Содержание к диссертации
Введение
1. Применение методов лазерной спектроскопии в исследованиях плазмы и других объектов 15
1.1. Основные области использования рассматриваемой диагностики. 15
1.1.1. УТС-системы с магнитной термоизоляцией 15
1.1.2. Исследования в верхней атмосфере методом лазерной флуоресценции 21
1.1.3. Получение атомно-молекулярных данных 22
1.1.4. Плазменные технологии 26
1.2. Основные объекты исследования 27
1.3. Физические проблемы, связанные с использованием лазерной спектроскопией 28
1.3.1. Взаимодействие двухуровневого атома с лазерным излучением 28
1.3.2. Роль соударений с частицами окружающей среды 30
1.3.3. Диагностика атома водорода как пример проблем и методов их решения 31
2. Система диагностики диверторной плазмы ИТЭРа методом лазерной спектроскопии 36
2.1. Основные характеристики установки ИТЭР 36
2.2. Условия функционирования диагностик установки ИТЭР 38
2.3. Описание системы диагностики и проблемы предварительной оценки сигналов флуоресценции 42
2.4. Спектроскопические схемы и результаты расчетов 51
2.5. Значение теоретических 2Б-моделей для расчётов сигналов флуоресценции 58
2.6. Оценка локальных параметров электронной компоненты методом лазерной спектроскопии 64
3. Эксперименты на плазменных установках ИЯС РНЦ выполненные в рамках разработки методов лазерной спектроскопии для установки ИТЭР 71
3.1. Установка ГЕЛЛА - основные характеристики 71
3.2. Эксперименты, выполненные методами лазерной и эмиссионной спектроскопии 74
3.3. Анализ применимости метода ЛФ к измерению концентрации атомов гелия в диверторной плазме ИТЭРа 79
3.4. Программа измерений методами эмиссионной и лазерной спектроскопии на установке ПН-3 81
3.5. Описание плазменного нейтрализатора ПН-3 82
3.6. Спектроскопические измерения на установке ПН-3 89
3.6.1. Применение метода лазерной спектроскопии для диагностики иона Аг II 91
3.6.2. Метод обработки данных доплеровских лазерных измерений 95
3.6.3. Эффект аномального нагрева ионов 99
3.6.4. Методика оценки электронной температуры 103
3.6.5. Степень ионизации аргона в центральной области плазменного шнура ПН-3 105
3.7. Состояние разработки вариантов метода лазерной спектроскопии для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа 110
4. Лидарное зондирование искусственных плазменных образований (ИПО) в верхней атмосфере и мониторинг газообразных загрязнителей в тропосфере 112
4.1. Типичные исследуемые объекты 112
4.2. Полевые измерения на космодроме "Капустин Яр" 115
4.2.1. Разработка ЛФ-методики и создание аппаратурного комплекса для орбитальных измерений ИПО 115
4.2.2. Лидарный комплекс для полевых измерений 123
4.3. Определение оптической плотности бариевых ИПО 128
4.3.1. Сценарий ночного эксперимента 129
4.3.2. Использование метода Монте-Карло для обработки результатов экспериментов 131
4.4. Результаты измерений в сумеречных условиях 133
4.5. Разработка мобильной лидарной системы (МЛС) для мониторинга газообразных загрязнителей в тропосфере 136
4.5.1. Метод дифференциального поглощения 136
4.5.2. Особенности конструкции и технические характеристики МЛС 145
4.5.3. Дистанционное зондирование диоксида серы и атомарной ртути в атмосфере 154
4.5.4. Дополнительные возможности применения мобильной лидарной системы 168
5. Рэлеевское рассеяние лазерного излучения вблизи резонансной частоты и его диагностические приложения 170
5.1. Физические основы метода 170
5.2. Лабораторные эксперименты 172
5.3. Возможность создания рэлеевского лидара 181
6. Использование лазерной спектроскопии для решения ряда прикладных задач 184
6.1. Фотолюминесценция образцов предварительно облученных оптических материалов принятых в качестве кандидатов для изготовления оконИТЭРа 184
6.1.1. Состав и конфигурация используемого стенда 185
6.1.2. Результаты измерений спектров фотолюминесценции возбуждаемых УФ-излучение 190
6.2. Применение лазерного возбуждения фотолюминесценции тканей организма с целью индикации границ скрытых патологических изменений на ранней стадии развития некробиоза 199
6.2.1. Краткое описание методики, схемы измерений и полученных результатов 200
6.2.2. Анализ полученных результатов и объяснение эффекта усиления вторичной люминесценции образцов биологических тканей и сред при различных формах их деградации 204
6.3. Проблема детектирования и идентификации биологических материалов (бактерии, вирусы, токсины) 212
6.3.1. Возбуждение спектров флуоресценции микроорганизмов-имитаторов токсичных биологических материалов 212
6.3.2. Создание компактного детектора основанного на применении ультрафиолетового лазера и его испытания 221
6.3.3. Создание базы данных спектров флуоресценции биологических объектов и программного обеспечения 235
Заключение 242
Литература 244
- Исследования в верхней атмосфере методом лазерной флуоресценции
- Описание системы диагностики и проблемы предварительной оценки сигналов флуоресценции
- Анализ применимости метода ЛФ к измерению концентрации атомов гелия в диверторной плазме ИТЭРа
- Разработка ЛФ-методики и создание аппаратурного комплекса для орбитальных измерений ИПО
Введение к работе
Применение лазерной спектроскопии к изучению характеристик сред представляет несомненный интерес как при проведении фундаментальных, так и прикладных исследований. Лазерная спектроскопия это раздел оптической спектроскопии, методы которого основаны на применении монохроматического излучения лазеров для стимулирования квантовых переходов между вполне определёнными уровнями. Эти методы позволяют получать локальную информацию о параметрах исследуемых объектов с высоким пространственным, временным и спектральным разрешением. Преимущество лазеров над некогерентными источниками света заключается в возможности достижения большой спектральной плотности мощности, что значительно уменьшает проблемы шумов, вызванных фоновым излучением или шумами приемников.
