Спектроскопическое исследование примесей плазмы токамаков Т-4 и Т-10 в вакуумной ультрафиолетовой области

Настоящая диссертация посвящена созданию методики экспериментального исследования примесей плазмы токамаков Т-4 и Т-10 на основе спектроскопических измерений линейчатого излучения плазмы в вакуумной ультрафиолетовой (БУФ) области спектра и использованию этой методики для оценки концентраций примесей, энергетических потерь с излучением и эффективного ионного заряда плазмы Т-4.

Примерно с середины 70-х годов в проблеме управляемого термоядерного синтеза (УТС) с магнитным удержанием все больший размах приобретают исследования, направленные на изучение примесей плазмы (их образования, поведения и различных проявлений присутствия в плазме) и разработку методов контроля и управления содержанием примесей. Необходимость таких исследований стала ясна после того, как было замечено, что, несмотря на принимаемые меры, содержание примесей в установках с магнитным удержанием плазмы достигает уровня, при котором одним из основных механизмов потерь вводимой в плазму энергии является излучение, вызываемое ионами примесей. Как известно, с ионами примесей связаны тормозное и ре-комбинационное излучение электронов плазмы в поле этих ионов и линейчатое излучение самих ионов примесей. Полезными оценочными критериями различных способов термоядерного синтеза с магнитным удержанием являются величина /7%Е, называемая обычно параметром удержания (П — концентрация плазмы, ГС£ - энергетическое время жизни), и ионная температура плазмы. В частности, для того, чтобы горячая плазма поддерживалась при постоянной температуре за счет передачи энергии от заряженных частиц (^ - час-яиц), получающихся в результате термоядерной Д + Т реакции (для смеси дейтерия и трития в отношении 50: 50), должно выполняться условие Г) ТВ м" 3. с при температуре плазмы Т ~ 25 кэВ.

Это условие положительного энергобаланса в термоядерной плазме, называемое также критерием Лаусона Минимальная температура Т3?, при которой в плазме может происходить самоподдерживающаяся реакция, соответствует случаю, когда мощность, выделяемая при термоядерном синтезе, несколько превышает мощность тормозного излучения (идеализированная ситуация, при которой считается, что энергетические потери за счет ухода частиц отсутствуют). Для Д — Т реакции Т^ 5 кэВ /^Л Данные значения критических параметров у) ХЕ и Т? приведены для чистой Д-Т плазмы. Присутствие в плазме примесей и вызываемое ими радиационное охлаждение плазмы приводит к значительному росту указанных параметров и в конечном итоге — резкому снижению экономической эффективности термоядерного реактора. Например, наличие в Д-Т плазме 0,1% примеси железа приводит к значению Т^ 9 кэВ, а для вольфрама — Т? % ^ 20 кэВ /^Л В контексте сказанного, важное значение имеет понятие «летальных» концентраций примесей для термоядерного реактора, при которых суммарные радиационные потери превосходят энерговыделение термоядерной реакции. Если рассматривать более детально эффекты проявления примесей в разрядах конкретных установок с магнитным удержанием плазмы (в данной работе речь будет идти только о токамаках), то можно сказать, что примеси влияют практически на все характеристики разряда. Например, примеси влияют на величину и пространственное распределение электро.

Критерий Лаусона зависит от температуры ионов и электронов Те и при его оценке для простоты температуру электронов и ионов считают равными: T? = Те = Т. проводности и температуры плазмы, на некоторые виды неустойчивости плазменного шнура, включая наиболее опасную неустойчивость большого срыва, на коэффициент запаса устойчивости, на релаксационные (пилообразные) колебания плотности и др. /2/. Б целом, по своей важности проблема примесей стоит сразу за основополагающими вопросами удержания плазмы и ее нагрева.

Основную информацию о примесях получают посредством изучения линейчатого излучения примесей. Решение большинства задач в проблеме примесей в определяющей степени зависит от знания динамики свечения примесей во времени и пространстве (по сечению плазменного шнура). Для количественных оценок потерь энергии плазмы с линейчатым излучением, концентраций и диффузионных потоков примесей необходимы абсолютные измерения интенсивностей спектральных линий примесных ионов и их распределений вдоль малого радиуса лайнера токамака. Отметим также, что в процессе современного эксперимента обычно требуется получать данные измерений оперативно-сразу же после окончания каждого разряда токамака и в форме, пригодной для последующей их обработки (преобразование сигнала, выделение отдельных параметров, накопление и т. д.). Все эти требования приводят к необходимости выбора в качестве спектральных установок для диагностики примесей чаще всего спёйрометров на определенную область спектра. Однако, для решения отдельных задач, связанных, в основном, со спектральным составом излучения плазмы, используют также спектрографы, тем более, что на спектрографе можно достигнуть лучшего по сравнению со спектрометром разрешения при одном и том же диспергирующем элементе и получить спектр сразу во всем рабочем спектральном диапазоне прибора.

Параметры экспериментальных разрядов современных токамаков в зависимости от цели эксперимента и характеристик самой установки изменяются в пределах: температура электронов Т0 (о) в центре плазменного шнура — сотни эВ 4 несколько кэВсредняя концентрация электронов — Ю12* см" 3 (наиболее типичные значения -10 ^ 4 10^ см" «3) — длительность разрядного импульса — от десятков миллисекунд до нескольких секунд (наиболее типичные значения — сотни мс).

Кроме ионов рабочего газа в плазме токамака всегда присутствуют примеси. Химический состав примесей плазмы токамака хорошо известен. Он определяется остаточными газами, адсорбированными на стенках рабочей камеры (лайнера) и материалами лайнера и токовых (ограничивающих сечение плазменного шнура) диафрагм. Лайнер токамака обычно изготовляется из нержавейшей стали (в том числе лайнер М и Т-10), для диафрагм используются материалы, которые способны противостоять большим тепловым нагрузкам и имеют низкий коэффициент распыления, например, молибден, вольфрам. Мы не будем здесь останавливаться на причинах образования примесей, механизмах взаимодействия плазмы с поверхностью лайнера и диафрагм и методах изучения этих механизмов. Эти вопросы прекрасно освещены в обзоре Г. Мак-Кракена и П. Стота ^.

Примеси плазмы обычно разделяют на «легкие» — кислород и углерод, иногда заметно присутствует (при плохих вакуумных условиях) азот, и «тяжелые» — железо, хром, никель, молибден, вольфрам (первые три из них —, СгиМ’в последнее время стали называть также «средние» примеси). Влияние примеси на параметры плазмы зависит от её атомного номера?. Легкие примеси в центральной области плазмы оказываются полностью ионизованными, и радиационные потери, к которым они приводят, локализованы на пе-реферии плазменного шнура. Примеси с высокими 2 ¦ такие как Мо и 1а/, ионизуются не полностью даже при температурах терлоядерного реактора и могут приводить к значительным потерям энергии из центральных областей шнура уже при относительно низких концентрациях порядка 10″ ®)• Пе .

