирующей плазмой и что процессы молекулярно активированной рекомбинации играют существенную роль в балансе заряженных частиц в диверторной области.

Проведено теоретическое исследование влияния столкновительно-радиационной кинетики возбуждения атомов на процессы перезарядки ионов на атомах в плазменной среде.

На основе одномерной транспортной модели, самосогласованно описывающей. переносы плазмы, нейтральных атомов и резонансного излучения, исследованы условия реализации режима "газового ■ бланкета" в диверторе токамака-реактора и получены характеристик плазмы в этом режиме.

\

Основные результаты\изложены в следующих публикациях:

[1] A.Yu. Pigarov, S.I. Krasheninnikov // Phys. betters A. 1996. V.222. P.251-257.

[2] S.I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov, D.J. Sigraar // Phys. Letters A. 1996. V.214. P.285-291.

[3] B.A. Абрамов, B.C. Лисица, А.Ю. Пигаров // Письма в •ЖЭТФ. 1985. Т.42. ВЫП.7. стр.288-290.

[4] С.И. Крашенинников, B.C. Лисица, А.Ю. Пигаров // Физика Плазмы. 1988. т.14. вып.9. стр.1046-1052.

[5] S.I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov, D.A. Knoll, By LaBombard,* B. Lipshultz, D.J. Sigroar, Т.К. Soboleva, J.L. Terry, F. Wising // Phys.- Plasmas. 1997. V.4. P.1638-46.

£6] N.,Ezumi, N. Ohno, Y. Uesugi, J. Park, S. Watanabe, S.A. Cohen, S.I. Krasheninnikov, A. Yu. Pigarov, M. Takagi // Studies on Plasma-Gas Interactions in Powerful High Heat 'Flux Plasma Device NAGDIS-II / Proceedings of the 24-th European Phys. Soc. on Controlled Fus. and Plasma Phys. Berchtesgaden. ^Germany. June 1997. V.21A. Part III. P.1225-. 1228.

[7] N. Ohno, N. Ezumi, K. Aoki, S. Takamura, S.I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov //Experimental Evidence- of Molecular Activated Recombination in Detached Recombining Plasmas.

. Phys. Rev. Letters. 1997.* (submitted). ''

[8] Т.К. Soboleva, -E.. Cruz, S.I. Krasheninnikov, A.Yu.

Pigarov / / Plasma. Parameters and Detachment in Divertor Simulators / Proceedings of the 24-th European Phys. Soc. on Controlled Fus. and Plasma Phys. Berchtesgaden. Germany. June 1997. V.21A. Part III. P.1053-1056.

[9] A. Yu. Pigarov, J.L. Terry, B. Lipshultz // Study of the Balmer Spectrum Near Photo-recombination Edge in Alcator C-Mod Divertor Plasmas [ Proceedings of the 24-th European Phys. Soc. on Controlled Fus. and Plasma Phys. Berchtesgaden. Germany. June 1997. V.21A. Part II. P.577-580.

[10] A. Yu. Pigarov, J.L. Terry, B. Lipshultz // Study of Discrete-to-Continuum Transition in a Balmer Spectrum from Alcator C-Mod Divertor Plasmas. PSFC/JA-97-26. MIT. Cambridge MA 02139 USA. 1997.

[11] J.L. Terry, B. Lipshultz, A.Yu. Pigarov, S.I. Krashe-ninnikov, B. LaBombard,\ D.. Lumma, H. Ohkawa, D. Pappas // Volume Recombination and Opacity in Alcator C-Mod Divertor Plasmas. PSFC/JA-97-25. MIT. Cambridge MA 02139 USA. 1997. To be published in Phys.Plasmas (1998).

[ 12 ] S. I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov // Proceedings of 11th International Conference on Plasma Phys. Contr. Nucl. Fus. Research (Kyoto. 1986). IAEA-CN-47/H-III-10. 1987. V.3. P.387-394.

[13] A.Yu. Pigarov, V.A. Pozharov, N.G. Popkov // Two Dimensional Multi-fluid Modeling of the IDEAL Plasm^. Report RRC "Kurchatov Institute. IAE-5680/6. Moscow. 1993.

[14] С.И. Крашенинников, А.Ю. Пигаров // Газовый бланкет в диверторе токамака-реактора / сборник "Пристеночные процессы в термоядерных установках". Под ред. В.Г. Тельковского. Москва. Знергоатомиздат. 1991. С.7-22.