Лазерная спектроскопия по сравнению с другими бесконтактными оптическими методами диагностики позволяет проводить измерения на значительном расстоянии от исследуемого объекта и получать информацию об его составе (например, лидарное зондирование атмосферы). Принципиально новые возможности лазерная спектроскопия приобрела с появлением лазеров с плавно перестраиваемой частотой, которые являются комбинацией источника света и спектрометра ультравысокого разрешения, что даёт возможность измерять профили спектральных линий. Одними из наиболее перспективных аппаратурных комплексов представляются диагностические системы, состоящие из лазеров на красителях с оптической накачкой эксимерными лазерами. Кроме того, эксимерные лазеры могут применяться как самостоятельные системы, например, для диагностики в биологии и медицине. Это позволяет создавать многофункциональные диагностические системы для фундаментальных и прикладных исследований.
По мере роста масштабов исследований на установках с магнитной термоизоляцией в рамках программ УТС и перехода к созданию прототипа
термоядерного реактора, возрастает роль методов диагностики, позволяющих проводить измерения параметров высокотемпературной плазмы в условиях затрудненного доступа к плазме и при наличии целого ряда неблагоприятных факторов. Диагностическая аппаратура и методики, основанные на использовании лазерной спектроскопии, позволяют удовлетворять этим достаточно жестким требованиям, и их разработка является актуальной задачей.
Еще одно актуальное направление диссертационной работы состоит в возможности использования специализированных лазерных систем для геофизических и космических лидаров и лидарных систем для экологического мониторинга окружающей среды. Важными приложениями также представляют исследования предварительно облученных оптических материалов для ИТЭРа, применение лазерно-индуцированной фотолюминесценции для диагностики биологических объектов в интересах медицины и микробиологии.
Цели и задачи работы. Целью представленной диссертационной работы являлось создание новых эффективных диагностических систем, основанных на использовании методов лазерной спектроскопии; их применение для исследований в физике плазмы и для решения ряда других наукоёмких прикладных проблем. Для достижения этой цели были решены следующие основные задачи.
1. Разработка концепции диагностических систем, основанных на использовании методов лазерной спектроскопии, способных работать в неблагоприятных внешних условиях и обладающих однотипной конфигурацией основной подсистемы - источника зондирующего лазерного излучения.
Физическое обоснование применения лазерной спектроскопии для диагностики гелия и аргона в диверторной плазмы ИТЭРа и создание прототипа лазерной системы.
Моделирование процесса переноса резонансного излучения при импульсном зондировании пространственно ограниченных плазменных объектов в верхней атмосфере.
Проведение модельных экспериментов с использованием лазерной спектроскопии на плазменных установках ГЕЛЛА и ПН-3.
Создание "космического лидара" для зондирования искусственных плазменных образований на высотах до ~ 250 км и проведение полевых экспериментов на космодромах.
Разработка и изготовление мобильной лидарной системы для мониторинга газообразных токсичных загрязнителей атмосферы, проведение полевых испытаний.
Проведение экспериментов с использованием рэлеевского рассеяния лазерного излучения вблизи частоты атомного перехода и определение диагностического потенциала этой методики.
Проведение прикладных исследований с использованием возбуждения флуоресценции изучаемых веществ. К числу таких объектов относятся: а) оптические материалы для окон ИТЭРа; б) биологические объекты.