Линейчатое излучение примесей является мощным диагностическим средством, которое несет информацию не только о примесях, но и об основных параметрах плазмы, таких как электронная и ионная температура, концентрация электронов^ш Б соответствии с темой данной работы, здесь мы будем касаться только диагностических задач, связанных с определением характеристик самих примесей — их концентрацией, потоков, связанных с примесями потерь энергии с излучением, эффективного ионного заряда плазмы.

§ I. Развитие БУФ диагностики примесей на токамаках (эксперимент и модельные расчеты).

Исследование БУФ излучения лабораторной горячей плазмы началось еще в начале 60-х годов, на заре развития работ по УТС. Б СССР изучалось БУФ излучение тороидальных разрядов первых установок с магнитным удержанием: «Токомак» ^% «Альфа „^Л „Бета“ ^^. Аналогичные исследования проводились на зарубежных установках „Зита“ /^“» Сцилла" /9/, «Стелларатор» /10/, «Скептр» /'11//. Б тех экспериментах были получены спектры плазмы в БУФ области, определялся химический и зарядовый состав ионов примесей, в ряде случаев изучалось временное поведение свечения спектральных линий, делались попытки грубо оценить потери с излучением и концентрации примесей. Подробные сведения (до 1974 года включительно) о спектроскопическом исследовании в БУФ области лабораторной горячей плазмы можно найти в исключительно богатой по полноте информации книге А. Н. Зайделя и Е.Я.Шрейдер

Б первых токамаках потери энергии с излучением составляли почти всю вкладываемую омическую мощность уже к се редине 60-х годов улучшение вакуумных условий в рабочей камере, разработка методов очистки камеры (длительный прогрев, тренировка разрядами), улучшение удержания плазмы в результате конструктивного усовершенствования установок привели к уменьшению радиационных потерь и в следующие примерно десять лет широко распространилась точка зрения, что радиационные потери не важны в балансе энергии токамаков ^^. Это снизило интерес к исследованию примесей и привело к почти полному отсутствию работ по БУФ диагностике примесей. Однако последующие эксперименты на больших современных токамаках Т-4,, РЬТ, 7У1ТЕ, Т-10 и др. показали, что излучение примесей составляет существенную часть потерь энергии плазмы и влияет на многие параметры разрядов.

За последнее десятилетие, на протяжении которого изучение примесей стало одной из важных задач на всех установках УТС с магнитным удержанием, опубликовано большое количество экспериментальных и теоретических работ, связанных с проблемой примесей. В значительной части экспериментальных работ использовались рентгеноспектральные измерения тормозного и рекомбинационного излучения плазмы так же как и излучения коротковолновых линий высокоионизованных примесей, измерения линейчатого спектра в видимом и ближнем ультрафиолетовом (УФ) диапазоне, неселективные болометрические измерения мощности энергетических потерь, измерения электропроводности плазмы и др. (см., например/Однако основная доля всех работ, в которой были получены наиболее существенные результаты, содержала в своей основе спектроскопическую диагностику примесей в БУФ области спектра.

Большое количество экспериментов и теоретических работ по спектроскопическому исследованию примесей в БУФ области спектра стимулировало появление в последние годы нескольких обзоров, целиком или частично посвященных БУФ диагностике плазмы в установках с магнитным удержанием 20/. Имеется также ряд книг, в которых описывается техника БУФ спектроскопии /^2.21/ и то её применение для исследования лабораторной горячей плазмы ' * 22, 23/.

•.

Разнообразие задач, связанных с исследованием примесей, привело к разработке нескольких методов, в которых основной или существенной частью является БУФ диагностика примесей. К таким широко применяемым методам можно отнести:

1. Получение обзорных линейчатых спектров плазмы, идентификация линий /24−32/^ мет0д используется в основном для оценки распределения по спектру энергетических потерь с излучением и расшифровки сложных спектров многозарядных ионов средних и тяжелых примесей, поскольку спектры таких ионов известны далеко не полностью даже в отношении наиболее ярких линий. Для таких измерений рбычно используются спектрографы. Так на установке ТРЙ. с помощью спектрографа скользящего падения исследовались спектры ионов Мо высокой кратности в области 0,5 * 5 нм / 24 /% на установке? О^А спектрограф использовался для изучения спектра, создаваемого много зарядными ионами золота (материала диафрагмы) в области 2 * 30 нм /31/в обзорные спектры плазмы в области.

I * 17 нм фотографировались также на токамаках ОКМАК^^ и.

ЭРГ- 2 /32/.

2, Измерение спектрометром временного поведения яркости нескольких линий, представляющих обычно разные сорта примесей. Это относительно простой и потому чаще всего применяемый способ БУФ диагностики примесей. Как правило, выполняются абсолютные измерения яркости линий вдоль центральной хорды поперечного сечения плазменного шнура. Метод используется (совместно с расчетной моделью) для оценки энергетических потерь плазмы с излучением, концентрацией примесей, эффективного ионного заряда плазмы, процессов переноса примесных ионов //25, 27' 28' 30' 33~54/в Во многих экспериментах спектрометр, настроенный на определенную линию, служит в качестве монитора, следящего за поведением соответствующей примеси в плазме.

3. Измерение пространственно-временного распределения абсолютной интенсивности нескольких линий, соответствующих различным сортам и зарядовым состоянием ионов примесей. Метод заключается в измерении спектрометром абсолютной яркости выбранных линий вдоль различных хорд сечения плазменного шнура. Полученный таким образом пространственный профиль яркости линии преобразуется с помощью интегрального преобразования Абеля в профиль распределения интенсивности линии по малому радиусу шнура. Это более точный по сравнению с предыдущим метод оценки концентраций примесей, энергетических потерь с излучением, «переноса примесей в плазменном шнуре (потоков, коэффициентов диффузии, времен удержания частиц) /26, 29, 31, 32, 34, 35, 43, 53−67/^ Изза большо0 трудоемкости таких измерений этот метод применяется не так часто, иногда измеряется пространственный профиль излучения только одной линии,.

Перечисленные три способа БУФ диагностики используются как для исследования разрядов с омическим нагревом, не возмущаемых никакими внешними воздействиями, так и в экспериментах с дополнительным импульсным нацуском в разряд рабочего газа или малого количества различных примесей, а также для исследования разрядов с дополнительным нагревом. Б связи с этим, можно назвать еще два широко применяемых метода исследования примесей:

4. Дополнительный импульсный напуск в разряд (на стационарной стадии) рабочего газа или газа-примесив качестве последнего обычно используются инертные газы, а также кислород, азот, углеводороды. Этот метод открывает более широкие возможности для изучения процессов переноса примесион используется также для направленного изменения параметров плазмы (пространственных профилей температуры и концентрации), исследования возникающего при дополнительном напуске газа экранирующего эффекта, снижающего поступление в разряд металлических примесей, и в других целях.

