автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование и разработка дифракционного спектрометра для диагностики низкотемпературной пристеночной плазмы токамака методом Томсоновского рассеяния

на правах рукописи

Кочергин Михаил Михайлович

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

Специальность 05.11.07 Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

- Санкт-Петербург -- 2005 -

Работа выполнена в СПб ГУ ИТМО и ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе

Научные руководители: Кандидат технических наук Кандида! физико-математических наук

Михайловский Ю.К.

Раздобарин Г.Т.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук Кандидат технических наук

Горбунов Г.Г. Гаврилов Г.А.

Ведущая организация:

«НИИЭФА»

Защита диссертации состоится «21» июня 2005 года в _час __мин на

заседании диссертационного совета Д 212 227.01 «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу г. Санкт-Петербург, пер. Гривцова, 14.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке института.

Автореферат разослан «_»_» 2005 года.

Ваши отзывы и замечания по автореферату в 2-х экземплярах просим направлять в адрес института: 197101, г. Санкт-Петербур1, Кронверский пр 49, ИТМО, учёному секретарю диссертационного совета Д. 212.227.01.

Учёный секретарь

Диссертационного совета Д. 212.227.01.

Кандидат технических наук, доцент

и

Актуальность работы

В настоящее время под эгидой МАГАТЭ ведется разработка технического проекта международного экспериментального термоядерного токамака-реактора «ITER», который должен обеспечить достижение квазистационарного режима горения плазмы. Существенное место в проекте занимает разработка методов диагностики включая диагностику относительно низкотемпературной плазмы вблизи стенки и диверторе с температурой электронов от десятка тысяч до сотен тысяч градусов. Основными задачами такой диагностики является определение электронной температуры Те, концентрации электронов Ne и нахождение их пространственных распределений. Одной из надёжных и апробированных бесконтактных методик измерения локальных значений электронной температуры и концентрации является диагностика, использующая Томсоновское рассеяние света на свободных электронах, основанная на регистрации спектрального контура Томсоновского рассеяния.

Основная проблема создания измерительной аппаратуры для такой диагностики связана с предельной малостью полезных световых сигналов и наличием мощной паразитной засветки Диагностика центральных зон плазмы с температурой сотни миллионов градусов и с соответственно широкими спектрами рассеяния, осуществляется вполне надёжно с применением светосильных фильтровых спектрометров.

В случае низкотемпературной плазмы контур Томсоновского рассеяния становится весьма узким, сосредоточенным вокруг линии возбуждения, которая по условиям эксперимента и становится одним из главных источников паразитной засветки. Современные фильтровые спектрометры технически малопригодны для решения задач измерений в таких условиях. Необходима разработка новых, светосильных и высококонтрастных, основанных на дисперсии света, измерительных систем.

• Исследование низкотемпературной плазмы в диверторной области токамака «ITER» методом Томсоновского рассеяния содержится в списке работ по проекту, порученных Российской стороне. Диссертационная работа посвящена разработке новой спектральной аппаратуры для диагностики низкотемпературной плазмы меюдом Томсоновского рассеяния в рамках работ по проекту.

Дель работы

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

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи.

Задачи исследования

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

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

3 Проведение стендовых испытаний разработанного и построенного опытного образца спектрометра.

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

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

Методы исследования

Для разработки оптических схем двойных полихроматоров использовалось компьютерное моделирование. При исследовании аберрационных характеристик прибора использовалось математическое моделирование с применением персонального компьютера и пакетов прикладных программ. Обработка результатов тестовых и демонстрационных экспериментов проводилась с использованием методов математической статистики. Расчёты и выводы проверялись на стендах с применением комплекса измерительной и наладочно-юстировочной аппаратуры. Научная новизна работы

В диссертационной работе разработаны принципы и найдены технические решения построения двойного полихроматора с подавлением фона монохроматического излучения. На основе схемы использующей скользящее падение на решетку удалось создать полихроматор с требуемой высокой светосилой по потоку и высоким контрастом по отношению к монохроматической засветке.