Новизна работы
Создан прототип источника лазерного излучения для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа, работающий в широком диапазоне длин волн; при работе в импульсно-периодическом режиме возможна генерация попеременно двух различных длин волн.
Проведена серия модельных измерений в гелиевой плазме с использованием спектроскопических схем со столкновительным
переносом возбуждения. Некоторые спектроскопические схемы были применены впервые.
Впервые в нашей стране методом лазерной спектроскопии получены (в измерениях на установке ПН-3) детальные пространственно-временные характеристики функции распределения по скоростям ионов Аг II; в ряде режимов обнаружены эффекты, указывающие на "аномальный характер" нагрева ионов.
Показано, что в определенных условиях интенсивность сигналов флуоресценции может быть использована для оценок пространственного распределения электронной температуры. Обоснована возможность измерения локальных значений электронной плотности по отношению интенсивностей двух линий флуоресценции атома гелия.
Впервые в мире произведено зондирование искусственных плазменных образований в верхней атмосфере с помощью лазерного флуоресцентного лидара.
При зондировании искусственного плазменного образования измерена оптическая толщина на длине волны резонансного перехода атома бария Х=554 нм
Создана мобильная лидарная система для экологического мониторинга газообразных техногенных примесей в тропосфере. Впервые был использован новый подход, основанный на создании автономного лидарного модуля, смонтированного в виде моноблока, отдельные узлы и элементы которого были изготовлены с использованием космических технологий.
При изучении лазерного рассеяния вблизи резонансной частоты перехода атома гелия (А,=1.0830 мкм) было впервые предложено использовать одну
из линий лазера AlY03:Nd (XL = 1.0794 мкм). Соответствующие эксперименты были выполнены на установке ГЕЛЛА.
Продемонстрирована возможность возбуждения резонансной линии А,=307.16нм атома бария при переходах с виртуального уровня, соответствующего энергии фотона эксимерного лазера (XL ж 308 нм) при соударениях с атомами буферного газа (аргона).
Проведены измерения фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов предназначенных для использования на ИТЭРе.
Впервые были измерены спектры фотолюминесценции различных биологических объектов при лазерном облучении в УФ-области. Определена граница скрытых патологических изменений тканей организма и развитие раннего некробиоза в режиме реального времени. Проведена идентификация биологических объектов по спектрам их фотолюминесценции.
Научная и практическая ценность работы
На основе разработанной концепции созданы лазерные системы (лазеры на красителях с оптической накачкой излучением эксимерного лазера), которые, отличаются высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Созданная лазерная аппаратура успешно прошла стендовые испытания по жестким программам, соответствующим отечественным стандартам, предъявляемым к аппаратуре, устанавливаемой на космических летательных аппаратах (КЛА).
Созданный прототип источника лазерного излучения для диагностики диверторной плазмы ИТЭРа был применён на плазменных установках при проведении модельных экспериментов в интересах программы ИТЭР.
Разработанные методы оценок сигналов лазерной флуоресценции (подтвержденные проведенными модельными экспериментами) демонстрируют возможность получения количественных оценок концентрации и температуры атомов (ионов). Показано, что ЛФ-методика обладает значительным дополнительным диагностическим потенциалом, в
частности, возможностью проведения локальных оценок параметров электронной компоненты.
Созданные лидары были использованы в измерениях на космодроме "Капустин Яр" и во время экспедиционных измерений в Атлантике, что продемонстрировало возможность проведения научных и прикладных измерений с помощью таких систем в полевых условиях.
Учитывая неблагоприятную экологическую ситуацию в СНГ, созданная мобильная лидарная система может найти широкое применение для оценки экологического состояния окружающей среды, в том числе и для работы в зонах чрезвычайных ситуаций.
Лазерная диагностическая аппаратура была использована для изучения спектров люминесценции предварительно облученных оптических материалов для оптических окон ИТЭРа.
По спектрам люминесценции (возбуждаемых эксимерным лазером) создана методика обнаружения границы пораженного участка ткани организма, имеющая большое значение, в частности, для полевой хирургии.
Создана аппаратура и методика, позволяющая проводить идентификацию биологических объектов, включая патогенные бактерии, с вероятностью 90%.
Положения, выносимые на защиту.
1. Физическое обоснование и концепция диагностической системы для измерений параметров диверторной плазмы ИТЭРа методами лазерной спектроскопии. Обоснование "нетрадиционных" применений лазерной спектроскопии, таких как локальные оценки температуры и концентрации электронов.
Результаты модельных экспериментов по измерению параметров плазмы (с использованием прототипов лазерного излучателя для ИТЭРа) на установках ГЕЛЛА и ПН-3.
Физическое обоснование и создание флуоресцентных лидаров для исследований искусственных плазменных облаков в верхней атмосфере; результаты лидарного зондирования; методы интерпретации полученных данных.
