Исследование и разработка дифракционного спектрометра для диагностики низкотемпературной пристеночной плазмы токамака методом Томсоновского рассеяния

В настоящее время под эгидой МАГАТЭ ведется разработка технического проекта международного экспериментального термоядерного токамака-реактора «ITER», который должен обеспечить достижение квазистационарного режима горения плазмы. Существенное место в проекте занимает разработка методов диагностики, включая диагностику пристеночной относительно низкотемпературной плазмы с температурой электронов в десятки или сотни тысяч градусов (Те = 1-^200э5). Основными задачами такой диагностики является определение электронной температуры Те плазмы, концентрации электронов Ne и нахождение их распределения по сечению плазмы. Одной из наиболее надёжных и апробированных бесконтактных методик измерения локальных значений электронной температуры и концентрации является диагностика, использующая Томсоновское рассеяние света на свободных электронах. Исследование низкотемпературной плазмы вблизи стенки токамака «ITER» методом Томсоновского рассеяния содержится в списке работ, порученных Российской стороне.

Диссертационная работа посвящена разработке спектральной аппаратуры для диагностики пристеночной плазмы методом Томсоновского рассеяния в рамках работ по проекту.

Результаты работы оценивались и апробировались на недавно запущенном во ФТИ им. А. Ф. Иоффе, новом токамаке «Глобус-М» (1999г).

Условия регистрации спектров Томсоновского рассеяния. Схема проведения эксперимента по диагностике плазмы токамака методом Томсоновского рассеяния приведена на Рис. 1.

Рис. 1 Схема проведения эксперимента по диагностике плазмы токамака методом Томсоновского рассеяния.

Монохроматическое излучение лазера, работающего в режиме модулированной добротности, вводится в вакуумную камеру токамака через окно 1, где рассеивается на электронах плазмы. Это и есть собственно Томсоновское рассеяние, определяющее полезный аналитический сигнал. Часть рассеянного лазерного излучения собирается через окно 2 при помощи оптических элементов 3 направляется в спектрометр 4. Совокупность.

Спектрометр сигналов спектральных каналов спектрометра даёт кривую контура Томсоновского рассеяния (при учете предварительно проведённой спектральной градуировки каналов). Оптический сигнал Томсоновского рассеяния весьма мал и обычно составляет не более нескольких тысяч фотонов. Ничтожно малая величина полезного сигнала объясняется очень малой величиной сечения Томсоновского рассеяния сгп -8−10~2Ьсм2стер~х и соответственно очень малой величиной сигнала рассеяния относительно зондирующего плазму лазерного излучения. Отношение мощности сигнала Томсоновского рассеяния к мощности лазерного импульса можно оценить из формулы:

IV = сг п-пв-С1−1 (1).

IV.

Для характерных значений концентрации электронов пе — >хъсмъ о телесного угла наблюдения 0~3.5−10″ стер и участка хорды сбора рассеянного излучения 1 = 5 см энергия светового импульса рассеяния ¥-Ти составляет ~10″ 14 от энергии зондирующего лазерного пучка.

Крайне малая мощность И^п и наличие мощных помех являются факторами лимитирующими возможности Томсоновской диагностики и определяющими необходимость оптимального выбора всех параметров измерительного комплекса.

Достижение точности измерений АТ/Т=20% считаются вполне приемлемыми результатами.

В случае максвелловского распределения электронов по скоростям контур Томсоновского рассеяния в нерелятивистском приближении (верно для ГеСЮООэЯ) принимает форму Гауссовой кривой [1] с шириной на полувысоте:

ЛЭ Л 2 • I" 1 о к’Те,. I ТеЭВ.

ДА, = 4"А, «вт — • 2−1п2—V = Л) — К/—?-г п.

Где Яо — длина волны излучения, возбуждающего Томсоновское рассеяния, & - угол под которым наблюдается рассеянное излучение, Те — электронная температура, выраженная в эВ, к — постоянная Больцмана, те — масса электрона, с — скорость света. При наблюдении перпендикулярно лазерному лучу, 9=90°.

ДЛ^Л-К^Ч-л/^, (3).

Учитывая, что температура в пристеночной области плазменной камеры может изменятся от 1 до 100э2? (104-Ч06/0, относительная ширина контуров рассеяния ДЛ</Л может меняться от 5−10* до 5−10″. В пределах этой ширины и должны располагаться измерительные каналы. На практике, учитывая симметричность контура рассеяния, измерительные каналы располагают на протяжении одного крыла контура.