Основные результаты, выносимые на защиту:

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

2. Теоретическое рассмотрение условий получения высокого контраста в спектре (более 10 -5- 106) по отношению к паразитной монохроматической засветке.

3. Методика габаритно-аберрационно-энергетического расчётов спектрометров на заданный диапазон температур плазмы (7^=1-^2003Л), а также методика исправления кривизны спектральных линий и фокальной

■ поверхности с применением сложного коллектива.

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

Практические результаты работы

1. Модель спектрометра, оптимальная для диагностики низкотемпературных областей плазмы в токамаке-реакгоре методом Томсоновского рассеяния с использованием полихроматора с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий и диспергирующей системы на дифракционных решётках при скользящих углах падения/дифракции, с коррекцией кривизны спектральных линий в пределе больших угловых высот.

2. Методика компьютерного моделирования полихроматора по п.1. с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий на решётках с различной частотой штрихов, обладающего рекордно большой угловой высотой прямых входной щели и её изображения, получаемого на плоской фокальной поверхности.

3. В выполненных исследованиях дифракциошгых решеток показана очень высокая дифракционная эффективность (до 80%) в поляризованной свете в первом порядке спектра в схемах скользящего падения/дифракции при углах до 75-80°.

4. В эксперименте на действующем токамаке «Глобус-М» доказано, что уровень диффузно рассеянного монохроматического излучения, рассматриваемый как основное ограничение диагностики Томсоновского рассеяния низкотемпературной плазмы, в построенном опытном образце спектрометра по крайней мере на порядок лучше, чем у штатной фильтровой спектральной аппаратуры.

Реализация результатов работы

Практическая значимость работы подтверждается актом внедрения опытного образца дифракционного спектрометра двойного полихроматора с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий в диагностический комплекс токамака «Глобус-М» ФТИ РАН им. А.Ф. Иоффе.

В настоящее время, в соответствии с разработанной моделью построения спектрометров, проводится подготовительная работа по проектированию полихроматора рассчитанного на предельно низкие температуры, согласно требованиям технического задания «ITER». Аппробаиия работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 2м Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2001» 16-18 октября 2001 года.

2. Международный Оптический Конгресс "Оптика XXI век" Четвёртая Международная конференция "Прикладная оптика 2002", октябрь 2002

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

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

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

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 32 наименований и приложения. Общий объем составляет 99 страниц, включая 40 рисунков и 3 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показана актуальность работы, рассмотрена специфика диагностики низкотемпературных областей плазмы в токамаке методом Томсоновского рассеяния, сформулированы требования к измерительному диагностическому комплексу;

- показаны сложные проблемы, связанные с требованием измерения предельно низких температур 1 эВ (-10000К) спектральной аппаратурой на базе современных высококонтрастных интерференционных светофильтров, применяемой для диагностики высокотемпературной плазмы;

показана целесообразность использования для регистрации низкотемпературных контуров Томсоновского рассеяния дифракционного спектрометра на базе двойного полихроматора (далее просто полихроматора) с вычитанием существенно неравных дисперсий;

- сформулированы цели и задачи исследований, ориентированных на построение спектрометра на базе указанного полихроматора;

- сформулированы основные положения, выносимые на защиту по результатам диссертационной работы.

В первой главе выполнен анализ особенностей построения схемы полихроматора с эффективной отстройкой от фона монохроматического излучения вблизи линии генерации лазера, а также спектрометра в целом.

Объекты анализа:

- оптимальное соотношение дисперсий в двух половинах полихроматора;

- выбор параметров проекционной оптики и дифракционных решёток для получения необходимой результирующей дисперсии;

- оптимальная организация и число измерительных каналов спектрометра;

- анализ энергетической характеристики спектрометра;

- аппаратная функция первой ступени полихроматора и её влияние на уровень рассеянного в приборе света;

Недостатком схем двойных полихроматоров с вычитанием сильно

отличающихся дисперсий т»\ является уменьшение светопропускания в спектральных каналах граничащих с изображением лазерной линии.