Мобильная лидарная система для мониторинга техногенных примесей в атмосфере и результаты применения ее к измерениям концентрации атомарной ртути и диоксида серы.
Результаты экспериментального изучения лазерного рэлеевского рассеяния вблизи резонансной частоты атома в столкновительной среде.
Результаты измерений спектров фотолюминесценции предварительно облученных оптических материалов, предназначенных для использования на ИТЭРе.
Результаты приложения лазерной спектроскопии к диагностике биологических тканей с целью определения скрытых патологических изменений организма и методика идентификации биологических объектов.
"Исследование лабораторной и космической плазмы методами лазерной спектроскопии с помощью многофункциональных диагностических систем, а также применение разработанных методов и аппаратуры для решения ряда практически важных экологических, физико-технических и биологических проблем" можно классифицировать как новое научное направление, работа в рамках которого вносит значительный вклад в развитие исследований по физике плазмы и в решение ряда прикладных задач.
Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы
докладывались и обсуждались на семинарах ИЯС РНЦ "Курчатовский
институт"; Конференциях и тематических совещаниях по диагностике
высокотемпературной плазмы; Международных симпозиумах по лазерной
диагностике плазмы; Международных симпозиумах по экологическим аспектам
и вопросам безопасности; Пленарном совещании Комитета по космическим
исследованиям.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав
и заключения. Содержание работы изложено на 260 страницах текста, включает
124 рисунков и 16 таблиц, библиография 167 наименования.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 37 печатных
работах общим объёмом 202 страницы.
Во Введении приведено обоснование применения методов лазерной
спектроскопии к исследованию характеристик сред. Подчеркивается
актуальность и эффективность применения разработанных комплексов
аппаратуры не только для решения научных задач, но и для проведения
«наукоемких» прикладных исследований.
Исследования в верхней атмосфере методом лазерной флуоресценции
В центральной области плазмы доплеровские измерения температуры методом лазерной спектроскопии обычно не проводились. Исключение составили измерения на токамаке Т-10, где те возможности, которые создают столкновительные процессы в плазме были использованы для измерений на гелии и на гелиеподобном ионе углерода CV [15-17]. Измерения гелиеподобного иона углерода С V были проведены в ряде режимов токамака Т-10, в том числе и в условиях ионно-циклотронного нагрева (ИЦР). В данном случае роль соударений заключается в столкновительном заселении нижнего уровня используемого оптического перехода 2 3Si — 2 3Po,i,2- Энергия возбуждения метастабильного уровня 2 Si относительно высока и составляет ЕЕХС - 299 эВ. Температура ионов, измеренная в режимах с ИЦР-нагревом составляла Т;« 100 эВ [17]. Аналогичные измерения могут быть проведены и на других гелиеподобных ионах легких элементов (см. Табл. 4 в обзоре [1]). В случае измерения Неї на Т-10 столкновительный перенос излучения 3 3D — 3 3Р позволил использовать значительную отстройку A,FLU - L 199 нм и провести измерения в условиях значительного паразитного излучения на Xi [18]. В сравнительно низкотемпературном разряде была измерена температура атома Не I (Та = 4.6 эВ).
Следует отметить, что существует еще один источник атомов -диагностические пучки таких элементов как Li, Na, Ва, Не используемые совместно с перестраиваемыми лазерами для измерения полей (электрических [19] или магнитных [20]). В этих работах были использованы литиевые пучки, но в первой из них была применена ступенчатая накачка уровня с n = 4 через переходы 2S — 2Р — 4D двумя лазерами на красителях (см. рис. 1.2). В отличие от литиевых пучков, инжекция атомов натрия применяется крайне редко [1]. Однако, в низкотемпературной плазме лазерные методы обнаружения следов натрия используются благодаря высокой чувствительности развитых методов регистрации. Один из вариантов лазерного детектирования атомов натрия показан нарис. 1.3 [21].. Исследования в верхней атмосфере методом лазерной флуоресценции Специфическая ситуация имеет место при проведении экспериментов по созданию искусственных плазменных облаков в верхней атмосфере (на высотах в сотни километров) [22]. Помимо соударений атомов с электронами плазмы и атомами (молекулами) верхней атмосферы, важную роль играют процессы взаимодействия с фотонами солнечного излучения, (спектр которых приведен на рис. 1.4 [23]), приводящие к заселению возбужденных состояний и фотоионизации (особенно из метастабильных состояний), что может дополнительно усложнять проблему разработки интерпретационных моделей при исследовании таких плазменных объектов.