[15] S.I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov // Contrib. Plasma Phys. 1988. V.28. P.443-447

[16] S.I. Krasheninnikov, A.Yu. Pigarov, Т.К. Soboleva, D.J. Sigmar // Journal of Nuclear Materials. 1997. V.241/243. P.283-287.

[17] P.J. Catto, S.I. Krasheninnikov, D.J. Sigmar, R.D. Hazeltine, P. Helander, D.A. Knoll, A.Yu. Pigarov, O.V. Batishchev, X.Q. Xu, J.A. Byers, R.H. Cohen, T.D. Rognlien, Т.К. Soboleva, A.A. Batishcheva // Tokamak edge Physics and

Modeling / Proceedings of 16th Intern. Conference on Fusion Energy (Montreal. 1996). IAEA-CN-64/DP-13. 1997. V.2. P.609.

Цитированная литература.

[Ц1] D.R. Bates, A.E. Kingston, R.W.P. McWhirter // Procl. Roy. Soc. A. 1962. V.267. P.297-310; V.270. P.155-63. [Ц2] D. Lumraa, J.L. Terry, B. Lipshultz // Phys. Plasmas. 1997. V.4. P.2555-2566.

[ЦЗ] v.E. Fortov; I.T. Yakubov // Physics of Nonideal Plasma. / New-York. Hemisphere Pub. Corp. 1990. Chapter 7.

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ТЕПЛОФИЗИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

УДК 533.9.07:535.338.334

На правах рукописи

УСАЧЕВ Александр Дмитриевич

УШИРЕНИЕ ¡Ча-/9 ЛИНИЙ МОЛЕКУЛЯРНЫМИ ГАЗАМИ ПРИ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ.

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

профессор, д.т.н. Нефедов А.П. с.н.с., к.ф.-м.н. Синелыциков В.А.

Москва - 1997

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................ 5

ГЛАВА 1. Теоретические основы уширения спектральных линий.

1.1. Основные механизмы уширения спектральных линий. ... 11

1.2. Форма спектральных линий при столкновительном уширении в классической теории....................................... 16

1.2.1. Уширение спектральных линий при неадиабатических взаимодействиях.......................... 17

1.2.2. Уширение спектральных линий при адиабатических взаимодействиях.............................. 19

1.2.3. Схема адиабатических термов для системы Ш(3£ЗР)-Молекула................................................... 25

1.2.4. Задача о восстановлении адиабатических потенциалов взаимодействия по контурам спектральных линий............................................................................ 28

1.3. Формы представления профиля спектрального крыла....... 29

1.4. Выводы по Главе 1................................................................ 32

ГЛАВА 2. Экспериментальные исследования крыльев спектральных линий щелочных атомов -литературный обзор.

2.1. Методы исследований редуцированных профилей

атомных спектральных линий..........................................................................................33

2.2. Исследование уширения линий щелочных атомов инертными газами..................................................................................................................................36

2.3. Исследование уширения линий щелочных атомов молекулярными газами..................................................................................................................44

2.4. Выводы по Главе 2................................................................................................................................50

ГЛАВА 3. Экспериментальная установка и методика измерения абсолютных значений редуцированного коэффициента поглощения.

3.1. Уширяющая среда и ее источник........................................ 52

3.1.1. Конструкция модифицированной горелки Меккера

и система газоснабжения........................................... 54

3.1.2. Принципы выбора состава уширяющих сред........... 58

3.1.3. Расчетные и экспериментальные параметры

горючих смесей и продуктов их сгорания................ 60

3.2. Методика измерения редуцированного коэффициента поглощения........................................................................... 63

3.2.1. Схема оптических измерений.................................... 64

3.2.2. Методика измерения коэффициента поглощения и температуры пламени................................................. 68

3.2.3. Методика измерения концентрации натрия в пламени....................................................................... 70

3.2.4. Определение лоренцевских ширин линий и

их температурная экстраполяция.............................. 74

3.2.5. Погрешность определения абсолютных значений профилей редуцированного коэффициента поглощения................................................................. 80

3.3. Выводы по Главе 3........................................................... 83

ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований редуцированного коэффициента поглощения.