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

Показано, что для нахождения минимальной температуры электронов Те „ по ширине Гауссовского контура рассеяния в принципе достаточно иметь два узких спектральных канала на крыле контура, занимающих в сумме участок спектра равный ширине контура на полувысоте. В этом случае измеряемой величиной является отношение сигналов в двух смежных спектральных каналах. Одной из важных характеристик спектрометра является число спектральных каналов обеспечивающих измерение температур в требуемом динамическом диапазоне. Критерием правильного выбора числа спектральных каналов является точность измерения температуры внутри заданного диапазона

гпах^е ГШ-

Выполнен анализ энергетической характеристики спектрального диагностического комплекса, исходя из выбора оптимального для данной диагностики Ж:УАО лазера Ло=1055ши, при работе в области спектра 1055-9%0нм с применением малошумящих светоприёмников на основе кремниевых лавинных фотодиодов с квантовым выходом >40%. Показано что единственный путь получения требуемого соотношения сигнал/шум более 10 в таких условиях - это сбор всего излучения, выходящего из камеры токамака, для заданных пространственного разрешения в плазме и спектрального интервала, обусловленного минимальной температурой плазмы. Это условие формирует требования к основным параметрам полихроматора.

Для регистрации контуров Томсоновского рассеяния в пределе низких электронных температур требуется узкая ширина измерительных каналов с

минимально возможной отстройкой от лазерной линии. Узкая ширина диктует выбор большой дисперсии при условии, что геометрическая ширина входной щели фиксирована исходя из геометрической ширины лазерного пучка.

Предложена и экспериментально обоснована схема построения диспергирующей системы с использованием дифракционных решёток работающих в условиях нестандартно больших углов падения и дифракции ~75°, обеспечивающих получение высокой угловой дисперсии.

Показано, что применение схемы скользящего падения лучей является оптимальным при построении компактного спектрометра высокой дисперсии для измерения низких электронных температур.

Оценены основные параметры оптической схемы спектрометра с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий для диагностики плазмы методом Томсоиовском рассеяния на разные предусмотренные диапазоны температур.

Выполнен расчёт параметров полихроматора для опытного образца спектрометра на диапазон температур 5-200эВ: фокусный отрезок первого коллиматора Г2=75мм, относительное отверстие всего полихроматора 1/4.; Дифракционная решётка 800гитр/мм, $~15х20мм2 с удвоением размеров во второй ступени прибора; Обратная линейная дисперсия приведённая ко входу полихроматора А.Ънм/мм.

Во второй главе, выполнен анализ оптической схемы полихроматора. Исходя из условия минимума рассеянного света выбрана схема со скользящим падением и большими углами между падающим и дифрагирующим пучками и простой зеркально-линзовой оптикой.

Принципиальная схема полихроматора изображена на Рис. 1.

Рис. 1 Принципиальная схема двойного полихроматора с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий.

Регистрируемое излучение фокусируется на входную щель 1 и направляется на зеркальный коллиматорный объектив 2, используемый для освещения первой решетки 3. Камерный объектив 4 строит изображение спектра в плоскости коллектива 5, который используется для передачи изображения зрачка, расположенного на решётке 3 в апертуру решётки 8. В плоскости коллектива 5 находится шторка, отсекающая линию лазера и всю более длинноволновую часть спектра рассеяния. Согласование дисперсий обеих частей спектрометра достигается при помощи линзовых объективов 4 и 7. При этом соотношение дисперсий равно соотношению фокусов ^„/^ ■ Зеркальный камерный объектив 9 формирует изображение спектра в фокальной плоскости прибора 10 в рабочем диапазоне углов дифракции.

Для эффективного подавления излучения монохроматической линии лазера и достижения максимального контраста на границе с этой линией необходимо, чтобы аппаратная функция аберраций в фокальной плоскости первой половины в двойном полихроматоре приближалась к прямоугольной. Такой вид аппаратная функция (в первом приближении) будет иметь, если отсутствует кома, а шторка, экранирующая лазерную линию в промежуточном изображении спектра, находится в положении наилучшей фокусировки.