Таким образом, наличие процессов соударений, с одной стороны, усложняет проблему интерпретации экспериментальных данных, полученных в ходе экспериментов с использованием методик ЛФ, а с другой - приводят к заметному расширению возможности изучать плазменные процессы с помощью зондирования резонансным лазерным излучением. С момента обнаружения в мезосфере (на высотах 90 - 100 км) атомов натрия [22] и по настоящее время - при проведении экспериментов по созданию в верхней атмосфере искусственных плазменных объектов различного типа [22, 24] - наблюдение флуоресценции атомов и ионов возбуждаемой солнечным излучением является основным методом наблюдения динамики изучаемых процессов.
Однако такая схема наблюдений исключает, например, проведение измерений в ночных условиях. Для использования резонансного лазерного зондирования ночное время является благоприятным ввиду практического отсутствия светового фона. Наиболее существенным обстоятельством является возможность использовать принцип времяпролетных измерений (лидарного зондирования), что позволяет, например, получать детальное распределение концентрации атомов натрия по высоте [25 - 27].
Для исследования искусственных плазменных облаков лазерное зондирование ранее не применялось, но в ходе экспериментов, в которых для наблюдения использовалась флуоресценция, возбуждаемая излучением Солнца, был накоплен значительный опыт в области техники генерации объектов в верхней атмосфере, развиты методы оптических наблюдений, разработаны теоретические модели для интерпретации наблюдаемого флуоресцентного излучения. Это послужило основой для последующих дистанционных измерений искусственных плазменных образований в верхней атмосфере методом ЛФ, результаты которых описаны ниже, в главе 4. Существование естественного слоя натрия в мезосфере позволило использовать лидарное зондирование (помимо измерений концентраций 7V(Na) =/(h), см. рис. 1.5) для создания «искусственной звезды» (рис. 1.6) для юстировки адаптивной астрономической оптики [27].
Получение атомно-молекулярных данных Проведение исследований по управляемому термоядерному синтезу потребовало получения значительного объёма информации по атомно-молекулярным процессам. При этом, направление этой деятельности (получение новых экспериментальных данных, их анализ, систематизация, выработка рекомендаций по их применению [28-30], создание соответствующих баз данных [31]) развивается в настоящее время в рамках программы У ТС.
В качестве примера здесь рассмотрены эксперименты по измерению скоростей столкновительных переходов между возбужденными атомами гелия. Основную роль играют при этом соударения Не I с электронами; частоты соударений с атомами гелия на 4 - 5 порядков ниже [32]. Информация об этих процессах исключительно важна для интерпретации данных полученных с помощью спектроскопических методик.
Описание системы диагностики и проблемы предварительной оценки сигналов флуоресценции
Роль соударений с частицами окружающей среды При проведении измерений методом лазерной спектроскопии наиболее рациональным является оптическое возбуждение частиц плазмы из основного состояния. Однако, для наиболее актуальных сточки зрения измерений концентрации атомов и ионов Л , характерно то обстоятельство, что порог возбуждения ближайшего к основному состоянию уровня достаточно велик: для водорода AEJ2 да 10.2 эВ, для Не I АЕ(1 lS0 - 2 3S\) = 19.82 эВ. Для водорода проблема оптической накачки уровня с главными квантовыми числами п = 2 и 3 в настоящее время решена. Работы по водороду, в которых автор принимал участие не включены в материал настоящей диссертации, но диагностика водорода методами лазерной флуоресценции даёт хороший пример разнообразия зависящих от экспериментальной ситуации спектроскопических схем применения этой методики, а также возникающих при этом проблем. Поэтому соответствующий материал приведён ниже в п. 1.3.3. Другой аспект наличия столкновений частиц плазмы с атомом (ионом) заметно осложняет проблему интерпретации сигналов флуоресценции при измерениях концентрации частиц. Многочисленные столкновительные и радиационные переходы необходимо учесть при разработке интерпретационных моделей. В рамках диссертации был выполнен ряд соответствующих расчётов (см. работы [40 - 46]). Разработка столкновительно-излучательных моделей позволяет расширить диагностические возможности методики ЛФ. Было например предложено проводить измерения локальной электронной концентрации по соотношению интенсивностей двух линий флуоресценции [43, 47].