4.1. Уширение дублета молекулами N2, О2, СО2 и Н2О -общий анализ........................................................................ 84

4.2. Поведение исследуемых профилей в области с преимущественно ударным механизмом уширения спектральны линий.............................................................. 86

4.3. Профили далеких крыльев дублета при уширении молекулами N2...................................................................... 93

4.3.1. Сравнение наших экспериментальных результатов

с известными литературными данными.................... 93

4.3.2. О возможном влиянии неадиабатических переходов

на квазистатическое крыло........................................ 95

4.3.3. Концепция эффективных потенциалов атом-молекулярных взаимодействий для расчетов квазистатических профилей...................................... 98

4.4. Профили далеких крыльев Na-D дублета при уширении

молекулами N2, О2, СО2 и Н2О - сравнительный анализ. 100

4.5. Влияние температуры среды на квазистатические крылья

Na-D дублета при уширении молекулами СО2 и Н20...... 105

4.6. Определение параметров эффективных атом-

молекулярных потенциалов Na^S^^)«-» О2, С02, Н2О

по квазистатическим крыльям............................................. 111

4.6.1. Определение параметров эффективных атом-молекулярных потенциалов взаимодействия Na(3S,3P)^N2............................................................. 112

4.6.2. Определение параметров эффективных атом-молекулярных потенциалов взаимодействия Na(35,3P)o02............................................................. 115

4.6.3. Определение параметров эффективных атом-молекулярных потенциалов взаимодействия Na(35,3P)oC02.......................................................... 116

4.6.4. Определение параметров эффективных атом-молекулярных потенциалов взаимодействия Na(3S,3P)<->H20.......................................................... 120

4.7. Выводы по Главе 4................................................................ 124

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................... 127

ЛИТЕРАТУРА...................................................................................... 132

♦

ВВЕДЕНИЕ

Исследования контуров спектральных линий (как в центре

линии, так и на ее периферии) имеют важное научное и практическое значение. С одной стороны, они являются ценным (и часто единственным) источником информации о потенциалах взаимодействия атомов и молекул в основном и в возбужденном состояниях [1-3], позволяют исследовать динамику химических реакций [4-8], внутримультиплетные переходы при столкновении возбужденного атома с различными атомными частицами [9,10], ионизационно-рекомбинационные процессы [11] и др. Все эти исследования тесно связаны с поисками новых квантовых систем для перспективных эксимерных лазеров [12]. С другой стороны, точные количественные данные о профилях спектральных линий (С/7) служат основой для расчетов в теории переноса излучения и ее приложений к задачам диагностики, радиационного теплообмена и т.д. [13]. Теоретические модели, описывающие контур С/7, в общем случае очень сложны [1420], так как требуют учета многих факторов: детальной структуры взаимодействующих молекул [21], изменения правил квантования при различных энергиях взаимодействия [22], кривизну траекторий [23], функцию распределения частиц по скоростям [24-25] и т.д. Реально контуры СЛ всегда описываются в том или ином приближении (особенно в крыльях С/7), а основным источником информации о крыльях СЛ продолжают оставаться экспериментальные данные.

Резонансные СЛ щелочных металлов являются удобным объектом для экспериментальных и теоретических исследований ввиду их низкого потенциала возбуждения, удобного спектрального диапазона и простоты структуры валентной электронной оболочки, что позволяет строить относительно простые теоретические аппроксимации рассматриваемых атом-молекулярных взаимодействий. К настоящему времени наиболее полно исследованы профили СЛ атомов щелочных металлов при уширении одноатомными инертными газами [22]. Значительно меньшее число работ посвящено изучению уширения спектральных линий атомов щелочных металлов молекулярными газами, хотя молекулы позволяют реализовать гораздо более широкий диапазон видов атомных взаимодействий.

Данная работа посвяшена экспериментальному исследованию уширения линий ( 5890 / 5896 А) молекулярными газами, а

именно - N2, О2, СО2 и Н2О при высоких (1750 4- 2550 К) температурах на спектральном расстоянии 3 -г- 4000 см"1 от центра СД что включает в себя как область с преимущественно ударным, так и область с чисто квазистатическим механизмами уширения СЛ [1]. При интерпретации полученных профилей основной акцент был сделан на квазистатические крылья (область частотных расстроек > 100 см"1), в то время как теоретическое рассмотрение центра СЛ и ее близких крыльев дается в основном для метрологического обеспечения измерений концентрации натрия методом полного поглощения.