•Для определения аппаратной функции был произведен компьютерный анализ оптической схемы полихроматора и получены аберрационные характеристики изображения спектра. Оптические расчеты производились с использованием программного обеспечения 0SL06.2 фирмы Lambda Research Corporation. Для получения иллюстративного материала были разработаны специализированные программы на встроенном языке CCL. Необходимое значение аберрационного пятна достигается оптимизацией взаимного расположения элементов оптической схемы и выбором параметров зеркально-линзовых компонент.

Результаты компьютерного моделирования на Рис. 2 показывают, что размер аберрационного пятна в меридиональной плоскости, приведённый ко входной щели, оказывается не более 0.3мм по всей высоте щели 20мм. При этом ширина входной щели соответствует сбору всего потока, выходящего из камеры токамака в пределах спектрального интервала длин волн, необходимого для измерения Те-5эВ и составляет 1 мм. График на Рис. 3 показывает долю остаточного излучения, проникающую во вторую ступень полихроматора и рассеиваемую там в зависимости от перемещения шторки.

мм

Рис 2 Распределение интенсивности внутри аберрационного пятна на поверхности экрана 6 (см Рис 1) для точечного источника расположенного на высоте 10мм от центра щели Расчет производился методом рейтрейсинга для меридиональной (а) и сагиттальной (б) плоскостей спектра. Отсчёты по оси абсцисс приведены ко входу с учётом меридионального и линейного увеличения первой половины прибора.

я 001 К

ю"5

10 О 01 0.2 03 04 0.5 и 07

мм

Рис. 3 Суммарная интенсивность остаточного монохроматического излучения за пределами шторки-экрана по отношению к интенсивности спектральной линии лазера при исирине входной щели 1мм. Отсчёты по оси абсцисс, соответствующие расстоянию от края ножа экранирукпцей шторки до центра изображения лазерной линии, приведены ко входу с учётом меридионального и линейного увеличения первой половины прибора.

Выполнено макетирование полихроматора Томсоновского рассеяния в составе спектрометра, фотоприемного устройства в составе шестиканального фасеточного объектива и малошумящих фотоприемных устройств на основе кремниевых фотодиодов.

Выполнены стендовые испытания по исследованию оптических характеристик спектрометра. Было найдено, что качество спектра в сагиттальной и меридиональных плоскостях находятся в хорошем соответствии с компьютерным модельным экспериментом.

Выполнены эксперименты по измерению интенсивности фона в коротковолновой области спектра на разных расстояниях от линии лазера при засветке входной щели излучением Не-Ие лазера на длине волны Л.=1150нм.

Стендовые эксперименты по измерению контрастных свойств

спектрометра продемонстрировали контраст лучше 5 порядков по отношению к лазерной длине волны в ближайшем к ней спектральном канале.

Рис. 4 Распределение интенсивности фона лазерного излучения в фокальной плоскости спектрометра Вдоль оси абсцисс отложено расстояние от центра изображения лазерной линии (зашрихованая область) в единицах спектральной ширины входной щели (~бнм). Кривая 1 измерена в отсутствии экранировки лазерной лиши в плоскости промежуточного изобраэ/сения спектра. Кривые 2 и 3 измерены при двух различных положениях экранирующей шторки, отмеченных стрелками под номерами 2 и 3.

В коротковолновой части спектра на расстоянии ~ 100км от лазерной длины волны уровень режекции фона на лазерной длине волны приближается к

В демонстрационных экспериментах показана возможность измерения спектров слабой интенсивности вблизи мощной монохроматической линии генерации лазера Рис. 5.

-1в -18 -14 12 -10 -в -4 -2 0 2 4 6

Отн.ед.

Длины волн, нм

Рис. 5 Регистрация линий гелия и неона малой интенсивности в тлеющем разряде трубки Не-Ие лазера Кривая 1 соответствует уровню рассеянного излучения характерного для обычных спектрометров (получена в отсутствии экранировки линии генерации лазера в плоскости промежуточного изображения спектра). Кривая 2 соответствует записи спектра атомарных линий гелия и неона на фоне ослабленного монохроматического рассеянного излучения - кривая 3 (соответствует положению ишюрки 2 Рис. 4).