Измерение абсолютной интенсивности излучения в рабочих каналах даёт возможность установить интегральную интенсивность спектра Томсоновского рассеяния. В результате, наряду с температурой электронов Те найденной из ширины контура по формуле (2) определяется и концентрация электронов пе согласно формуле (1) при условии калибровки параметров всего диагностического комплекса. Для калибровки параметров обычно привлекают дополнительные измерения сигналов Рэлеевского рассеяния в камере токамака на газе с известным давлением в той же геометрии эксперимента.

При выборе зондирующего лазера для диагностики Томсоновского рассеяния на свободных электронах необходимо удовлетворить следующим требованиям: а) для того, чтобы рассеяние на отдельных электронах было независимым ю т. е. имело бы место неколлективное Томсоновское рассеяние, отношение зондирующей длины волны к Дебаевскому радиусу экранирования заряда в плазме а=Л (/4лА0 $т (3/2) должно быть < 0,1;

10ООц ^ 1.

Т, эВ.

0.1 1Е12.

1е13.

1е14 пе, см3.

Рис. 2 Условие а=0,1 для излучения (1) лазера С02 (10,6мкм), (2) неодилювого лазера (1,055мкм), (3) лазера на титанате сапфира (0,8мкм), (4) рубинового лазера (0,б943мкм), и (5) второй гармоники неодилювого лазера (0,53мкм) от концентрации пе и температуры Те электронов. при расчёте условия я =0.1 для разных длин волн с использованием формулы для Дебаевского радиуса.

К = ^Т/471 ¦пе-е2 получена.

Ш е2 линейная зависимость Тс (эВ)=Апе (см~3), где, А ———т-^——— (см.

4wet *sin (3/2).

Рис, 2). Угол наблюдения 9 взят равным 70° в соответствии с геометрией разрабатываемого диагностического комплекса токамака «ITER». Рабочая область соответствующая рассеянию на свободных электронах для излучения соответствующего лазера расположена выше каждой из линий (выполняется условие а<0.1), а требуемый диапазон измерения температуры и концентраций плазмы отмечен заштрихованной областью. Зависимости условий а=0.1 для разных длин волн (чем больше длинна волны тем выше расположена линия на рисунке) показывают, что продвижение в область длин волн более мкм приводит к ограничению возможностей диагностики при исследовании холодной пристеночной плазмы.

2Л0)ХЪ см~ъ <�пе<�ЪЛ0и см~ъ, эВ<�Те<�ШэВ) б) длительность импульса зондирующего излучения должна быть не более нескольких десятков наносекунд так как наряду с полезным излучением Томсоновского рассеяния в спектрометр поступает и собственное излучение плазмы, которое может быть сравнимо, или даже превосходить по величине полезное излучение. В условиях квазистационарной засветки, когда длительности переходных процессов и нестабильности свечения плазмы много больше длительности генерации лазера, полезный сигнал довольно просто отделить от фона при соответствующем формировании частотной полосы фотоприёмного устройства. в) необходима большая мощность зондирующего излучения, поскольку.

ЦТ сечение рассеяния чрезвычайно мало и —— = 10″ (см. формулу (1)).

К*.

Для улучшения соотношения сигнал/шум и соответственно точности и чувствительности диагностики должна быть использована наиболее светосильная по потоку излучения оптическая системаг) расходимость пучка зондирующего излучения должна быть достаточно мала (10″ 3−1()Арад), чтобы можно было сфокусировать падающий пучок в пятно приемлемого размера на расстоянии несколько метровд) зондирующее излучение должно быть достаточно монохроматичным, т. е. АЯ1а5"АЛо (АЯо полуширина спектра рассеяния). Для оценки положим 10AAias=A/i-o. Тогда для измерения температуры электронов масштаба эв необходимо соблюсти условие или для длины волны лазерного излучения ~1 мкм должно составлять 0.5нм е) длина волны зондирующего излучения должна быть согласованна с областью наилучшего квантового выхода наиболее чувствительных детекторов. Диапазон максимальной чувствительности продвинутых в РЖ диапазон кремниевых фотодиодов 0,8−1 мкм (Perkin Elmer NIR-enhanced Silicon APD Model C30955E, ФДУК-12СТ). Квантовый выход таких фотодиодов в этом спектральном диапазоне по паспортным данным ~0.8. ж) лазерное излучение должно быть линейно поляризованным в соответствии с угловой диаграммой направленности Томсоновского рассеяния [1].