Выбор натриевого дублета был обусловлен:

• наличием экспериментальных работ, посвященных исследованию уширения далеких крыльев Л-линий натрия атомами инертных газов и молекулами N2 и частично Н2О, что позволило сопоставить полученные данные с литературными в перекрывающихся областях экспериментальных условий с целью тестирования применяемой нами методики измерений, а также обоснованно перенести уже апробированные методы теоретического описания контуров СЛ на новые типы уширяющих атомных частиц (молекул);

• тем, что сопоставление данных, полученных различными методиками при одинаковых экспериментальных условиях и одинаковыми методиками при различных экспериментальных условиях, позволяет сделать дополнительные выводы о характере исследуемых процессов;

• промежуточным положением атома натрия в ряду щелочных металлов, что дает основание предположить о подобном характере спектральных закономерностей в контуров СЛ других щелочных металлов.

• широким применением натрия для оптической диагностики плазмохимических и высокотемпературных установок при исследовании различных кинетических процессов;

• применением натрия в существующих и перспективных технических устройствах, использующих его оптические свойства, например, в газоразрядных лампах и лазерах с солнечной накачкой [26].

Выбор уширяющих молекул, а именно - N2, О2, С02 и Н2О был

обусловлен следующими причинами:

• в своей совокупности они обладают достаточно разнообразным набором физических и химических свойств, что позволяет определить вклад в уширение СЛ различных видов атом-молекулярных взаимодействий - дисперсионных, индукционных, кулоновских, а также взаимодействий, обусловленных водородной связью;

• молекулы N2, О2, СО2 и Н2О - компоненты продуктов сгорания углеводородных топлив в воздухе, что позволит применять полученные данные при диагностике плазмы продуктов сгорания произвольного состава с щелочной присадкой

Целью диссертационной работы являлось экспериментальное определение редуцированного коэффициента поглощения в крыльях Б линий, уширенных однокомпонентными молекулярными газами - N2, О2, СО2, Н2О - при различных температурах в возможно более широком диапазоне частотных расстроек от центра СД а также теоретическая интерпретация полученных профилей и зависимостей на основе упрощенных моделей потенциалов атом-молекулярных взаимодействий.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• разработана и создана экспериментальная установка для генерации устойчивых однородных ламинарных пламен со специальным химическим составом в широком диапазоне температур, в частности, впервые использована горючая смесь (2Н2+О2+ХН2О) для получения пламени, состоящего из молекул воды и продуктов их термического распада в диапазоне 1700-г2700 К;

• разработана методика измерения редуцированного (приведенного) коэффициента поглощения в широком интервале частотных расстроек от центра СЛ - от 2.5 до 4000 см"1;

• впервые измерен редуцированный коэффициент поглощения в крыльях №-/) линий при уширении молекулами С>2, СО2 и Н2О на спектральном расстоянии от 2.5 до 4000 см"1 от центра СЛ;

• впервые определена температурная зависимость редуцированного коэффициента поглощения в крыльях линий при уширении молекулами СО2 и Н2О;

• для объяснения наблюдаемых величин редуцированного коэффициента поглощения в далеких крыльях линий предложены эффективные потенциалы взаимодействия №(35,ЗР)-атомов с молекулами О2, С02 и Н2О типа Леннарда-Джонса.

Научная и практическая ценность работы состоит в том, что

полученные результаты:

• охватывают новый класс уширяющих атомных частиц - молекул, которые проявляют качественно новые эффекты уширения СЛ по сравнению с эффектами уширения одноатомными инертными газами; в частности, получены данные о величине водородной связи между атомом № и молекулой Н2О, приводящей к аномально высокой интенсивности далекого красного крыла №-/) дублета;

• служат достаточной основой для проверки различных теоретических подходов в описании профилей СЛ и моделей атом-молекулярных взаимодействий Ма(35,ЗР)-атомов с рассматриваемыми молекулами,

или для определения количественных параметров атом-молекулярных потенциалов в рамках выбранных моделей взаимодействия;

• дают возможность рассчитать абсолютный коэффициент поглощения в плазме продуктов сгорания произвольного состава с натриевой присадкой в широком спектральном и температурном интервалах.

На защиту выносятся:

1. Экспериментальная установка для генерации устойчивых однородных ламинарных пламен со специальным химическим составом в широком диапазоне температур.

2. Методика измерения редуцированного коэффициента поглощения в широком интервале частотных расстроек от центра СЛ.