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

Конструкция диагностических портов и размещение аппаратуры на токамаке «Глобус-М» не позволяли в ходе текущих экспериментов наблюдать сигналы рассеяния из периферийной низкотемпературной области плазменного шнура. Поэтому в обсуждаемых диагностических экспериментах методом Томсоновского рассеяния температура электронов не опускалась ниже 50эВ.

В связи с необходимостью регистрации более широких спектральных контуров размещение и ширина спектральных каналов в фокальной плоскости выбраны согласованным образом. Нижняя граница выбрана с запасом 7'сггап=10эВ. Результирующий диапазон, характеризуемый точностью измерения температуры АТе/Те, изображен графически на Рис.4 в виде расчетной

зависимости точности от измеряемых значений температуры для заданного числа фотонов в спектре рассеяния.

АТе -¿г- ,% " » 23 1 1 I 1 Г 1 1 \ I 1

70 \ /\ |

13 \ __^I |

И 5 ' ' ] ' ' ! 1 1

Те, эВ

Рис. 6 Зависимость расчетных значений относительной среднеквадратичной ошибки измерения температуры от измеряемого значения температуры для выбранного размещения спектральных каналов полихроматора и полного числа фотонов в спектре рассеяния 4-Ю4.

В экспериментах по измерению электронной температуры плазмы методом Томсоновского рассеяния на токамаке «Глобус-М» продемонстрирована работоспособность спектрометра, при наличии мощной монохроматической засветки на длине волны лазера 1055/ш.

Экспериментально показано, что спектральные каналы дифракционного полихроматора с отстройкой от лазерной длины волны на ~43нм обеспечивают по крайней мере на один порядок более высокий уровень режекции паразитного излучения по сравнению с приборами на основе высококонтрастных интерференционных светофильтров.

Четвёртая глава

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

Достигнутые значения угловой высоты щелей к/Р=0.5 обеспечивает дополнительное увеличение светосилы по потоку Принципиальная схема полихроматора с вычитанием неравных дисперсий изображена на Рис. 7, В

отличие от изготовленного двойного полихроматора, удвоенная дисперсия обратного знака реализуется при одинаковых фокусных отрезках линзовых объективов 4 и 7, за счет более дисперсной решётки той же длины во второй половине прибора. Удвоение дисперсии во второй половине полихроматора без удвоения длины решетки существенно облегчает задачу достижения более высоких линейных дисперсий Таким образом требование регистрации узких контуров Томсоновского рассеяния из холодных областей плазмы с температурой 1 эВ реализуется наиболее простым способом.

Рис 7 Принципиальная схема двойного полихроматора с вычитанием неравных дисперсий

Следуя общим принципам построения схем полихроматоров с вычитанием неравных дисперсий используются нестандартно большие углы падения и дифракции «75°.

В условиях большой угловой высоты щели для компенсации кривизны спектральных линий принято использовать искривленную входную щель. В предлагаемой схеме двойного полихроматора, вследствие противоположно направленных дисперсий первой и второй дифракционных решеток, кривизна спектральных линий на выходе прибора частично компенсируется за счет

естественной кривизны линий в промежуточном спектре. Для полной компенсации кривизны спектральных линий вводится дополнительная кривизна линии на выходе первой ступени за счет дисторсии вносимой заклоненным сферическим зеркальным коллективом.

Радиус кривизны и угол заклона сферического коллектива естественно продиктованы общей компоновкой оптических элементов схемы. Поэтому для исправления кривизны изображения щели может потребоваться коррекция зеркального коллектива с использованием вспомогательной линзы мениска на его поверхности. Силы компонентов составного коллектива подбираются компьютерным моделированием из условия наименьших полевых аберраций.

Результаты компьютерного моделирования показывают что аппаратная функция имеет необходимую прямоугольную форму, а её ширина не превосходит половину геометрической ширины щели 1 мм по всей её высоте.

При выборе решеток с числом штрихов и углом блеска, соответствующих максимальной концентрации энергии в рабочем диапазоне длин волн, а также при использовании интерференционных зеркал и просветленной линзовой оптики, светопропускание спектрометра на двух решетках в одной поляризации может быть сделано ~50%.