Диагностика атома водорода как пример проблем и методов их решения Водород и его изотопы являются основными газами, используемыми в термоядерных исследованиях. Кроме того, эффект резонансной перезарядки позволяет атомам водорода проникать в сравнительно высокотемпературную и плотную плазму. Стремление получать информацию о локальных значениях концентрации атомов водорода iV(H) стимулировало работу по применению метода ЛФ, первым этапом которой было использование резонансного рассеяния на переходе, соответствующем оптическому возбуждению (п = 2 — п = 3), то есть на линии Н« ( 656.3 нм) с последующим наблюдением флуоресценции на той же спектральной линии. Конструкция целого ряда установок позволяла успешно избежать влияния паразитного рассеяния путем тщательной проработки конструкции оптико-механических узлов ввода-вывода зондирующего излучения и системы сбора флуоресцентного излучения [48-52]. Принципиальные трудности применения рассеяния на линии На связаны с особенностями столкновительного заселения возбужденных уровней. Во-первых, населенность уровня (n = 2) относительно низка: 10 - 10" от концентрации атомов водорода в состоянии (п=1) [3], а кроме того населенности нижнего и верхнего уровня линии Н« близки (см формулу 1.36). Последнее обстоятельство означает, что оптическая накачка не приведет к заметному увеличению локальной интенсивности линии На ввиду близости исходного состояния к насыщению. Поэтому для улучшения статистической точности сигналов, в качестве источников зондирующего излучения применяются лазеры с ламповой накачкой со сравнительно большой длительностью генерации (AtL порядка одной микросекунды). В рамках разработки соответствующей лазерной аппаратуры была проведена работа по удлинению Atb, а также по применению амплитудной модуляции этих удлиненных импульсов [48]. Наиболее полное представление о проблемах использования резонансного рассеяния на линии На и методах их преодоления дает выполненная на токамаке ФТ-1 работа [49]. Возбуждение из основного состояния атома водорода п = 1 (резонансное рассеяние на линии La 1216 нм) -см. рис. 1.8 а требует разработки плавно перестраиваемых по длинам волн источников зондирующего излучения ВУФ-диапазона.
К началу восьмидесятых годов эта проблема была успешно решена путем генерации в кювете со смесью газов излучения перестраиваемого по длинам волн лазера на красителях [53, 54]. В настоящее время схема резонансного рассеяния на линии La успешно применяется в физических исследованиях на крупных установках (см., например, [55] - исследование профилей атомов дейтерия на установке TEXTOR 94).
Возможен перенос регистрации в видимый диапазон за счет двухступенчатой накачки (использование зондирующих источников с длинами волн Нц и La одновременно [56, 57]). Регистрация в данном случае производится на длине волны А, 656.3 нм - см. рис. 1.8 с. Последующее развитие техники диагностики атомов водорода было связано с применением двухфотонного возбуждения из основного состояния [58 - 60]. Различные варианты оптического возбуждения из основного состояния атома водорода основаны на использовании двух фотонов с длиной волны X = 243 нм для возбуждения на уровень с главным квантовым числом n = 2, либо на применении фотонов А, = 205нм для возбуждения переходов Is-» 3s, 3d (см. рис. 1.8 d, е.). Такие схемы применяли для диагностики водорода в установках самых различных типов; техническая реализация получения коротковолнового УФ-излучения также допускает использование различных типов зондирующих лазерных систем, (включая дополнительную оптическую накачку из возбужденных состояний).
Эта идея реализована, например, при измерениях пространственных распределений плотности и температуры атомарного водорода в Ar/Нг дуге [58]. Была реализована оригинальная схема, названная авторами «методика (2+1) фотон». Преимущество схемы заключается в том, что используется только один лазер на красителях, генерирующий излучение X 486 нм, которое удваивается путем генерации второй гармоники в нелинейном кристалле ВВО. Полученные фотоны X 243 нм используют для двухфотонной накачки уровня п = 2; часть исходного излучения X 486 нм также направляется в исследуемый объем плазмы. Регистрация флуоресцентного излучения производится в видимой области спектра см. рис. 1.8 е.
Анализ применимости метода ЛФ к измерению концентрации атомов гелия в диверторной плазме ИТЭРа
Чтобы достичь операционных и программных целей, ИТЭР должен иметь обширный диагностический комплекс. В отношении количества и типов измерительных устройств, диагностический комплекс будет аналогичен тем, которые существуют на современных больших токамаках, таких, как JET, TFTR и JT60U. Однако, реализация диагностического комплекса сталкивается с трудностями, связанными с высоким уровнем радиации, ограниченным доступом к аппаратуре, повышенными вакуумными условиями из-за необходимости удержания трития, обеспечением надежной и длительной эксплуатации. Большинство основных диагностик прошли стадию концептуального проектирования, и перешли в стадию инженерного проектирования и объединения их в единый диагностический комплекс. При этом основное внимание уделяется сопряжению элементов диагностик и конструкции реактора.