Недостатки метода дополнительного напуска газа при исследовании переноса примесей (как и в случае БУФ диагностики стационарной плазмы) заключаются в том, что в этом случае невозможно отделить процессы проникновения примеси в плазму и ухода из неё от процесса рециклинга, кроме того сами фронты и длительность импульса инжекции газа недостаточно коротки (единицы-десятки мс) и могут быть сравнимы с характерными временами плазмы. Все это приводит к тому, что функция источника определяется очень неточно, что в целом создает значительные трудности при интерпретации экспериментальных результатов в модельных расчетах. БУФ диагностика при дополнительном напуске газа использовалась в работах /27,39,40,42,44−46,48,57,62,66/.

5. Импульсная инжекция в разряд примесей различных металлов методом испарения (распыления) вещества твердотельной мишени пучком импульсного лазера — лазерная инжекция. Этот метод нашел широкое применение в исследованиях процессов переноса примесей.

Рециклингом" называется процесс возвращения в плазму выходящих из нее атомов и ионов после их взаимодействия с поверхностью стенки и диафрагмы. вследствие его преимуществ, к которым можно отнести: а) большой выбор инжектируемых элементов, в том числе практически все металлы, интересующие исследователейб) возможность проводить ин-жекцию в любое предварительно выбранное времяв) короткое время инжекции (обычно несколько сотен мкс) по сравнению с характерными временами плазмы, такими как времена диффузии, ионизации и рекомбинации в центральных областях плазмыг) возможность вводить достаточно точно дозированные и малые количества примеси, не приводящие к существенному возмущению основных параметров плазмы. Важное преимущество заключается также в том, что этим методом можно инжектировать металлические примеси, для которых не наблюдается рециклинг. Это дает возможность в чистом виде исследовать динамику проникновения примесей в плазму и наиболее точно интерпретировать экспериментальные результаты. В большинстве экспериментов с лазерной инжекцией использовалась БУФ диагностика примесей / 28,34,","-45,49−51,59.

В последние годы активно развивались методы дополнительного нагрева плазмы, особенно нагрев с помощью инжекции пучков быстрых нейтральных атомов. Соответственно появилось много работ, посвященных исследованию поведения примесей в условиях дополнительного нагрева. Как показали теоретические оценки / 70,71/^ введение пучка нейтралов в плазму приводит к возрастанию излучения примесных ионов. Это связано с двумя обстоятельствами, вызываемыми перезарядкой нейтралов на ионах примеси. Во-первых, после перезарядки образовавшиеся возбужденные ионы высвечиваются, во-вторых, акты перезарядки смещают ионизационное распределение примеси в сторону ионов низкой кратности, которые излучают более активно. ВУФ диагностика примесей в условиях дополнительного нагрева пучком нейтралов осуществлялась на установках TF R.

P?T ^^ (в этих ДВУХ работах примеси исследовались также и при ионно-циклотронном нагреве), ORMA& /2?/, jЛ8150/- filJE /^Л Не вдаваясь в детали отметим только, что во всех случаях при дополнительном нагреве радиационные потери возрастали, при этом, в случае нагрева пучком нейтралов, инжекция пучка против направления тока плазмы вызывает значительно большие потери, чем при инжекции пучка по направлению тока.

ВУФ диагностика плазмы наиболее полно и последовательно развивалась на французском токамаке TFR и на ряде американских установок, в основном в Принстонской лаборатории физики плазмына токамаках АТС, 5 Т, РЛТ ив Масачусетском технологическом институте — на установке Ji^caim. на TFR. и PLT использовались практически все методы ВУФ диагностики, которые когда-либо применялись на других токамаках.

В таблице I указаны токамаки, на которых проводились сколь—нибудь значительные эксперименты с применением ВУФ диагностики, и приведены типичные параметры разрядов в этих экспериментах, так же как и параметры самих установок. В разделе таблицы «Исследуемые ионы» кроме самих ионов, излучение которых измерялось в соответствующей работе, указан также определенным значком метод измерения.

Спектроскопические измерения в указанных экспериментах проводились в спектральных диапазонах, в целом не выходящих за пределы 2 * 190 нм. Спектральные линии, на которых осуществлялась диагностика примесей (или которые сами исследовались в разрядах), указаны в таблице 2- абсолютное большинство этих линийрезонансные, соответствующие переходам без изменения главного.

Токамаки, оснащенные спектроскопической БУФ диагностикой плазмы, и некоторые характеристики экспериментов, в которых использовалась эта диагностика (Я — большой радиус тора, осрадиус токовой диафрагмы, В — тороидальное магнитное поле, I — ток разряда, -средняя концентрация электронов, Т (0) — температура электронов в центре плазменного шнура).

Установка R, см CL, см В-Тл 1, кА ПеГ If, см Те (0), кэВ Исследуемые ионы Литература гг/? (Франция) 98 20 (Мо) * 2,6−3,3- 4,0−5,0 140 3−4 1,2−2,0 он, л, oin-ovi-cni-Nv, Mo XW, XXX/, XXXIiFeXV, № в 1.

2,6 4,0 5,0 140 180 200, 300 3 — 4,5 1,2−2,0 он. п, ош-ov/- FeXI, XV, Fe XV/- M.

17 (Мо) 5,0 165 2 1,8 он, днг (o2), Qj oviMo XIV, XXXl, XXXtl. [57].

17−20 (С, Inco-Пеб) 3,5−4,5 200−300 4,5−10 1,0−1,3 ОН, ДНН, ДИЦН, U7 С IIIс ivон — ovi. [58].

Установка /?, см а, см В, Тл 1, кА п*-1013, см Те (0), кэВ Исследуемые ионы Литература.

ТГЙ 98 20 © 4,5 200 4 8 1,5 1,3 ОН, ЛИП д, Ух//, хш, хх, хх1- сг VII, Сг хш, х1/-хх/- хх//-л/-х/, х У хш, хх- ¿-г х/ у^х/^с рт±- [34,35] ///;

20 (Мо) 4−5 200−300 ОН, 0- Мо Х/-ХХУ, ХХХ1-ХХХИ 1/247.

АТС (США) 90 17 2 100 2,5 М ОН, ЛИП (¿-о, /X, х,//. [59].

США) 109 24X27 (Мо) 4,3 70 7 0,8 он, д, МоХШ, Ге XV, У и/. [36].

24X26(28] (Мо, М) 3,7−4,3 65−77 1,5−2,5 1,1−2,2 он, д, ?7 и/- ¿-¿-хх/. [37].

24X26 (Мо) 4 75 2 — 2,5 1,5 ОН, Д. //г X/, XI//- Кг XX/- Кг Ух/// Х*^, XXI//, Х//Л л/^ Х/^^/ХХ//- /=? ХХ///хХХ//- [25].

ОЯ МАК (США) 80 23 (у/) 1,5 70 1,6−2,1 0,4−0,7 ДНН+ДНГ (Н2), А, 0111−0*1) X// Оуспектры ионов О^е,^/. [27].

2,5−2,6 170−175 2,5−6,0 0,6−1,5.

Установка см см В-Тл 1, кА Па' 10^ см те (о), кэВ Исследуемые ионы Литература.

Р1Т (США) 130 40 (V/) 2,5−3,5 400 2−5 1,1−2,2 он, си/- о VI- [38].