Заключение

Результаты работы сводятся к следующему:

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Выполнены исследования компьютерной модели разработанного полихроматора, позволяющей уменьшить нижний предел диапазона

измеримых температур до 1эВ в соответствии с требованием технического задания «ITER».

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

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

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Мухин Е.Е., Раздобарин Г.Т., Семенов В.В., Толстяков С.Ю., Шильников А.Н., Бах Л.И., Кочергин М.М., Михайловский Ю.К., Многоканальный дифракционный спектрометр с малым уровнем рассеянного света. // 2-я Международная конференция молодых ученых и специалистов «Оптика-2001» 16-18 октября 2001 года.

2. М.М.Кочергин, Е.Е.Мухин, Г.Т.Раздобарин и др., Диагностика Томсоновского рассеяния для дивертора и периферии шнура в районе X-точки в токамаке ITER-FEAT Н Тезисы докладов седьмой международной конференции по инженерным проблемам термоядерных реакторов, С-Пстербург, 28 31 октября, 2002. стр. 189-190.

3. M.M.Kochergin, E.E.Mukhin, G.T.Razdobarin, V.V.Semenov, S.Yu.Tolstyakov., Interface for Thomson Scattering Diagnostics in the Divertor and SOL Near the X-Point Plasma of ITER-FEAT. // Plasma Devices and Operations, Volume 11, Issue 1,1-6 2003

4. Мухин Е.Е., Раздобарин Г.Т., Семенов В.В, Толстяков С.Ю., Шильников А.Н., Бах Л.И., Кочергин М.М., Михайловский Ю.К., Многоканальный дифракционный спектрометр с малым уровнем рассеянного света. // Оптический журнал, Том 70, № 1, январь, 2003, с.54

5. E.E.Mukhin, G.T.Razdobarin, V.V.Semenov, A.N.Shilnikov, VL.Sukhanov, S.Yu.Tolstjakov, M.M.Kochergin, Yu.K.Mihailovskij, and L.I.Bakh, Double-grating polychromator for laser-aided plasma diagnostics // Rev. of Sei. Instrum., pp. 1261-1263, May 2004, Volume 75, Issue 5

6. М.М.Кочергин, Е.Е.Мухин, Г.Т.Раздобарин, Ю К.Михайловский. Разработка спектрометра для диагностики высокотемпературной плазмы // XXXIII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, февраль 2004

7. М.М.Кочергин, Е.Е.Мухин, Г.Т.Раздобарин, Ю.К.Михайловский. Светосильный двойной полихроматор с низким уровнем рассеянного света // Международный Оптический Конгресс "Оптика XXI век" Шестая Международная конференция "Прикладная оптика 2004", октябрь 2004

Тиражирование и брошюровка выполнены в Центре «Университетские телекоммуникации». Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14. Тел. (812)233-46-69 Объем 1 п.л. Тираж 1 0 экз.

РНБ Русский фонд

2006-4 8385

Введение.

Глава I. Разработка оптической системы полихроматора с вычитанием существенно неравных дисперсий.

1.1. Выбор оптимального соотношения дисперсий в первой и второй половинах полихроматора.

1.2. Выбор числа измерительных каналов.

1.3. Анализ энергетической характеристики спектрального диагностического комплекса.

1.4. Определение основных параметров оптической схемы полихроматора спектрометра.

1.5. Выводы.

Глава II. Разработка спектрометра для диагностики низкотемпературной плазмы.

II. 1. Принципиальная схема двойного полихроматора с вычитанием в два раза отличающихся дисперсий.

II.2. Аберрационный расчёт полихроматора.

И.З. Разработка конструкции спектрометра.

11.4. Исследование оптических характеристик спектрометра.

11.5. Выводы.

Глава III. Демонстрация работы спектрометра в условиях плазменного эксперимента на токамаке «Глобус-М».

III. 1. Согласование параметров спектрометра с реальными условиями эксперимента на токамаке «Глобус-М».

111.2. Калибровка спектральной чувствительности каналов полихроматора.

111.3. Способ получения и обработки экспериментальных результатов.