Учитывая перечисленные требования к лазерному излучению, а также ввиду того, что продвижение в коротковолновую область спектра связанно со значительным увеличением линейчатого излучения плазмы [1], оптимальным выбором является выбор лазера с длиной волны 1,055мкм. Лазеры на основе Nd: YAG обладают такой длиной волны, их технология хорошо развита и позволяет получить требуемые параметры зондирующего излучения. Стандартные Nd: YAG с электронно-оптическим затвором позволяют иметь 10нс импульсы с энергией в импульсе больше одного джоуля. Область максимальной чувствительности детектора определяет работу с коротковолновым крылом спектра рассеяния.

Собственное излучение плазмы состоит из сплошного (тормозное и рекомбинационное излучение) и линейчатого спектров. Линейчатое излучение преобладает в коротковолновой области видимого и ультрафиолетового диапазона спектра. Область 0.8−1.1лши является областью практически свободной от линейчатого излучения, что делает её привлекательной для формирования в ней диагностических каналов.

Шум постоянной составляющей собственного излучения плазмы, является основным фактором ограничения чувствительности диагностики. При достаточно короткой длительности лазерного импульса и соответствующем формировании частотной полосы фотоприёмного устройства вклад собственного излучения плазмы определяется дробовыми шумами, доля которых уменьшается при увеличении абсолютной величины сигнала. Для надёжной регистрации сигналов, и обеспечения хорошей точности диагностики необходимо соотношение сигнала к шуму не хуже 10. Для повышения соотношения сигнал шум необходимо по возможности собрать как можно больше света Томсоновского рассеяния. В случае с токамаками ограничивающим фактором является апертура окна токамака.

Наибольшую угрозу для успешного осуществления диагностики представляет мощное, на много порядков большее полезного сигнала, монохроматическое излучение, обусловленное паразитным рассеянием лазерного пучка на элементах плазменной камеры. Точное значение величины паразитного сигнала зависит от конструкции камеры, условий генерации плазмы и др. Опыт работы на токамаках «Туман-3» и «Глобус-М» ФТИ РАН им. А. Ф. Иоффе показывает, что несмотря на принимаемые в камере токамака меры по уменьшению паразитного рассеяния в выходящем из неё излучении паразитная составляющая более чем на 5 порядков больше полезной. В виду одинаковой длительности измеряемого сигнала и импульса монохроматической помехи их соотношение не удаётся регулировать формированием частотной полосы. Статистические флуктуации сигнала монохроматической помехи, превосходящей полезный сигнал не позволяют также использовать известные способы вычитания фона, измеряемого независимо в опорном канале. В этой ситуации решение проблемы осуществляется единственно возможным способом, а именноиспользованием надёжной схемы фильтрации паразитного монохроматического излучения лазера при тонкой спектральной отстройке измерительных каналов на контуре Томсоновского рассеяния от линии лазера. Степень подавления монохроматической засветки в конечном счёте и определяет работоспособность всего диагностического комплекса.

На Рис. 3 представлены возможные схемы построения спектрометров с эффективным подавлением паразитной монохроматической засветки измерительных каналов. Слева на рисунке условно изображены схемы спектрометров, справа выделяемые спектральные области и положение линии возбуждения или её остаточной части на выходе оптической системы спектрометра (жирная линия в произвольном масштабе).

На Рис. За представлена схема фильтрового спектрометра. Фильтровый спектрометр представляет собой набор высококонтрастных интерференционных светофильтров с расположенными за ними приёмниками излучения. В каждом измерительном канале светофильтр работает на пропускание, а отраженный от него свет поступает в следующий канал. Обычно используется 4-^5 таких каналов. Длины волн максимумов и полуширина кривых светопропускания светофильтров подбираются так, чтобы перекрыть весь возможный диапазон ширин контуров Томсоновского рассеяния, соответствующих возможным значениям минимальных и максимальных температур. Такой спектрометр весьма компактен и обладает при прочих равных условиях большей светосилой по потоку. о го.

Ш О" 2 -О о ® п ы вш 5 5.