1,8 1,6 ОН, Те XV, XVI, ххп-хм Г26].

400−500 3−10 I — 2,5 ОН, Ре XV, XX///, XXIV- № он, днг (М?, н2), а, сIV, ?7//, спектр ионов IV [39,40].

40 (л/, С, сталь) 1,7−3,2 400 1,5−3,0 1,2−2,5 он, днн, дицн, 0, Ре XV, XX/// [61].

40 © 2,5 400 1−3 I «2,5 он, ДНГ (Н2), 0, /чг Ре ХХ//^ хх/1Л ТС XX. [62].

2,5−3,2 450−500 1,2−3,0 1,8 ОН, ЛИП /№,/*) Д, 5с X/, XVIII [41].

ЛеслЫ в (США) 54 10 (Мо) 6−8 175 3−40 0,75−1,1 ОН, ДНГ (В.),*" «-*» ' 4 2 'Мохнат м б 120−190 3−45 0,75−1,1 он, р, VIл/1/. [63].

6 175 35 0,85 он, лип ш?'51″ '*1'*1* о, ¿-г хп. [43].

Установка R, см а, см В, Тл 1, кА /V см те (о), кэВ Исследуемые ионы Литература fiecatoi с (США) 57−71 10−16- 16,5 (Мо) 3,5−12 100−700 5−68 I — 1,2 ОН, ДНГ (A/?+/?i), ЛИП (/)?Si, Ti, Мо) a, nvjvi] s? iv, xi, xii I44,45j.

15/-/? (США) ISX-B 92 26 (Сталь) 0,6−1,5 40−175 ОН, ДНГ (Ме, Н2), aj tfe viii [46].

93 27 (сталь, 72 с) 1,2 150 1−4 0,5 ОН, A, FelX, XVI, X/lli-TLXI, Xl '•M.

200 1−4 0,4−0,7 ДНН, ДНГ FelXjXVi Fe xvmLxixj № vn, xv2 xiц '[48].

1,31 1,48 ИЗ 122 2,6−3,9 3,9−4,8 0,92 0,68 (Si)ASiVI-yi1 он, лип, , [49].

1,2−1,5 120−200 1−4 0,4−0,8 он, ДНН, лип (si, T?) At OM-VV, si Vll-Xir, Ti V, XI, XII, XIV/- XX, Fe? X±XV?, yvinL XIX- [50].

РТ>Х (США) 140 40 2 300 2 I ОН, ЛИП (Se), Л, Se XVII/, se XIX [28].

Установка ff, см а, см В, Тл 1, кА /V10″ 13 -3 см те (о), кэВ Исследуемые ионы Литература.

VITE (Англия) 117 26 (Mo) 1,3−2,0 50−180 1,5 0,'42 он, ovi-m-cv, vi] Fe К, xvt, xvii — МоМ- [29].

2 150 1−3 0,65−0,9 -m, e, cv>vr, ovi-mje Х1У" xix • H.

FT (Италия) 83 18,5 (сталь) 6 ч 300 20 0,9 OH, 0 1/, VI [65].

Ю1УА (Япония) 60 10 {Сц+Яи) I 14 OH, A, Clll, VW) ovi [30].

2 40 5 0,75 0H, QjOспектры ионов 0, с, л!, iiu. [31].

3FT-Z (Япония) 90 25−29 (Mo, сталь) 17 (Mo) 1,8 1,8 160 ' 70 0,9 1,2 он, Oj 01V-V" l> Fs*v> 1 Mo XIII 0, — спектры ионов С, А/, 0. [32j.

HPPT-II (Япония) 91 25 (Mo) 2,2 70 1−5 0,65 ОН, ДНГ (Н2), 0 VII, Fe XII, XI1/ [66].

Т-4 (СССР) 90 15,5 © 3 85 1,5 I ОН, Л j СШ, 0 t//, Fe XV, х//- ut хпь XII/ /52,67] Й72].

Установка /?, СМ а, см ВАТл 1, кА /V io13 -з см J *в (о). кэВ Исследуемые ионы Литература.

Т-10 (СССР) 150 35 (-Мо, сталь) 2,5 340−350 5 0,7 он, Лу cm-oviFew. Р, Fe XI/ [52,67] [172].

Стеллара-тор 31−2 (СССР) 100 11,5 1,25 20 I 0,36 он, л, с v-mvoiv-viFe Х/1/-ХУ/ OVI, Fe xi/- [53,54] й В скобках указан материал диафрагмы. г н.

306 Диафрагма прямоугольной формы (первая цифра — высота, вторая — ширина). I.

Экспериментальные условия, в которых осуществлялась БУФ диагностика указанных ионов, и методы исследования обозначены следующими символами: А — абсолютные измерения спектрометром яркости линий вдоль центральной хорды плазменного шнура,? — многохордовые абсолютные измерения спектрометром яркости линий, О — регистрация спектра с помощью спектрографа вдоль центральной хорды шнура, 0 — многохордовые измерения спектра с помощью спектрографа, ДНГдополнительный напуск газа (в скобках указан сорт инжектируемого газа), ЛИП — лазерная инже-кция примеси (в скобках указан сорт инжектируемой примеси), ОН — омический нагрев, ДНН — дополнительный нагрев плазмы пучком нейтральных атомов, ДИЦН — дополнительный ионно-циклотрон-ный ВЧ нагрев.

Таблица 2.

Резонансные линии * на которых осуществлялась диагностика примесей плазмы токамаков (с помощью спектральных приборов с дифракционной решеткой) в экспериментах, указанных в таблице I.

Ион нм Переход!.. 1 Ион нмПереход Ион нм Переход.

С III 97,70 Д п= 0 5с /X 35,00 ДП = 0 Ге IX 17,11 ДИ= 0.

IV 154,82 —-и — X 35,61 — и — XI/ 28,41 — 1 —.

V 4,027 ДП= I XI 30,36 — И — XVI 33,54 — 1. —.

VI 3,374 — II — XII 49,93 — II — XVI 36,08 — II —.

А/ IV 76,515 дп = о Н VII 58,58 — II — XVIII 9,4 —1 —.

V 123,88 XV 22,12 — II — XVIII 10,4 — II —.

V/ 0 III 189,68 70,29 нр. лп-о ЛП = 0 XVI XVI 35,41 38,93 — 11 — XIX XX 10,87 13,28 — 1″ —.

III IV ¦ * Й 83,52 — и— ¿-с XVIII 18,07 — II — XXII 11,71 — 11 —.

55,41 — 11 — XIX 27,98 — II — ухи 13,57 — II —.

IV 79,02 — И — XIX 32,60 — И — XXII 15,62 — 1, —.

V 62,97 — 11 — ТС V 25,3 — II — XXIII 13,33 — и —.

VI 15,01 — «1 — XI 38,6 — и — XXIII 26,37 — II —.

VI 103,19 — II — XII 46,1 — 1V — XXIV 19,21 — и.

VI 103,76 — (I — XIV 12,20 — и — XXIV 25,52 — II.

VII 2,160 I XV 14,04 .— и — НС XI 14,84 — 11 —.