111.4. Результаты испытаний прибора в условиях плазменного эксперимента на токамаке «Глобус-М».

111.5. Выводы.

Глава IV. Развитие модели полихроматора для уменьшения нижнего предела диапазона измеримых температур.

IV. 1. Принцип работы двойного полихроматора обеспечивающего одновременную регистрацию спектров рассеяния в нескольких точках по сечению плазмы.

IV.2. Оценка аберрационных искажений спектра и габаритный расчёт полихроматора.

IV.3. Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

IV = сг п-пв-С1-1 (1)

IV

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

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

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

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

ЛЭ Л 2 • I» 1 о к'Те , . I ТеЭВ

ДА, = 4«А, »вт — • 2-1п2--V = Л) — К/—£-г п\

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

ДЛ^Л-К^Ч-л/^, (3)

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

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

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

10ОО -ц ^ 1

Т, эВ

0.1 1Е12

1е13

1е14 пе, см3

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

К = ^Т/471 ■пе-е2 получена

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

4wet *sin (3/2)

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

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

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

К*

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

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

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

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

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

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

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

Ш О" 2 -О о ® п ы в- ш 5 5

51 о ^ X

•о о 2 ш ч о •о к> ч> о -О го о 0

1 £ о

Га о ^ X

•о о 2 ш ч о •о к> к>

К> к> о з: х "О о 2 О) ч о О ч> к> О -О и ]

1 . ч

1 а

X, нм а)

X, нм 2 о » х, нм в)

X, нм г)

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

Л, нм

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

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

Л, нм

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Цель работы

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

Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи.

Задачи исследования

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

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

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

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

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

Решение поставленных задач представлено в диссертации:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные результаты, выносимые на защиту:

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

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

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

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

Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. 2м Международная конференция молодых ученых и специалистов

0птика-2001» октябрь 2001 года.

2. Международный Оптический Конгресс "Оптика XXI век" Четвёртая

Международная конференция "Прикладная оптика 2002", октябрь 2002

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

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

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

Результаты работы сводятся к следующему:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Заключение.

1. Дж. Шеффилд, Рассеяние электромагнитного излучения в плазме, Москва, Атомиздат, 1978.

2. ИТОГОВЫЙ ОТЧЕТ проекта МНТЦ № 1126 Комплекс диагностики плазмы сферического токамака Глобус-М. 2000.3 http://www. barrassociates, сот/

3. T.N. Carlstrom, J.C. DeBoo, R. Evanko et al., Rev.Sci.Instrum. 70, 2858 (1990), 20,21.

4. T.N. Carlstrom, C.L. Hsieh, R. Stockdale, D.G. Nilson, D.N. Hill, Initial operation of the divertor Thomson scattering diagnostic on DIII-D, Rev.Sci.Instrum., 68 (2), February 1997, pp. 1195-1200.

5. M.J.Walsh, N.J.Conway, M.Dunstan, M.J.Forrest, R.B.Huxford, Interactive Optical Design and Realisation of an Optimised CCD Thomson Scattering System for the Spherical Tokamak START, Rev.Sci.Instrum, Vol. 20, No. 1, part 2, pp. 742-746 January 1999

6. R.E.Siemon, Polychrometer with Extreme Rejection of Stray Light.// Appl.Opt. -1974.-Vol. 13.-P. 697.

7. Richard E. Simon, Polychrometer with extreme rejection of stray light, Applied Optics, April 1974, Vol. 13, No. 4, pp. 697-699.

8. M.Greenwald, W.I.B.Smith, Triple grating polychromator for Thomson scattering, Applied Optics, March 1977, Vol. 16, No. 3, pp. 587-590.

9. F.R.Lipsett, G.Oblinsky, S.Johnson, Varioilluminator (subtractive double monochromator with variable bandpass), Appl. Optics, , 1973, Vol. 12, No. 4, p. 818-821.

10. Robert L. Christensen, Robert J. Potter, Double monochromator systems,

11. Applied Optics, October, 1963, Vol. 2, No. 10, pp. 1049-1054.

12. А.П.Соловьёв, О.В.Зюрюкина, К.И.Свинопулов, О панорамных измерениях концентрации электронных пучков методом томпсоновского рассеяния лазерного излучения, ЖТФ, 1999, т. 69, в. 6, стр. 80-83.