51 о ^ X.

•о о 2 ш ч о •о к> ч> оО го о 0.

1? о.

Га о ^ X.

•о о 2 ш ч о •о к> к>

К> к> о з: х «О о 2 О) ч о О ч> к> ОО и ].

1. ч.

1 а.

X, нм а).

X, нм 2 о «х, нм в).

X, нм г).

Рис. 3 Варианты организации спектральной аппаратуры с подавлением монохроматической засветки.

Л, нм.

Рис. 4 Спектральная кривая пропускания типичного контрастного интерференционного светофильтра используемого для построения фильтровых спектрометров [2].

Фильтровые спектрометры применяются в большинстве современных установок для диагностики высокотемпературной плазмы. Однако для диагностики низкотемпературной пристеночной плазмы возможности фильтровых спектрометров весьма ограничены. Это связано с тем, что даже наилучшие высоко контрастные интерференционные светофильтры имеют недостаточное подавление монохроматического света вне полосы пропускания. На Рис. 4 приведён результат проведённого экспериментального исследования серийного образца интерференционного светофильтра фирмы «Barr Company» с шириной полосы пропускания ?>Л=9/ш на полувысоте [3]. Результат исследования показывает, что пропускание светофильтра уменьшается до 10″ 5 от максимального при длине волны отстоящей от центральной на 11 нм. Дальнейшая отстройка от центральной длины волны сопровождается медленным уменьшением пропускания. Этот результат соответствует данным каталога фирмы «Barr Company», согласно которому для светофильтров с дХ~§ нм при отстройке от центральной длины волны на ДА~1.2£/1 гарантированное пропускание составляет менее 10~5 от максимального.

Л, нм.

Рис. 5 Демонстрация возможности измерения минимального значения электронной температуры с применением двух серийных контрастных светофильтров расположенных вплотную друг другу и отстроенных от лазерной длины волны на 11нм (условие подавления лазерной линии на пять порядков).

Минимальное значение Те, которое может быть измерена с помощью спектрометра со светофильтрами, обладающими указанными выше параметрами, может быть найдено из следующих соображений. Для получения приемлемой точности измерения Те необходимо определить ординаты по крайней мере двух точек на крыле контура Томсоновского рассеяния (см. раздел 1.3). На крыле контура Гауссовой формы за пределами спектрального интервала, равного ширине контура Томсоновского рассеяния на полувысоте, доля рассеянного излучения пренебрежимо мала. Крыло контура Томсоновского рассеяния (пунктирная кривая) с расположенными в его пределах двумя кривыми светопропускания светофильтров с 0Л—9нм изображена на Рис. 5. Здесь первый светофильтр расположен на расстоянии ~1.2<5Я от лазерной длинны линии, Яо=1055нл* с целью обеспечения ослабления излучения последней на пять порядков. Второй расположен на растоянии SX от первого (возникшее в этом случае переналожение каналов учитывается при энергетической градуировке спектрометра). Рисунок показывает, что с данными светофильтрами ширина контура Томсоновского рассеяния ДЛо не должна быть менее значения 25нм. В соответствии с выражением (2) в этом случае значение Те т) П~25э2?.

В случае диагностики пристеночной плазмы требуемое значение плазмы Те т-п=1э?, что определяет значение ДЛо=5нм. В этом случае светофильтры должны иметь полосу пропускания 0Л=2нм, причём максимум пропускания первого светофильтра должен располагаться на расстоянии так же 2нм от лазерной линии, с тем чтобы обеспечивалось необходимое ослабление излучения последней. По литературным данным [4,5] известно, что современные наилучшие образцы таких узкополосных интерференционных светофильтров с 8Х=.6нм способны при отстройке от длины волны лазера на 2нм ослаблять излучения не более чем на четыре порядка [4,5]. Такое ослабление недостаточно для проведения надёжных измерений в условиях работы с пристеночной плазмой «ITER».

Спектрометры на базе полихроматоров с диспергирующими свет системами (Рис. 36) позволяют создать достаточно узкие спектральные каналы. Однако в таких системах имеет место сильная засветка измерительных каналов излучением рассеянным на оптических элементах. В случае Томсоновской диагностики измерительные каналы засвечиваются рассеянным монохроматическим излучением лазерной линии. Коэффициент рассеяния этого излучения на оптических элементах обычно находится в пределах от 0.01−0.001. Для надёжного подавления засветки на входе спектрального прибора помещается интерференционный (голографический) светофильтр вырезающий излучение лазерной линии, однако относительно низкая крутизна кривой светопропускания таких светофильтров не позволяет располагать первый измерительный канал вблизи линии возбуждения, что ограничивает измерение Тетп величиной в несколько десятков эВ [6].