VII 162,36 нр. &п=с> XVI 16,2, 1 XVII 24,92 — VI.

VIII 1,897 ЛП= I XVI 16,97 .- 11. XVIII 29,20 — II —.

VIII & I 10,24 нр. XVII 17,98 IX Мо XIII 34,10 (1 —.

А/е VIII 77,04 610= 0 / ' * XVIII 17,99 — к — XIV 37,38 — 1, —.

М V 27,87 — и — XIX 16,96 — к XII/ 42,35 — «1 —.

VI 30,96 —-иXX 25,9 — II — XXXI П, 7 1, —.

1/II 35,22 IV — V XII 35,5 — И — XXXII 12,9 — п.

VIII 38,80 — «1 ¦— XII/ 42,3 — IV — XXXII 17,7 — II —.

IX 38,50 , — и — XX 15,9 — «1 — К*г ХХУ 15,9 — II —.

X 33,28 — II — XXI 29,4 — иXXVI 17,96 — II —.

XI 55,00 — 11 — Сг VI 20,15 — 11 — XXVI 22,06 — II —.

5б IV 45,82 ДУЧ = I XIII 32,83 — и — Хе XXV 16,45 -И.

VI 24,60 ДИ= 0 XIV 41,20 •—11 XXIп 17,39 — <1 —.

VII 27,53 —- И — XX/ 15,0 — 11 XXVI 23,42 — IV —.

VIII 31,98 — м— XXII 22,3 — к ;

35 Нерезонансные линии отмечены символом — нр. квантового числа (АК) =0).

Сведения, касающиеся самих спектральных приборов и их абсолютной энергетической калибровки приведены в других частях диссертации — соответственно в § 2.1 и § 3.3.

На советских токамаках в последнее десятилетие также интенсивно развивались работы по исследованию примесей спектроскопическими методами. Советские авторы в ряде случаев имели приоритет в развитии различных методик исследования.

Так, в частности, в работе В. И. Гервидса и В. А. Крупина предложен метод измерения диффузионного потока примеси по экспериментально измеренным радиальным распределениям интенсивности трех последовательных ионов примеси. В работе измерен диффузион-иона,^ ный потоку СIV по профилям излучения (в ближней УФ и видимой области) ионов ?///, С IV и С V в плазме ТМ-3. На этой же установке (ТМ-3) из абсолютных измерений (в ближнем УФ) излучения одного выделенного иона каждого сорта примеси — С V и О V были оценены потоки нейтралов примесей С и 0, поступающих в плазму/^V На токамаке Т-4 ^^ и позднее на Т-10 дополнительным импульсным напуском в разряд аргона моделировалось поведение высо-коионизованных тяжелых примесей в плазме — исследовались характеристики переноса многозарядных ионов инжектируемого аргона. Наблюдения велись в рентгеновской области по излучению резонансной линии fit МП и рекомбинационному скачку fit XVIII".

Новый метод инжекции в разряд примесей, суть которого заключается во вбрасывании в разряд макрочастиц размером 100−200 мкм, был предложен и осуществлен на токамаке ФТ-I /^Л В плазму вводились макрочастицы С, ?1, Tu «Си, Mo, W, Li H, lji О И и нержавеющей стали. Наблюдения за примесями осуществля.

— Рылись по их излучению в ближнем УФ диапазоне.

Метод активной диагностики примесей был использован на то-камаке Т-4 в работе регистрировался активный сигнал излучения линии А^ С VI (3,37 нм), возникающий во время зондирования плазмы пучком нейтральных атомов водорода и обусловленный перезарядкой голых ядер углерода на атомах пучка. Это позволило оценить концентрацию углерода в центре плазменного шнура.

Однако БУФ диагностика’на советских токамаках в эти годы отсутствовала до настоящей работы /52"67/. вс0 спектроскопические исследования проводились в рентгеновском и (или) ближнем УФ-видимом диапазоне. Измерение линейчатого излучения в рентгеновском диапазоне давало информацию только о высших состояниях ионизации примесных ионов в центральных областях плазмы, в то время как с помощью длинноволновой спектрометрии можно было получить далеко не полные и количественно не точные сведения о низкоиони-зованных состояниях. Поэтому отсутствие БУФ диагностики в исследованиях примесей всегда остро ощущалось при постановке экспериментов и интерпретации результатов.

Большой поток экспериментальных данных о поведении примесей стимулировал дальнейшее развитие теории, особенно неоклассической теории переноса частиц, основы которой были разработаны А. А. Гале.

7 о/ евым и Р. З. Сагдеевым ' ' '. Благодаря существованию в магнитном поле токамака запертых частиц, в неоклассической теории возникает «трехступенчатая» зависимость коэффициентов переноса (диффузии и теплопроводности) от частоты столкновений, именно: область (режим) малых частот столкновений, называемая «банановой» — область больших частот столкновений, получившая название «гидродинамической» или «Пфирша-Шлютера» и область промежуточных частот, называемая «плато» за слабую зависимость коэффициентов переноса от частоты столкновений /80/^ в многокомпонентной плазме благодаря изменению концентрации ионов и температуры вдоль малого радиуса имеется немало различных частот столкновений в объёме шнура, так что в принципе ионы примесей и рабочего газа в разных областях плазмы могут находиться в различных режимах столкновений. За последнее десятилетие несколькими авторами были рассчитаны неоклассические потоки в банановом режиме, в переходном режиме бананы-плато, в столкновительном (крайнем) режиме Пфирша — Шлютера и в промежуточном (смешанном или переходном) режиме Пфирша-Шлютера. Подробная информация на эту тему содержится в работе /^8/. там же приведены выражения для потоков, включающие все вышеперечисленные режимы.

Однако, как уже отмечалось, во многих экспериментах не наблюдалось накопления примесей в центре плазмы в течение разряда, как это предсказывалось неоклассической теорией, и соответственно вычисленные на основе экспериментальных данных потоки примесей отличались по величине и часто по знаку от неоклассических потоков. Поэтому для согласования теоретической модели с экспериментом в выражения для потоков стала вводиться «аномальность» или в виде увеличения (умножения на некоторый аномальный коэффициент) различных членов выражения для неоклассического потока, как например, в работе, или добавлением к неоклассическому потоку Гыс аномального Г, А: Г = ГА •.

В настоящее время нет теории, которая бы удовлетворительно объясняла природу аномального потока (хотя исследования в этом направлении интенсивно развиваются — см., например, структура. аномального потока неизвестна и единственное условие, которому он должен удовлетворять, есть условие амбиполярности диффузии: Ге — 21 kj «где Ге — плотность потока элекгI тронов, /¿-к — плотность потока ионов сорта j с зарядом к, включая основные ионы плазмы.

Для аномального потока обычно используют выражения в виде Д. dhjpftl (диффузионный член) или (П1,к/Г)е)ЪПе/2г (дрейфовый (конвективный) член) или их комбинации J0"D0"00″ 84Л Здесь — Д" аномальный коэффициент диффузии, который предполагается одинаковым для всех ионовЛе и Hj, k — концентрации электронов и ионов сорта j с зарядом к.