Диапазон параметров плазмы, которые должны были измеряться диагностическим комплексом ИТЭР, приведен в работе [67]. Там же указаны необходимые точности и требования на временное и пространственное разрешение. Работа над уточнением списка требований к измеряемым параметрам непрерывно продолжаются; последняя версия приведена в [65]. Параметры плазмы в центральной зоне близки к тем, которые уже достигнуты на существующих больших токамаках. Однако, у границы плазмы ожидаются более крутые профили. Для параметров диверторной плазмы, необходимых для стационарной работы характерно наличие низкотемпературной и плотной плазмы в зоне, близкой к нейтрализующим пластинам, где высоко давление нейтрального газа, а также существование высокотемпературной плазмы с низкой плотностью в зоне вблизи Х-точки. Условия, в которых должны работать диагностики ИТЭРа будут значительно сложными, чем на существующих крупных токамаках. Как показано в таблице 2.1, токамаки JET и TFTR работали в D режимах, наиболее близких к тем, которые планируются для ИТЭРа. Однако, сравнение ряда параметров, определяющих функционирование диагностик на ИТЭРе, показывает их значительное увеличение по сравнению с JET и TFTR [62,68,69] смотри таблицу 2.2.
Это обстоятельство требует надёжной биологической защиты. Чтобы диагностические каналы не ослабляли эффективность защиты от радиации, они выполняются в виде максимально узких лабиринтов. Если требуются прямые диагностические каналы, то на их выходе используется дополнительная защита. Высокий уровень радиации заставляет применять металлические охлаждаемые зеркала. Кроме того, радиация приводит к затемнению оптических линз, оптоволокна и окон, а также индуцирует в них радиолюминесценцию и фотолюминесценцию, если эти оптические элементы расположены в лабиринтах диагностических каналов вблизи первой стенки. Радиация вызывает также наведенную активность, а потому замена, настройка, юстировка и калибровка элементов диагностик должна проводиться дистанционно. Тепловая нагрузка на первую стенку ИТЭР является определяющим фактором при проектировании установки. Чтобы диверторные пластины могли эксплуатироваться длительное время, мощность корпускулярного потока будет трансформироваться в излучательную мощность, равномерно распределенную по поверхности первой стенки путём инжекции "внешних примесей". Разница в температуре отдельных компонент реактора приводит к 6 см вертикального и радиального смещения вакуумного фланца относительно входа в криостат, а электромагнитные силы вызывают дополнительный радиальный и вертикальный сдвиг величиной 2 см, и такой же величины поворот в тороидальном направлении. Вся диагностическая аппаратура в портах должна быть закреплена на конструкционных элементах установки, удаляемых с помощью стандартного оборудования. Особое значение имеют те диагностики, которые предупреждают об аварийных ситуациях, таких, как перегрев элементов первой стенки или чрезмерная концентрация примесей. Эта информация должна быть представлена оператору в форме, допускающей быструю интерпретацию. Система управления может быть представлена в виде матрицы, содержащей измеряемые параметры и исполнительные механизмы [70]. Измерения в диверторе могут быть сделаны с помощью оптического тракта, проходящего сквозь плоскость симметрии специальной диагностической кассеты. Диапазон длин волн ограничен снизу 200 нм в первой («водородной») фазе работы ИТЭРа вследствие поглощения света в кварцевом окне. В дальнейшем, эта граница будет сдвигаться в длинноволновую область спектра в результате воздействия радиации. Одной из главных проблем для диагностики дивертора являются юстировка и защита зеркала от осаждения на него материала диверторных пластин во время неустойчивости срыва. Таким образом, диагностический комплекс должен обеспечить измерения, необходимые для работы установки, ее защиты от аварии и для понимания физики плазмы. Ремонт и обслуживание диагностик будут затруднены, и практически доступ к диагностическим системам может быть задержан до тех пор, пока не потребуется обслуживание основных компонент установки. С этим связано требование высокой надежности и в ряде случаев дублирования критических систем [62]. Следует отметить что, помимо уменьшения прозрачности оптических окон и радиолюминесценции, нами было обращено внимание, что имеет место ещё один радиационный эффект — фотолюминесценция облучённых оптических материалов под воздействием УФ-излучения плазмы. Изучение этого эффекта описано в главе 6.
Известно, что термоядерное "горение" прекращается, если концентрация гелия превышает некоторое пороговое значение. Следовательно, измерение концентрации и температуры гелия в диверторе является актуальной задачей, решение которой позволит понять физику дивертора и повысить эффективность его работы.
Было предложено применить метод лазерной спектроскопии, который позволяет измерять свечение конкретной линии с высокой чувствительностью для мониторинга примесей в диверторе [75]. Этот метод позволяет проводить локальные измерения с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением, что является особенно важным, учитывая требования ИТЭРа приведённые в таблице 2.3.
Разработка ЛФ-методики и создание аппаратурного комплекса для орбитальных измерений ИПО
В описываемом случае исследование взаимодействия перестраиваемого по длинам волн лазерного излучения с атомами гелия было основной задачей экспериментальной программы. Она включала зондирование плазмы методом лазерной флуоресценции (ЛФ) с использованием различных спектроскопических схем, сопоставление их, выбор базовой схемы для расчетов ЛФ-сигналов, которые предполагается получить при измерениях концентрации атомов гелия в диверторной плазме ИТЭРа. Проводились также измерения отношений сигнал/шум; воспроизводимость амплитуды и формы сигналов флуоресценции, регистрируемых в ходе длительных экспериментальных серий.