Селективным светофильтром для полихроматора может служить двойной монохроматор построенный по схеме вычитания равных дисперсий (Рис. Зв). Спектральная ширина пропускания такого монохроматора определяется величиной промежуточной диафрагмы, а на выходе имеет место неразложенное в спектр излучение выделенного интервала длин волн. В работе [7,8,9,10,11,12] указывается, что такая тройная система обладает очень высоким коэффициентом подавление монохроматической засветки, однако вопрос о том как близко может располагаться первый измерительный канал к линии возбуждения не обсуждается. В действительности это очень сложный вопрос, т.к. ответ на него зависит от результата суммирования всех факторов уширяющих изображение линии возбуждения во всех частях в этой трёхэлементной системы. Вид кривой светопропускания и положение (сильно ослабленной) линии возбуждения в такой системе изображены в правой части Рис. Зв.

До появления современных фильтровых спектрометров для Томсоновской диагностики использовались дифракционные спектрометры. Как отмечалось выше недостатками дифракционных дисперсионных спектрометров являются: большой уровень рассеянного света и непредсказуемость его распределения по измерительным каналам, а также относительно невысокая светосила по потоку и как следствие низкая точность измерения электронной температуры. Приборы строились на базе серийной спектральной аппаратуры универсального назначения. Их основой были крупногабаритные монохроматоры перестроенные в полихроматоры (например отечественные крупногабаритный монохроматор МДР-2 или двойной монохроматор-спектрометр ДФС-12 [13,14]). Вынужденное применение таких крупногабаритных спектрометров создавало известные трудности при работе на перегруженных приборно-диагностическими комплексами токамаках. Кроме того на их базе было не возможно осуществлять диагностику одновременно в нескольких зонах по сечению плазмы, что определялось низкой угловой высотой щели с которой они могли работать (/?<0.05). Несмотря на все указанные недостатки дифракционная спектральная система обладает качеством важнейшим при разработке аппаратуры для диагностики пристеночной плазмывозможностью создания большого числа узкополосных спектральных измерительных каналов, что позволяет исследовать характерное для пристеночной плазмы немаксвеловское распределение электронов по скоростям, регистрируя отклонение формы спектра рассеяния от кривой Гаусса. Поэтому задачей настоящей работы стало исследование возможности устранения указанных выше недостатков и создания специализированного малогабаритного, светосильного, высококонтрастного дифракционного спектрометра с большой угловой высотой щели, наиболее полно удовлетворяющего условиям диагностики пристеночной плазмы токамака.

За основу такого спектрометра целесообразно взять схему изображенную на Рис. Зг [15]. Здесь спектральный прибор строится по схеме двойного полихроматора с вычитанием неравных дисперсий. Для устранения засветки измерительных каналов рассеянным монохроматическим излучением, в плоскости промежуточного изображения спектра (в фокальной плоскости первой половины прибора) устанавливается экран-ловушка. Ловушка перекрывает изображение входной щели в свете линии возбуждения, а также и всю более длинноволновую часть спектра. При большей дисперсии обратного знака во второй половине прибора, фон монохроматической засветки, равномерный в пределах окна промежуточного изображения спектра, после второй дифракции формируется в полосу засветки далеко за пределами рабочей области спектра на выходе полихроматора.

Эта полоса засветки легко перехватывается. ловушкой на выходе. Кривой светопропускания и положение полосы засветки в свете линии возбуждения (зачернённый прямоугольник) изображены в правой части Рис. Зг.

Представляется, что такой вариант построения спектрометра может обеспечить хороший компромисс между требованиями обеспечения простоты и компактности конструкции, возможностью получения достаточной светосилы, требованиями получения высокого коэффициента подавления монохроматической засветки измерительных каналов в сочетании с возможностью близкого расположения первого канала к линии возбуждения.

Спектрометр сконструированный по принципу вычитания неравных дисперсий был использован в диагностике плазмы на токамаке «Туман-3» [16]. Из-за недостаточной светосилы, малой дисперсии (работа дифракционных решёток вблизи автоколлимации) реально измеримый диапазон Те составлял 50−500э£.

