Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованию особенностей функций распределения быстрых ионов плазмы токамака JET с применением специально-разработанного цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки.
Актуальность работы. В плазме токамака происходит множество быстропротекающих процессов, которые оказывают влияние на перемешивание частиц в конфигурационном пространстве и пространстве скоростей. Это может приводить к существенному увеличению потерь частиц из плазмы и переносу энергии из центра плазменного шнура на границу. Для анализа характера и степени воздействия на плазму быстропротекающих процессов требуется измерение динамики энергетического распределения участвующих в этих процессах частиц [1]. В этой связи в современных экспериментах на токамаках возникает необходимость исследования эволюции энергетических распределений частиц с высоким временным разрешением.
Спектрометрия атомов перезарядки даёт информацию об энергетическом распределении быстрых ионов плазмы [2]. Эта информация важна для повышения эффективности нагрева ионов высокочастотными волнами и для изучения удержания ионов как в спокойной плазме, так и под влиянием магнитогидродинамических (МГД) неустойчивостей, например «пилообразных» или Альфвеновских мод. Цели экспериментов требуют, чтобы используемые методики были способны обеспечивать спектрометрические измерения во временных интервалах ~10 мс, то есть при загрузках свыше 10 импульсов в секунду [3].
Для выполнения подобных измерений в настоящее время применяют многоканальные анализаторы нейтральных частиц, обеспечивающие регистрацию энергетических распределений ионов после ионизации атомов в обдирочной камере или плёнке [4]. Заряженные частицы «заворачиваются» в магнитном и электрическом полях по разным траекториям в зависимости от
их импульса и энергии. Регистрация ионов производится много детекторной системой, располагаемой в анализаторе сразу после блока с анализирующими магнитным и электрическим полями. Наряду с высокой надёжностью и информативностью (разрешением по массе иона) таких систем, они обладают некоторыми ограничениями в применении. Количество каналов анализатора ограничено количеством детекторов в нём. Не 100%-ная эффективность регистрации, связанная с вероятностным характером процесса обдирки, большие размеры и чувствительность к окружающим полям накладывают ограничения на расположение анализатора, затрудняют его применение для определённых задач. В экспериментах с высокотемпературной плазмой для регистрации энергетических распределений атомов перезарядки в коротких временных интервалах также применяются полупроводниковые (кремниевые, алмазные) спектрометры. До недавнего времени такие детектирующие системы использовали аналоговую обработку сигналов, что приводило к ограничениям по предельной скорости счета не более 10 имп./сек. В современных экспериментах на токамаках требуется измерять спектры атомов перезарядки во временном интервале 10 мс. Это условие трансформируется в требование к спектрометрическому тракту работать при более высокой скорости счёта.
В связи с развитием компьютерных технологий, дальнейшая эволюция полупроводниковых измерительных устройств будет связана с использованием цифровых методов регистрации и обработки сигналов. В настоящее время разработаны быстродействующие устройства регистрации и сбора данных, осуществляющие преобразование аналогового импульса детектора в цифровую форму, с частотой дискретизации -0.5-^1 ГГц и разрядностью 8^-10 бит.
Целью диссертационной работы является исследование особенностей функции распределения высокоэнергетичных ионов плазмы токамака при применении методов дополнительного нагрева и при различных параметрах плазмы. Для достижения этой цели потребовалось создать алмазный спектрометр быстрых атомов перезарядки, разработать аппаратную и программную части спектрометра, установить и применить его в условиях реального эксперимента на токамаке JET.
На протяжении периода с 2005 года, когда была начата работа, результаты которой представлены в данной диссертации, по настоящее время в целом устоявшиеся методы диагностики высокотемпературной плазмы претерпевали качественные изменения, причиной которых является развитие вычислительной техники и численных методов обработки данных. Многие диагностики переводятся с аналоговой схемы обработки сигналов на цифровую. Помимо увеличения скорости и точности работы измерительной системы это влечёт за собой такие благоприятные последствия, как возможность многократной пост-обработки данных, применение цифровой фильтрации и автоматизацию оперирования диагностикой.
Научная новизна работы заключается в том, что:
1. Разработаны и реализованы не имеющие аналогов методы анализа
больших экспериментальных массивов данных оцифрованных сигналов
быстрых детекторов ионизирующего излучения плазмы токамака для
определения энергетических и временных распределений регистрируемых
частиц.
2. Впервые для алмазного спектрометра атомов перезарядки,
работающего при высоких загрузках в условиях повышенных
электромагнитных наводок, разработан и применён цифровой
измерительный тракт. Основными особенностями элементов созданного
электронного тракта являются хорошая помехозащищённость и соотношение
сигнал/шум.
З. В экспериментах на токамаке JET впервые зарегистрированы потоки атомов перезарядки с использованием алмазного спектрометра с цифровой обработкой сигналов, проанализированы их энергетические распределения, выявлены механизмы, определяющие поведение быстрых ионов плазмы токамака.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что полученные результаты расширяют возможности систем корпускулярных диагностик высокотемпературной плазмы. Спектрометрия потоков атомов перезарядки в коротких временных окнах даёт уникальную информацию о поведении ионов плазмы, их взаимодействии с ионами и электронами, электромагнитными волнами и различными быстроразвивающимися неу стойчивостями.
Созданные методики легли в основу разработанного автором проекта диагностики быстродействующей спектрометрии атомов перезарядки для Международного термоядерного экспериментального реактора ИТЭР.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Создан спектрометр быстрых атомов перезарядки на базе детектора с природным алмазом с системой цифрового сбора и обработки данных.
-
Разработаны эффективные алгоритмы анализа импульсов в зашумлённых сигналах детекторов ионизирующего излучения плазмы токамака. Созданные алгоритмы позволили увеличить предельную загрузку спектрометров до 10 имп./с и снизить энергетический порог регистрации атомов перезарядки до 70 кэВ.
-
Созданный спектрометр применён для регистрации атомов перезарядки в диапазоне энергий 70-К250 кэВ в экспериментах на токамаке JET с ВЧ-нагревом плазмы и инжекцией нейтралов.
-
С помощью экспериментальных исследований спектров атомов перезарядки, выполненных с применением разработанной методики и алгоритмов обработки данных, продемонстрированы особенности функции
распределения ионов плазмы токамака JET при различных сценариях дополнительного нагрева.
4а. Определена зависимость величины эффективной
температуры надтепловой части спектра ионов плазмы от мощности
ИЦР-нагрева и параметров плазмы.
46. Определена зависимость времени удержания
(термализации) быстрых ионов от плотности плазмы в токамаке JET.
4в. Продемонстрировано влияние развивающихся в плазме
неустойчивостей на выход частиц высоких и тепловых энергий.
5. Разработан проект цифрового алмазного спектрометра быстрых атомов перезарядки токамака ИТЭР, дополняющий диагностику анализаторов нейтралов.
Структура и объём диссертации
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованной литературы из 133 наименований. Основная часть работы изложена на 136 страницах, содержит 39 рисунков и 7 таблиц.