Наряду с решением методических задач, стендовые установки представляют ряд возможностей для проведения экспериментов в областях фундаментальной физики, связанных с исследованием взаимодействия мощного перестраиваемого по длинам волн излучения с атомами, в частности, возможно изучение процессов соударения частиц в плазме лазерными методами (см. например [28 - 30]).
Установка ГЕЛЛА (Гелий + Лазер) и применённая диагностическая аппаратура схематически показана на рисунке 3.1. Плазма создаётся с помощью импульсного разряда между вольфрамовыми электродами б, расстояние между которыми составляло 10 см. Форма разрядного импульса и максимальное значение тока 1МАХ№ варьировались в ходе экспериментов. Для мониторирования воспроизводимости разрядов, помимо измерения электротехнических характеристик, регистрировалась инфракрасная линия гелия X 1.083 мкм. Был использован вспомогательный оптический узел, состоящий из набора оптических фильтров 8 для выделения этой линии и фотоумножитель ФЭУ-62 9.
Предыонизация стационарно горящим в камере тлеющим разрядом, а также стационарное продольное магнитное поле (Н2=100Э) заметно улучшили стабильность и воспроизводимость разряда. Для экспериментов с применением лазерных методик установка оснащена специальными узлами ввода и вывода зондирующего излучения предназначенными для уменьшения рассеянного на деталях установки лазерного излучения, что позволяет проводить измерения методом резонансного лазерного рассеяния (РЛФ). На ИТЭРе применение измерений методом РЛФ, то есть при XL = XYLV практически нереально, но в модельных экспериментах на установке ГЕЛЛА такая методика позволяет уточнять населённости состояний 2 3S и 2 3Р, что позволяет проверять столкновительно-излучательные модели для атомов гелия. Были проедены предварительные измерения интенсивностеи триплетных спектральных линий п = 3 — n = 2 (п - главное квантовое число), оценена электропроводность электротехническими методами. На основании данных, полученных при этих измерениях, был выбран режим, названный "реперным". Максимальное значение импульса тока в этом режиме составляло 1МАХ 0.5 кА, начальное давление гелия ро(Не I) 10 Па.
Проведено сканирование свечения линий Не І в поперечном к оси разряда направлении с целью определения радиуса плазмы 1. Типичное значение этого радиуса для фазы разряда вблизи максимума тока составляло r0 0.03 м. Этот результат совместно с электротехническими измерениями позволяет оценить электропроводность плазменного шнура в реперном режиме. Особенность разряда в выбранном диапазоне параметров заключается в том, что электропроводность определяется соударениями электронов с атомами гелия [80], что даёт возможность оценить среднюю по сечению концентрацию электронов, которая оказалась равной Ne 10 м" . Отметим, что это значение Ne попадает в диапазон плотностей, указанных для ИТЭРа в таблице 2.3.
Эксперименты, выполненные методами лазерной и эмиссионной спектроскопии Спектроскопические измерения (см. рис. 3.1) были выполнены с помощью монохроматора МДР-23 (обратная линейная дисперсия равна 1.3 нм/мм). Детекторами служили - в зависимости от используемого спектрального диапазона - фотоумножители ФЭУ-39А, ФЭУ-84-5 и ФЭУ-62. При измерениях методами эмиссионной спектроскопии были использованы следующие триплетные линии Не I: А, 587.6 нм, X 706.5 нм, X 388.9 нм и инфракрасная линия А- 1.083 мкм (переход 2 S - 2 Р). С помощью монохроматора МДР-23 регистрировалась также линия иона гелия Не II X 468.6 нм. Эта же спектроскопическая система была использована для регистрации флуоресцентного излучения, с той разницей, что применялась низкоомная нагрузка на выходе фотоумножителя ФЭУ-84-5, и дополнительно использовался широкополосный предусилитель. Абсолютная калибровка оптической системы проводилась с помощью паспортизованной эталонной лампой накаливания СИРШ 6-40. Совместный анализ результатов спектроскопических измерений и электротехнических данных дал оценку электронной температуры в реперном режиме Те 2.. .3 эВ. В экспериментах, проводимых на установке ГЕЛЛА методом лазерной флуоресценции, источником перестраиваемого по длинам волн зондирующего излучения служил лазер на красителях, накачиваемый эксимерным XeCl-лазером с рабочей длиной волн X 308 нм. В экспериментах использована оптическая накачка из терма 2 S либо из 2 Р; параметры лазерных пучков приведены в таблице.