Исследованию возможности построения нового светосильного и достаточно малогабаритного спектрометра с высоким коэффициентом подавления монохроматической засветки измерительных каналов вблизи линии возбуждения для задач диагностики низкотемпературной пристеночной плазмы в токамаке-реакторе и посвящены последующие разделы настоящей работы.

Цель работы.

Целью работы являлось исследование и разработка спектрометра для диагностики низкотемпературных областей плазмы в токамаке на основе двойного полихроматора с вычитанием неравных дисперсий и использовании светосильной диспергирующей системы на дифракционных решётках в условиях скользящего падения/дифракции лучей.

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи.

Задачи исследования.

1. Теоретическое исследование основных особенностей диагностической аппаратуры для экспериментов в низкотемпературной плазме методом Томсоновского рассеяния.

2. Исследование требований к основным параметрам спектрометра для диагностики низкотемпературной плазмы.

3. Проведение стендовых испытаний разработанного и построенного опытного образца спектрометра.

4. Проведение натурных испытаний опытного образца спектрометра в условиях работы на действующем токамаке «Глобус-М» ФТИ РАН им. А. Ф. Иоффе.

5. Развитие модели полихроматора для уменьшения нижнего предела диапазона измеримых температур в соответствии с требованиями технического задания «ITER».

Решение поставленных задач представлено в диссертации:

В первой главе выполнен анализ основных принципов построения схемы полихроматора с эффективной отстройкой от фона монохроматического излучения вблизи линии генерации лазера.

Сформулированы требования к аберрационным свойствам первой половины прибора и прибора в целом.

Показано, что построение полихроматора по принципу вычитания вдвое отличающихся дисперсий в наиболее полной мере отвечает поставленной задаче подавления фона рассеянного монохроматического излучения с минимальными потерями светопропускания в спектральных каналах граничащих с лазерной длинной волны.

Предложена и обоснована схема с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий в условиях нестандартно больших углов падения и дифракции -75°.

Во второй главе, выполнены расчеты чувствительности при регистрации спектров Томсоновского рассеяния в присутствии помех от собственного излучения плазмы ставшие отправным моментом при проектировании спектрометров по принципу вычитания в два раза отличающихся дисперсий. Представлены результаты габаритного, спектрального и аберрационного расчётов оптической схемы полихроматора, рассчитанного под задачу диагностики плазмы с температурами Те=5+200эВ.

Выполненный анализ чувствительности альтернативных детекторов на основе кремниевых фотодиодов (ФД) и лавинных кремниевых фотодиодов (ЛФД) позволяет сделать рациональный выбор детекторной части макета спектрометра.

Выполнено макетирование полихроматора Томсоновского рассеяния в составе спектрометра с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий, фотоприемного устройства в составе шестиканального фасеточного объектива и малошумящих фотоприемных устройств на основе кремниевых фотодиодов.

Выполнены стендовые испытания по исследованию оптических характеристик спектрометра. Было найдено, что качество фокусировки спектра в сагиттальной и меридиональных плоскостях, а также светопропускание находятся в хорошем соответствии с компьютерным модельным экспериментом. Стендовые эксперименты по измерению контрастных свойств спектрометра продемонстрировали контраст не менее 5 порядков по отношению к лазерной длине волны в ближайшем к ней спектральном канале.

Третья глава посвящена исследованию аппаратуры в реальном плазменном эксперименте на действующем токамаке «Глобус-М».

Обсуждаются эксперименты по диагностике плазмы методом Томсоновского рассеяния на токамаке «Глобус-М». Исходя из полученных результатов эксперимента осуждаются достоинства разработанного прибора по сравнению с фильтровыми спектрометрами.

Четвёртая глава посвящена разработке двойного дифракционного полихроматора обеспечивающего одновременную регистрацию спектров рассеяния в нескольких точках по сечению плазмы.

Предложен и обоснован расчётами вариант полихроматора с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий и угловой высотой щели увеличенной до 0.5 с компенсацией кривизны изображения линий позволяющий регистрацию набора спектров рассеяния вдоль хорды лазерного зондирования.