3. Результаты исследования редуцированного коэффициента поглощения в крыльях Ка-/) линий при уширении молекулами N2, 02, С02 и Н20.

4. Эффекты влияния температуры уширяющей среды на величину коэффициента поглощения в крыльях линий при уширении молекулами СО2 и Н2О.

5. Эффективные потенциалы взаимодействия МаСЗ^ЗР)-атомов с молекулами Ог, СО2 и Н2О типа Леннарда-Джонса.

Работа выполнена в Отделе физики низкотемпературной плазмы

Научно-исследовательского центра теплофизики импульсных

воздействий Российской академии наук.

♦

и

спектральных линии.

/. /. Основные механизмы ifiu.ufteH.usL спеюп/гальных линий.

Существуют три основные причины уширения атомных

спектральных линий (С/7), излучаемых или поглощаемых газами или плазмой [27]:

1. Естественное уширение энергетических уровней излучающего (поглощающего) атома, приводящее к естественному уширению СЛ;

2. Тепловое движение излучающих (поглощающих) атомов, приводящее к доплеровскому уширению СЛ;

3. Взаимодействие излучающего (поглощающего) атома с окружающими частицами (атомами, молекулами, ионами, электронами), приводящее к столкновителъному уширению СЛ.

Распределение интенсивности излучения (или поглощения) по частоте в пределах данной уширенной спектральной линии описывается функцией которая называется форм-фактором спектральной

линии или просто формой линии. Эта функция нормирована:

(1.1)

Спектральная линия, излучаемая неподвижными и невозмущенными атомами, всегда имеет конечную естественную (натуральную) ширину, связанную с конечностью времени жизни возбужденных состояний атомов. В этом случае, как с точки зрения классической электродинамики, так и с точки зрения квантовой механики анализ спектра излучения СЛ приводит к так называемой лоренцевской (дисперсионной) форме функции 5(у)

= --—--г, (1.2)

1% (6Уы / 2) + (у - У0)

где, в случае резонансных линий, ¿Н^г = ШкТц - ширина лоренцевского профиля v) на уровне 0.5 от максимального значения при V = Иь Т21 - время жизни возбужденного состояния. Для и №-£2 линий

= 16 не, а естественные ширины составляют -10 МГц или 0.12 мА.

Доплеровское уширение описывается известной формулой

2-\Лп2 , = ~-Г'ехр 1

2л/1п2(У-У0)

5У0

(1.3)

Здесь

у. = 81,2-ДГ

с v М с у [I

- ширина доплеровского профиля на уровне 0.5 от максимального значения при V = Уо, Т - поступательная температура излучающих атомов, к - постоянная Больцмана, М - масса излучающего атома, Я -универсальная газовая постоянная, // - молярный вес излучающих

атомов. Для Na-Di,2 линий при температуре пламени Тш = 2000 К величина ovo составляет 3.4 ГГц или 39 мА.

Столкновителъное уширение наиболее существенно в нашем рассмотрении. Под столкновительным уширением мы понимаем все уширяющие эффекты, обусловленные взаимодействиями излучающего (или поглощающего) атома с окружающими атомными частицами -атомами, молекулами, электронами, ионами и т.п. В зависимости от типа атомных частиц, возмущающих излучающий (поглощающий) атом, можно составить следующую классификацию типов уширяющих процессов:

В работе [28] было показано, что из перечисленных процессов в условиях наших пламен существенными являются только

адиабатические и неадиабатические столкновения с молекулами постороннего газа.

Существующие теории столкновительного уширения CJI можно разделить на две главные категории: квазиклассические и квантовомеханические.

Квазиклассические теории основываются на концепции классических траекторий возмущающих частиц, в то время как внутренние состояния частиц, а также потенциалы взаимодействия описываются квантовомеханическим образом. Такое смешение методов и привело к появлению приставки "квази". Для упрощения изложения мы далее не будем пользоваться этой приставкой. Классические теории наглядны и во многих предельных случаях имеют конечные аналитические выражения. Их основным недостатком являются трудности при описании промежуточных случаев.

Квантовомеханические теории формально способны рассматривать самые общие случаи взаимодействия атомных частиц и описывать весь профиль СЛ. В этих теориях излучающий (или поглощающий) атом и возмущающие частицы рассматриваются как единая квантовомеханическая система, описываемая уравнением Шредингера. При этом профиль СЛ