Система для измерения энергетического распределения атомов, покидающих плазму, в установках токамак
Владельцы патента RU 2297649:
Федеральное государственное учреждение Российский научный центр "Курчатовский институт" (RU)
Изобретение относится к устройствам для диагностики плазмы, в частности для измерения энергетического распределения атомов водорода, дейтерия, трития, возникающих в плазме установок токамак (например, в результате перезарядки или рекомбинации). Техническим результатом изобретения является: расширение функциональных возможностей устройства за счет одновременного измерения энергетических распределений атомов в нескольких пространственных областях плазмы, повышение надежности устройства за счет минимизации состава сложного оборудования, размещенного в области вакуума и высокого уровня радиоактивности, улучшение точности измерений за счет передачи сигнала в зоне высокого уровня электромагнитных помех в виде светового потока, а также устранение возмущений магнитного поля установки, негативно влияющих на параметры плазмы. Сущность: предложенное устройство состоит из коллиматора, фольги для обдирки атомов, сцинтилляционного экрана и регистрирующей аппаратуры. Коллиматор выполнен многоканальным, а сцинтилляционный экран представляет собой подложку с нанесенным на нее слоем сцинтиллятора, оптически соединенным с координатно-чувствительным детектором при помощи оптической системы, обеспечивающей передачу изображения. Сцинтилляционный экран может быть выполнен вогнутым, при этом вогнутость направлена в направлении пучка ионов, полученных в результате обдирки атомов. 5 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к устройствам для диагностики плазмы, в частности для измерения энергетического распределения атомов водорода, дейтерия, трития, возникающих в плазме установок токамака (например, в результате перезарядки или рекомбинации).
Известно устройство для измерения энергетического распределения атомов, покидающих плазму, по энергии (A.I.Kislyakov. Neutral particle diagnostics of Fusion Plasma and Reactor Products, in "Diagnostics for Contemporary Fusion Experiments", Proc. of International School of Plasma Physics in Piero Caldirole, Editrice Compositori, Italy 1991, p.455-476). Оно представляет собой установленный непосредственно у внешней стенки вакуумной камеры вдоль оси пучка атомов коллиматор, откачные насосы, фольгу и электромагнит, а также ряд детекторов, представляющих собой сцинтилляторы с фотоэлектронными умножителями. Поток атомов из плазмы ограничивается коллиматором, затем проходит через фольгу, в которой происходит обдирка атомов, образовавшиеся в результате обдирки ионы попадают в магнитное поле магнита, в котором ионы двигаются по траекториям, кривизна которых зависит от энергии ионов. При этом ионы с разной энергией попадают на различные детекторы, представляющие собой сцинтиллятор, свет от которого регистрируется при помощи фотоэлектронного умножителя.
Использование упомянутого устройства в условиях термоядерного реактора-токамака связано с рядом технических трудностей и имеет ряд принципиальных ограничений по следующим причинам:
- Электромагнит, создающий магнитное поле, детекторы (ФЭУ) и другое сложное оборудование, имеющее довольно высокую вероятность отказа, должно размещаться в зоне с высоким уровнем радиоактивности, что сильно осложняет его обслуживание или замену в случае неисправности.
- Для предотвращения обдирки атомов на остаточном газе, присутствующем в длинном коллиматоре системы, необходимо применение дополнительной откачки, что представляет собой серьезную проблему по причинам, изложенным в предыдущем пункте.
- Для того чтобы рассеянное магнитное поле установки не проникало в объем анализатора, необходимо использование тяжелого и громоздкого магнитного экрана, который в свою очередь может оказывать негативное влияние на устойчивость плазменного шнура.
- Поскольку использование предварительных усилителей в зоне с высоким уровнем радиоактивности исключено, электрический сигнал с выхода ФЭУ должен выводиться из зоны с высоким уровнем электромагнитных помех при помощи кабеля, что неизбежно ухудшает отношение сигнал-помеха измерений.
- Описанная аппаратура обеспечивает измерения только в одной области плазмы, расположенной вдоль хорды наблюдения, для обеспечения многохордовых измерений необходимо экстенсивное увеличение количества регистрирующей аппаратуры - детекторов (сцинтиллятор + ФЭУ) до нескольких десятков, что сильно увеличивает стоимость и вероятность отказа оборудования.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является: расширение функциональных возможностей устройства, т.к. одновременно измеряют энергетические распределения атомов в нескольких пространственных областях плазмы, повышение надежности устройства, поскольку минимизирован состав сложного оборудования, размещенного в области вакуума и высокого уровня радиоактивности, улучшение точности измерений за счет передачи сигнала в зоне высокого уровня электромагнитных помех в виде светового потока, а также устранение возмущений магнитного поля установки, негативно влияющих на параметры плазмы.