Функциональная зависимость коэффициента неизвестна, поэтому используются различные аппроксимации, простейшая из которых — считать Дц постоянной величиной /45.68/^ применяются также более сложные аппроксимации в виде эмпирических законов подобия — «скейлингов», выведенных по результатам экспериментов на различных установках, например, алкаторный скейлинг (по результатам установок Jtcaioi ж PIT) /58,66,85/^ ft^okot скейлинг (по результатам TFR) /57,58,65,83,86/^ На мо брался равным коэффициенту электронной диффузии Х) е, который находился экспериментально из эволюции электронной концентрации при допол.

7R/ нительном напуске газа ' ' .

В ряде работ /58.83,84/ на основе большого набора экспериментальных данных проводился подробный анализ характера процесса переноса примеси в плазме.

Б работе ^^ моделировалось положение максимумов профилей концентраций различных ионов кислорода и молибдена, измеренных в эксперименте на TFR. С экспериментальными данными сравнивались результаты расчетов в предположении: а) коронального ионизационного равновесия (то есть в отсутствии диффузии), б) неоклассического потока в гидродинамическом режиме, в) суммы неоклассического и аномального потоков, при этом последний брался в двух указанных выше формах — диффузионной и дрейфовой с коэффициентом Д, в виде Makokot скейлинга. Авторы пришли к выводу, что введение в расчет аномального потока в форме лучше всего описывает экспериментальную ситуацию.

В работе на базе подробных пространственно-временных измерений всех стадий ионизации легких примесей С и 0 в плазме TFR подбиралась наиболее адекватная модель для описания результатов эксперимента. В расчетный код включались неоклассические потоки в промежуточном режиме Пфирша — Шлютера и аномальные потоки. Коэффициент аномальной диффузии брался в виде различных аппроксимаций. Авторы нашли, что в случае переноса легких примесей в наружных областях плазмы доминирующей является аномальная диффузия. Однако имеющихся экспериментальных данных оказалось недостаточно, чтобы выбрать конкретный вид коэффициента диффузии для аномального потока. Утверждается также, что на излучение низко-ионизованных примесей сильное влияние оказывают краевые эффекты, связанные с взаимодействием плазмы со стенкой и диафрагмой (эти процессы мало изучены и плохо поддаются количественному описанию), а также наличие крутых градиентов температуры и концентрации плазмы. Ситуация усугубляется тем, что для периферической области плазмы на всех установках очень неточно измеряются (или совсем не измеряются) электронные температура и концентрация. В связи с этим низкоионизованные ионы плохо подходят для моделирования процессов переноса. Влияние краевых эффектов уменьшается с увеличением заряда иона и обычно исчезает для Li — подобных ионов легких примесей.

Авторы работы ^^, используя подробные данные эксперимента об излучении иона XX Ш и соседних ионов Fe Х’Х//, р^ХХ/^в плазме РЬТ, провели тщательный анализ влияния на оценку диффузионного потока ионов /-?XX ИI неопределенностей атомных коэффициентов, точности экспериментально измеряемых параметров, различных упрощающих предположений в расчетной модели и других неопределенностей. Было найдено, что экспериментальные ошибки в измерении и Те не играют критической роли в оценке потоков в центральных областях плазмы. Основным источником ошибок оказалась неопределенность в скоростных коэффициентах ионизации и рекомбинации. Показано, что отклонение на ~ 10% в этих коэффициентах может привести к изменению значения потока на порядок величины и даже изменить направление (знак) потока. Эта зависимость ошибки в расчете от неопределенностей скоростных коэффициентов особенно сильна в центральной области плазменного шнура, где поток много меньше, чем каждая из скоростей ионизации и рекомбинации. Этот факт наводит на мысль, что даже малые изменения в скоростных коэффициентах, используемых различными авторами, могут быть основной причиной для больших расхождений в их заключениях. Авторы рекомендуют для оценки потоков измерять профили излучения примесей в промежуточной области шнура — не слишком близко к оси и не слишком близко к стенке камеры. А это как раз та область, где практически вся информация о примесях добывается с помощью БУФ диагностики.

Остановимся кратко на расчетах энергетических потерь плазмы с излучением.

Полная мощность излучательных потерь на примесных ионах включает линейчатое, фоторекомбинационное и тормозное излучения, а также излучение, сопровождающее диэлектронную рекомбинацию и перезарядку. Если решить систему уравнения для распределения примесей в объёме плазменного шнура, то можно рассчитать полное линейчатое излучение, просуммировав излучение линий по всем ионам и по всем достаточно сильным переходам в каждом ионе. Такая модель при условии стационарного коронального ионизационного равновесия была реализована для легких примесей С и 0 в работах /87−89/. в работе — для примесей С, /V, 0, /-г, Мо и в /91/ - для примесей С, 0 ,$?,/1*1, Ге., Мо. В работе /92/ рассчитана зависимость радиационных потерь термоядерной плазмы (Те > 10 кэВ) от атомного номера Е примеси и температуры (6 ^? ^ 80). По указанной выше схеме, но с учетом диффузии рассчитано излучение примесей в работах (примеси углерода и кислорода), (углерод, кислород и железо) и (кислород и железо).

Во всех этих расчетах учитывалось излучение большого числа линий ионов всех степеней ионизации. Однако, для достаточно тяжелых ионов (типа железа и вольфрама) проведение таких детальных и громоздких вычислений весьма затруднительно. Кроме того точность таких вычислений остается невысокой из-за большой неопределенности в формулах для потоков частиц и скоростей атомарных процессов. Исходя из этих соображений в работе /®4/ была предложена достаточно простая и универсальная модель для расчета излучения примесей на основе приближения «среднего иона». Авторы работы модифицировали модель «среднего иона», применявшуюся ранее в астрофизических расчетах, для оптически тонкой плазмы с низкой плотностью, реализуемой в токамаках.

В модели решается система уравнений, описывающая заселенность уровней «среднего иона» в условиях стационарного коронального равновесия. Параметры «среднего иона» определяются с помощью статистического усреднения по всем возможным зарядовым состояниям данного элемента. Распределение концентрации примеси данного элемента в пространстве считается заданным. Суммарные потери энергии складываются из линейчатого, тормозного и рекомбина-ционного излучения. Б работе^^ на основе модели «среднего иона» были рассчитаны радиационные потери стационарной плазмы для ионов с атомным номером 2 ^ Z e- 92 в интервале температур 2 эБ.

Tfi —ч 100 кэВ и электронной концентрации Не Юхи см. Результаты сведены в таблицу зависимости суммарной мощности излучения мощность потерь энергии на один ион и один (свободный) электрон, эрг. см3 • с" «*) и среднего заряда иона <к> от электронной температуры TQ для данного элемента. Из этих зависимостей видно, что максимумы S^ тАх излучения примесей находятся при низких температурах, для которых наиболее представленными являются Л/g-, М*-, и LI — подобные ионы. В максимумах основной вклад дают резонансные переходы с ДП = 0, которые имеют самые большие сечения возбуждения. Минимумам соответствуют наиболее представленные ионы, имеющие оболочки благородного газа. Для легких примесей линейчатое излучение является преобладающим. То же можно сказать и в отношении низких и средних стадий ионизации ионов металлических примесей типа железа, молибдена.