Показано, что аппаратная функция имеет необходимую прямоугольную форму, а её ширина не превосходит половину геометрической ширины щели Ь=1мм по всей её высоте.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Модель построения спектрометра с эффективной отстройкой от мощной лазерной засветки для диагностики низкотемпературных областей плазмы в токамаке-реакторе методом Томсоновского рассеяния, обеспечивающего регистрацию всего предельно малого по величине потока рассеянного излучения, выходящего из камеры токамака-реактора в заданном спектральном интервале.

2. Теоретическое рассмотрение условий получения высокого контраста в спектре (более 105-Н06) по отношению к паразитной монохроматической засветке.

3. Методика габаритно-аберрационно-энергетического расчётов спектрометров на заданный диапазон температур плазмы (Ге=1-ь200э5), а также методика исправления кривизны спектральных линий и фокальной поверхности с применением сложного коллектива.

4. Методика и результаты эксперимента по диагностике плазмы методом Томсоновского рассеяния на действующем токамаке «Глобус-М» ФТИ РАН им А. Ф. Иоффе, с помощью разработанного и построенного спектрометра.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 2 м Международная конференция молодых ученых и специалистов.

0птика-2001″ октябрь 2001 года.

2. Международный Оптический Конгресс «Оптика XXI век» Четвёртая.

Международная конференция «Прикладная оптика 2002», октябрь 2002.

3. Седьмая международная конференция по инженерным проблемам термоядерных реакторов, С-Петербург, 28−31 октября, 2002.

4. XXXIII научная и учебно-методическая конференция СПбГУИТМО, февраль 2004.

5. Международный Оптический Конгресс «Оптика XXI век» Шестая Международная конференция «Прикладная оптика 2004», октябрь 2004.

Результаты работы сводятся к следующему:

1. В рамках работ по проекту диагностики низкотемпературной (диверторной) плазмы методом Томсоновского рассеяния на токамаке-реакторе «ITER» предложена и исследована модель полихроматора, обеспечивающего ослабление паразитной засветки измерительных каналов на 5−7 порядков в непосредственной близости к линии возбуждения лазера.

2. Выполнен анализ энергетических параметров спектрального диагностического комплекса и точности определения температуры в условиях эксперимента на токамаке-реакторе.

3. Показано, что для обеспечения максимальной точности необходим сбор всего выходящего из камеры токамака излучения, ограниченного заданным пространственным разрешением, а также спектральным разрешением, исходя из минимального значения температуры, а также располжение первого измерительного канала в непосредственной близости к линии возбуждения.

4. Предложена и экспериментально обоснована схема построения диспергирующей системы с использованием дифракционных решёток в схеме скользящего падения/дифракции при углах 75°, оптимальная при построении компактного спектрометра высокой дисперсии для измерения низких электронных температур при высоком светопропускании всей системы -50%.

5. Разработан и исследован опытный образец спектрометра на основе двойного полихроматора с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий на диапазон температур Те=5−200эВ.

6. В демонстрационных экспериментах доказана возможность измерения вблизи мощной монохроматической линии лазера спектров слабой интенсивности линий Не и Ne, присутствующих совместно с излучением генерации.

7. Спектрометр внедрён в состав диагностического комплекса действующего токамака «Глобус-М» ФТИ РАН им. А. Ф. Иоффе.

8. Экспериментально показано, что спектральные каналы дифракционного полихроматора вблизи лазерной длины волны обеспечивают по крайней мере на один порядок более высокий уровень режекции паразитного излучения по сравнению с приборами на основе высококонтрастных интерференционных светофильтров.

9. Выполнены исследования компьютерной модели разработанного полихроматора, позволяющей уменьшить нижний предел диапазона измеримых температур до эВ в соответствии с требованием технического задания «ITER».

Ю.Показано, что такая модель с применением одинаковых по размерам дифракционных решёток с разным, но оптимально подобранным, числом штрихов на миллиметр позволяет реализовать большую дисперсию при тех же габаритах прибора.

11 .Компьютерным моделированием установлено, что для компенсации остаточной кривизны спектральных линий в приборе с вычитанием не равных дисперсий может быть использована дисторсия заклонённого коллективав ограниченном рабочем диапазоне длин волн спектрометра это позволяет иметь прямые входную и выходную щели с большой угловой высотой -0.5 для регистрации набора спектров Томсоновского рассеяния от разных точек плазмы вдоль луча лазерного зондирования.

Заключение

.