13. А.Н.Зайдель, Г.В.Островская, Лазерные методы исследования плазмы, Наука, Ленинград, 1977.

14. Раздобарин Г.Т., Щеглов Д.А., Лазерное рассеяние новые этапы, новые возможности, Диагностика плазмы, сб. статей, Москва, Энергоатомиздат, 1989, вып 6, с. 88-96.

15. Ильин B.C. Исследование и разработка спектрометра для лазерной диагностики плазмы по Томсоновскому рассеянию, Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук, ЛИТМО, 1976.

16. Акатова Т.Ю., Беляевский O.A., Гончаров С.Г., и др., Лазерные измерения радиальных распределений электронной концентрации и температуры на установке «Туман-3», Препринт ФТИ АН СССР № 899, Ленинград, 1984.

17. A.A. Clifford, Multivariate error analysis. New York Toronto, John Wiley & Sons, 1968, p. 40

18. Акатова Т.Ю., Гончаров С.Г., Раздобарин Г.Т. и др., Численное моделирование эксперимента по диагностики плазмы методом Томсоновского рассеяние, Препринт ФТИ-1074, Ленинград 1986.

19. M.M.Kochergin, E.E.Mukhin, G.T.Razdobarin, V.V.Semenov, S.Yu.Tolstyakov., Interface for Thomson Scattering Diagnostics in the Divertorand SOL Near the X-Point Plasma of «ITER»-FEAT., Plasma Devices and Operations, Volume 11, Issue 1, 1-6 2003

20. М.М.Кочергин, Е.Е.Мухин, Г.Т.Раздобарин, В.В.Семенов, С.Ю.Толстяков., Диагностика Томсоновского рассеяния для дивертора и периферии шнура в районе X -точки в токамаке ИТЭР ФЕАТ. Доклад НИИЭФА 2002

21. M.E.Foord, E.S.Marmar, J.L.Terry, Rev.Sci.Instrum, vol. 53, p.1407, 1982

22. М.А.Ельяшевич, Атомная и молекулярная спектроскопия, ГИФМЛ, М. 1962

23. G.Federici, C.H.Skinner, J.N.Brooks et al., Plasma-material interactions in current tokamaks and their implications for next step fusion reactors, Nuclear Fusion, vol.41, pp.1925-2137, 2001

24. Ф.М.Герасимов, Э.Я.Яковлев, «Дифракционные решётки», обзор в сборнике статей «Современный тенденции в технике спектроскопии» под редакцией С.Г. Раутиан., издательство «Наука» Новосибирск 1982г.

25. Loewen E.G., Neviere М., and Maystre D., Grating efficiency theory as it applies to blazed and holographic gratings. Appl. Opt. 16, 2711 (1977).

26. И.В.Пейсахсон, Оптика спектральных приборов, Ленинград, Машиностроение, 1975.

27. М.М.Кочергин, Е.Е.Мухин, Г.Т.Раздобарин, Ю.К.Михайловский. Разработка спектрометра для диагностики высокотемпературной плазмы. XXXIII научная и учебно-методическая конференция СПбГУ ИТМО, февраль 2004

28. М.М.Кочергин, Е.Е.Мухин, Г.Т.Раздобарин, Ю.К.Михайловский. Светосильный двойной полихрроматор с низким уровнем рассеянного света Международный Оптический Конгресс "Оптика XXI век" Шестая Международная конференция "Прикладная оптика 2004", октябрь 2004

29. В.И.Малышев, Введение в экспериментальную спектроскопию, Москва, Наука, 1979.

30. Мухин E.E., Раздобарин Г.Т., Семенов B.B., Толстяков С.Ю., Шильников А.Н., Бах Л.И., Кочергин М.М., Михайловский Ю.К., Многоканальный дифракционный спектрометр с малым уровнем рассеянного света., Оптический журнал, Том 70, № 1, январь, 2003, с.54