Присутствие в плазме потоков примесей приводит к заметному отклонению радиационных потерь в периферийной области плазмы от рассчитанных в рамках модели «среднего иона» Как указано в работе при разумных коэффициентах аномальной диффузии г (4″ f6) • Ю3 см2 • с" 1 величина Те) (положение пика излучения) возрастает в 2*2,5 раза. Поэтому для повышения точности модели «среднего иона» при подсчете излучения по формулам работы ^^ в периферийной области следует вместо .S^ (Те,) использовать S^(Te/ji) «гДе коэффициент 2*2,5 определяет сдвиг максимума пика излучения за счет диффузионных потоков.

Из приведенного обзора видно, что БУФ диагностика примесей является практически единственным методом, дающим дифференцированную информацию (по сортам и зарядовым состояниям) о концентрациях, излучении, потоках, временах жизни примесных ионов в периферической и промежуточной областях плазмы, а в некоторых случаях и в центральных областях. Можно отметить разнообразие методов исследования примесей, в которых используется БУФ диагностикакаждый из этих методов лучше отражает какую-нибудь одну сторону поведения примесей в плазме. Тем не менее получение надежных результатов наталкивается на ряд серьезных трудностей, связанных с тем, что, как правило, при интерпретации измерений используется целый ряд предположений и большое количество сечений элементарных процессов, ряд абсолютных калибровок при измерении различных параметров плазмы. Низкая точность измерения Пе (ъ), Те (Ъ) и других параметров (особенно на краю плазмы) также снижают точность и однозначность интерпретации эксперимента. Кроме того, отличительной особенностью токамака является то обстоятельство, что такой важный параметр как распределение тока не задается внешним образом, а формируется в зависимости от возникающих в разряде условий динамики примесей и их сорта. Это приводит к существованию режимов с широким либо скинированннм (с провалом в центре) распределением температуры и тока, так и с пикированным распределением. Вполне возможно, что процессы переноса различаются для этих двух режимов. Внутренняя релаксационная неустойчивость в центральной зоне шнура также может влиять на перенос примесей /^6/. Эти обстоятельства затрудняют понимание физики поведения примеси в плазме, так как исследования на разных установках проводятся в отличных условиях. С другой стороны, по этим же причинам часто трудно применить результаты других исследований к конкретной установке и, следовательно, необходимо для данной установки проводить свои исследования поведения примесей.

Наконец отметим, что наиболее полные и согласованные результаты исследования примесей могут быть подучены лишь в случае, когда, наряду с БУФ диагностикой, в проводимом эксперименте привлекается широкий комплекс диагностических средств, включая измерения пространственных и временных распределений температуры и концентрации плазмы, диагностики в рентгеновском и видимом диапазоне, болометрические измерения и т. д. По сути дела необходим сложный, комплексный эксперимент, в котором все диагностики работали бы на данную задачу, и именно ввиду сложности постановки такой работы, подобные или близкие к ним по полноте информации эксперименты осуществлены до настоящего времени лишь в единичных случаях /26,32,35,45,50,58,61/#.

§ 2. Постановка задачи.

Несмотря на важность диагностики примесей в БУФ области спектра и широкое развитие, начиная с середины 70-х годов, такой диагностики на зарубежных установках с магнитным удержанием плазмы, в СССР к началу постановки данной работы (1977 г.) БУФ диагностика примесей отсутствовала на токамаках. Основная причина такого положения заключалась в том, что не было отечественных спектральных приборов на БУФ область спектра (~ 3*150 нм), которые могли бы работать в условиях токамака. Применявшийся в ранних работах 60-х годов спектрограф ДФС-6 и некоторые лабораторные спектрометры не удовлетворяли возросшим требованиям при эксплуатации их на современных установках (в частности из-за вакуумных условий), были неудобны в работе и не могли обеспечить решение новых более сложных задач исследования примесей плазмы.

В начале работы, отраженной в настоящей диссертации, была поставлена задача разработать и построить в ФТИ АН СССР спектрометр на БУФ область спектра, отвечающий условиям работы на современных токамаках, с тем, чтобы в дальнейшем установить этот прибор на крупнейший в СССР, по тому времени, токамак Т-4 и разработать методику измерения абсолютной яркости линий, излучаемых плазмой. Для этого требовалось решить комплекс научно-технических задач: выбрать и рассчитать оптическую схему прибора и надежную кинематику сканирования спектра, проанализировать спектральные характеристики прибора, создать надежную в вакуумном отношении, простую в эксплуатации конструкцию прибора. После изготовления прибора его необходимо было настроить и отградуировать по длинам волн.

Вся последующая часть работы была выполнена в ИАЭ им. И. В. Курчатова.

На базе данного прибора был создан спектроскопический канал диагностики линейчатого излучения плазмы на токамаке Т-4, а затем и на Т-10. Была отработана методика абсолютной энергетической калибровки спектрометра в условиях работы его на токамаке. Возможности спектрометра проверены в процессе снятия обзорного спектра плазмы Т-4. Установлено, что спектрометр может успешно использоваться для решения ряда задач диагностики примесей. Это дало возможность выбрать физическую задачу на первом этапе работы спектрометра на токамаке в условиях ограниченного времени (эксплуатация Т-4 заканчивалась, и он подлежал демонтажу). Было предложено использовать спектрометр для измерения концентраций примесей С, 0, /-?, энергетических потерь плазмы с линейчатым излучением, оценки эффективного ионного заряда плазмы.

Таким образом создание спектрального канала, отработка методики абсолютных измерений и применение ее в эксперименте по измерению концентраций примесей и потерь плазмы с излучением составили содержание второго этапа работы.

Третий этап работы заключался в создании канала спектроско-пинеской БУФ диагностики на Т-10 для абсолютных измерений пространственного распределения яркости свечения исследуемых линий. Были выполнены измерения яркости ряда линий примесей в том числе многохордовые измерения яркости свечения Ге XV. Однако, в полном объёме провести намеченные измерения радиальных профилей яркостей ряда линий не удалось. Причиной было то обстоятельство, что в это время на Т-10 выполнялась программа экспериментов по подбору устойчивых разрядов с оптимальными параметрами, которые часто варьировались. Но даже разряды с одинаковыми начальными параметрами обладали плохой повторяемостьюпримерно 30−50% из них были неустойчивыми (в частности, сопровождались «срывом» тока). Это практически исключало возможность получения серии воспроизводимых разрядов, необходимых для многохордового (от разряда к разряду) измерения пространственного профиля свечения линии.

Таким образом на третьем этапе был создан спектроскопический канал на Т-10 и показана принципиальная возможность измерения в этом канале пространственного профиля яркости исследуемой линии.

Основная часть диссертации содержит пять глав и заключение.