Для достижения указанного результата предложено устройство для измерения энергетического распределения атомов, покидающих плазму, в установках типа токамак, состоящее из коллиматора, фольги для обдирки атомов, сцинцилляционного экрана и регистрирующей аппаратуры, при этом коллиматор выполнен многоканальным, а сцинтилляционный экран представляет собой подложку с нанесенным на нее слоем сцинтиллятора, оптически соединенным с координатно-чувствительным детектором при помощи оптической системы, обеспечивающей передачу изображения.
Кроме того, сцинтилляционный экран может быть выполнен вогнутым, при этом вогнутость направлена в направлении пучка ионов, полученных в результате обдирки атомов.
При этом сцинтилляционный экран может быть выполнен в виде части поверхности сферы.
При этом сцинтилляционный экран может быть выполнен в виде части поверхности эллипсоида.
При этом сцинтилляционный экран может быть выполнен в виде части поверхности параболоида.
На подложку сцинтилляционного экрана может быть нанесен светоотражающий слой.
В заявляемой системе для анализа частиц по энергии используется не специальный электромагнит, а магнитное поле, создаваемое обмотками токамака.
Регистрация частиц, имеющих различную энергию и рождающихся в различных пространственных областях плазмы, производится не при помощи дискретных детекторов (сцинтилляторов, сочлененных с ФЭУ), а посредством регистрирующей аппаратуры - одного сцинтилляционного экрана и координатно-чувствительного детектора светового излучения.
Детектор устанавливается не в непосредственной близости от сцинтилляционного экрана, а на некотором удалении, в зоне с низкими уровнями электромагнитных помех и ионизирующих излучений; при этом изображение светящейся под действием ионов поверхности сцинтиллятора передается в эту зону при помощи оптической системы.
Один и тот же сцинтилляционный экран используется для измерений распределения частиц по энергии в различных областях плазмы; при этом по одной из координат сцинтиллятора обеспечивается энергетическое разрешение, а по другой - пространственное разрешение.
В качестве примера рассмотрим систему для детектирования атомов, образовавшихся в результате вторичной перезарядки для установки ITER (А.А.Медведев, B.C.Стрелков. Анализ применимости активной корпускулярной диагностики, основанной на эффекте вторичной перезарядки, для измерения профиля q в реакторе ITER, Препринт РНЦ "Курчатовский институт" 6255/8, Москва 2002).
В этом случае необходимо обеспечить измерение отношения величин потоков водородных атомов с энергией 250 кэВ для различных линий наблюдения.
На фиг.1 и 2 дан общий вид устройства и его расположение относительно вертикального сечения вакуумной камеры установки токамак - фиг.1 и горизонтального сечения - фиг.2. На фиг.1 магнитное поле установки направлено перпендикулярно плоскости чертежа и осям коллиматоров. На фиг.2 магнитное поле установки направлено горизонтально, перпендикулярно осям коллиматора.
На фиг.3 показана структура сцинтилляционного экрана.
На фиг.4 показана схема одновременной регистрации энергетического и пространственного распределения потоков атомов на сцинтилляционном экране. Направление магнитного поля установки (напряженность магнитного поля В) показана стрелкой.
Позиции, обозначенные на фигурах:
1 - плазма,
2 - стенка вакуумной камеры,
3 - коллиматоры,
4 - обдирочные фольги,
5 - сцинтилляционный экран,
6 - элементы оптической системы (зеркала и линзы), служащей для передачи изображения сцинтилляционного экрана,
7 - биологическая защита установки,
8 - координатно-чувствительный детектор,
9 - стеклянная подложка,
10 - слой алюминия,
11 - сцинтиллятор,
12 - выходы коллиматоров,
13 - траектории протонов.