Б первой главе излагаются теоретические основы БУФ диагностики примесей плазмы токамака.

Бо второй главе, после краткого обзора современной техники.

БУФ спектроскопии, используемой на термоядерных установках с магнитным удержанием, дается описание спектрометра на область 10 123 нм, предназначенного для работы на токамаке. Обосновывается выбор оптической схемы и рассчитываются характеристики прибора. Рассматривается методика абсолютных измерений временного и пространственного (вдоль малого радиуса плазменного шнура) распределений интенсивности спектральных линий. Описывается техническая реализация абсолютной энергетической калибровки спектрометра методом пар линий с общим верхним уровнем с использованием токамака в качестве источника таких линийобосновывается применимость этого метода для существующих параметров плазмы токамака. Приводятся результаты измерений обзорного спектра плазмы Т-4 и обсуждаются характеристики этого спектра. На основании полученных результатов делается вывод о целесообразности применения данного спектрометра для решения ряда задач диагностики примесей.

Основные результаты работы можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Разработан и построен спектрометр на вакуумную ультрафиолетовую область (10 — 123 нм) по схеме с постоянным углом отклонения для спектроскопической диагностики плазмы установок УТС с магнитным удержанием.

2. На установках Т-4 и T-I0 реализован до этого не применявшийся на современных советских токамаках метод спектроскопической диагностики плазмы в ВУФ области — создан спектроскопический канал на область 10 — 123 нм для исследования линейчатого излучения примесей плазмы.

Выполнена абсолютная энергетическая калибровка спектрометра методом пар линий с общим верхним уровнем в рабочем положении прибора, используя плазму токамака как источник излучения.

3. Впервые получены обзорные линейчатые спектры с временным разрешением водородной и гелиевой плазмы Т-4 в ВУФ области (для разрядов низкой мощности (Тех 100 * 150 эВ) используемых в тренировочном режиме работы токамака). Это позволило определить химический и зарядовый состав плазмы, распределение энергии излучения по спектру, оптимальным образом выбрать линии (с учетом контрастности и отсутствия близкого соседства или наложения других линий сравнимой интенсивности) для последующей количественной диагностики примесей в рабочих разрядах токамака, а также оценить на практике светосилу и разрешающую способность спектроскопического канала, которые оказались достаточными, чтобы надежно выделять большинство резонансных линий, представляющих интерес для диагностики плазмы.

Показано, что уровень рассеянного света в спектрометре снижен до значения, которое практически не оказывает влияния на контрастность исследуемых линий и что фоновая подложка формируется главным образом из квазинепрерывного спектра большого числа не разрешаемых прибором слабых линий ионов кислорода и железа различных кратностей ионизации.

4. Отработана методика измерения абсолютной интенсивности линейчатого излучения плазмы и распределения интенсивности свечения линий по сечению плазменного шнура.

Для плазмы токамаков Т-4 и Т-10 измерены абсолютные интенсивности резонансных линий ионов СIII, О VI, Ге. XI/" Съ ХШ вдоль центральной хорды плазменного шнура. Результаты измерений использованы для оценки мощности излучения и концентраций данных ионов, полной мощности излучения и полных концентраций примесей С, 0, Ре, Съ, а также эффективного ионного заряда плазмы.

Показано, что использование экспериментальных данных об абсолютных яркостях резонансных линий некоторых ионов примесей в сочетании с обоснованной моделью диффузии и излучения примесей позволяет провести надежную оценку вклада отдельных сортов примесей в эффективный ионный заряд и полные потери энергии плазмы с излучением.

На примере резонансной линии Ре XV (Х — 28,4 нм) реализован метод получения радиального распределения яркости свечения линии с помощью регистрации излучения вдоль различных хорд сечения плазменного шнура.

5. Опыт работы на Т-4 и Т-10 использован для анализа характеристик БУФ спектрометра, предназначенного для исследования линейчатого излучения плазмы на больших токамакахрассмотрено б вариантов оптических схем монохроматоров скользящего падения, проведено их сравнение с учетом аберраций, предельного разрешения, светосилывыбраны оптимальные параметры диспергирующего элемента.

Установлено, что из всех оптических схем с классической дифракционной решеткой обращенная схема Бодара и схема с постоянным углом отклонения в наибольшей степени удовлетворяют требованиям, предъявляемым к БУФ спектрометрам, предназначенным для работы на больших токамаках.

В последние годы экспериментальные методы и техника вакуумного ультрафиолетового диапазона быстро развиваются. С другой стороны проблема примесей плазмы установок УТС с магнитным удержанием все еще далека от решения. В этих условиях спектроскопические исследования примесей в БУФ области остаются одним из основных диагностических средств плазмы токамаков и их значение все более возрастает. Можно указать следующие направления развития БУФ диагностики плазмы:

1. Использование в БУФ спектрометрах позиционно-чувствитель-ных фотоэлектрических детекторов, что позволяет в одном измерении регистрировать целые участки спектров с временным разрешением.

2. Применение метода активной корпускулярноспектроскопической диагностики плазмы Этот метод имеет два существенных преимущества. Во-первых, он позволяет получать локальные характеристики излучения исследуемых линий и, таким образом, отпадает необходимость в процедуре абелизации экспериментальных данных, которая вносит значительные погрешности в конечные результаты. Во-вторых, повышается точность определения концентраций ионов, поскольку б данном методе физически выделяется единственный механизм возбуждения ионов примесей — именно, процесс перезарядки ионов на нейтральных атомах зондирующего пучка, в то время как в случае пассивной спектроскопической диагностики приходится, в общем случае, учитывать несколько процессов, приводящих к излучению иона (возбуждение электронным ударом, рекомбинацию, перезарядку) .

3. Разработка способов получения в одном спектроскопическом измерении (за один разряд токамака) пространственного разрешения плазменного шнура.

4-. Разработка БУФ спектрометров с пределом разрешения не хуже~0,01 нм для решения ряда задач, связанных с измерением спектрального контура линий (например, для определения ионной температуры или скорости вращения плазмы).

Результаты данной работы и накопленный опыт в определенной мере могут служить заделом для реализации указанных направлений развития БУФ диагностики плазмы на советских токамаках.

Материалы диссертации опубликованы в печатных работах 67' «189* и докладывались на Всесоюзном семинаре по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом (Ленинград, 1978 г.) и 6-й Всесоюзной конференции по физике вакуумного ультрафиолетового излучения и взаимодействию излучения с веществом (Москва, 1982 г.).

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю благодарность своему научному руководителю С. В. Бобашеву за постановку задачи настоящей работы, контроль и помощь на всех этапах ее решениязаведующему лабораторией В. В. Афросимову за постоянную поддержку работы и ценные критические замечания.

Автор глубоко признателен также сотрудникам ИАЭ им. И. В. Курчатова В.А.Крупину, В. Ф. Стрижеву и В. И. Бугаря за большую помощь в практическом осуществлении работы и обсуждение результатовВ.С.Стрелкову и К. А. Разумовой за предоставление возможности и создание благоприятных условий работы на токамаках.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.