Принцип действия предлагаемой системы измерения заключается в следующем. Пучок водородных атомов, поступающий из плазмы 1, ограничивается коллиматорами 3 и проходит через золотые обдирочные фольги 4, плоскости которых перпендикулярны оси коллиматоров, в результате чего атомы превращаются в протоны. Оси всех коллиматоров лежат в одной плоскости, параллельной направлению магнитного поля токамака. В магнитном поле токамака, направление которого близко к горизонтальному, протоны движутся по окружностям, радиусы которых зависят от их энергии, и вследствие этого протоны, имеющие различную энергию, разворачиваются на угол, близкий 180°, и попадают на различные участки сцинтилляционного экрана 5. Таким образом, в направлении, перпендикулярном магнитному полю, реализуется энергетическое разрешение. Угол разворота, близкий к 180°, обеспечивает наилучшую фокусировку протонных пучков. Сцинтилляционный экран 5 представляет собой подложку из кварцевого стекла 9, на которую напылен слой алюминия 10, на который в свою очередь нанесен тонкий (5-30 мкм) слой сцинтиллятора 11, например полистирол плюс 2,5% р-терфенила и 0,03% тетрафенилбутадиена. Слой сцинтиллятора такой толщины обеспечивает эффективность регистрации для протонов с энергией 250 кэВ, близкую к 1, и минимальный уровень фона, связанного с поглощением нейтронов и гамма-квантов с энергией несколько МэВ, составляющих основную долю излучения в условиях токамака.
Экран 5 имеет вогнутую (цилиндрическую, сферическую, эллиптическую или параболическую) форму. Вогнутость направлена навстречу падающим по траекториям 13 протонам. Экран расположен таким образом, что обдирочные фольги 4 лежат в плоскости, касательной к внутренней поверхности экрана 5 и проходящей через его геометрический центр. Ось оптической системы 6 перпендикулярна этой касательной плоскости и также проходит через центр экрана. Такая форма и ориентация экрана в рассматриваемом случае расширяют рабочий диапазон величин магнитного поля (при котором частицы с энергией 250 кэВ попадают на поверхность сцинтиллятора 11). Кроме того, вогнутый экран увеличивает эффективность сбора света, возникающего в сцинтилляторе 11 под действием протонов, оптической системой 6. Алюминиевая пленка 10 также позволяет повысить эффективность сбора света. Оптимальные размеры, форма и ориентация сцинтилляционного экрана зависят от конкретных условий эксперимента, а именно: взаимной ориентации магнитного поля и осей коллиматоров, измеряемого диапазона энергий атомов, величины магнитного поля, параметров оптической системы и т.д.
Выходы каналов коллиматора 12, отвечающих различным линиям наблюдения, смещены друг относительно друга по горизонтали, при этом на сцинтилляторе отображается несколько энергетических спектров, соответствующих различным линиям наблюдения. Изображение поверхности сцинтиллятора передается при помощи зеркально-линзовой оптической системы 6 за биологическую защиту установки 7, где расположен координатно-чувствительный детектор 8 (светочувствительная ПЗС матрица с электронно-оптическим преобразователем). Для передачи изображения может быть использована оптические система, построенная по различным схемам, например телескопическая, перископическая, эндоскопическая.
По сравнению с прототипом предлагаемая система обладает следующими преимуществами, которые позволят использовать ее для диагностики плазмы:
- низкой стоимостью: отсутствует специальный электромагнит для энергетического анализа, вместо нескольких ФЭУ используется один координатно-чувствительный детектор, стоимость которого сравнима со стоимостью ФЭУ;
- отсутствием сложного оборудования, размещенного в зоне с высоким уровнем радиации;
- отсутствует возмущение магнитного поля установки, влияющее на равновесие плазменного шнура;
- при помощи одной системы возможны подробные (до нескольких десятков линий наблюдения) пространственно-разрешенные измерения энергетического распределения частиц;
- обеспечивается лучшее отношение сигнал-помеха вследствие того, что из зоны с высоким уровнем электрических помех выводится не электрический сигнал, а световое излучение.
1. Устройство для измерения энергетического распределения атомов, покидающих плазму, в установках типа токамак, состоящее из коллиматора, фольги для обдирки атомов, сцинтилляционного экрана и регистрирующей аппаратуры, отличающееся тем, что коллиматор выполнен многоканальным, а сцинтилляционный экран представляет собой подложку с нанесенным на нее слоем сцинтиллятора, оптически соединенным с координатно-чувствительным детектором при помощи оптической системы, обеспечивающей передачу изображения.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что сцинтилляционный экран выполнен вогнутым, при этом вогнутость направлена в направлении пучка ионов, полученных в результате обдирки атомов.
3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сцинтилляционный экран выполнен в виде части поверхности сферы,
4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сцинтилляционный экран выполнен в виде части поверхности эллипсоида.
5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что сцинтилляционный экран выполнен в виде части поверхности параболоида.
6. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что на подложку сцинтилляционного экрана нанесен светоотражающий слой.
