Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ В ВАКУУМНЫХ УСТАНОВКАХ

Изобретение относится к способу бесконтактного измерения направления магнитного поля в вакуумных установках, содержащих плазму в виде плазменного шнура. К таким установкам относятся установки типа Токамак. Работа промышленного термоядерного реактора-токамака невозможна без надежных измерений конфигурации магнитного поля в плазме. В настоящее время такие способы измерений отсутствуют.

Известен способ измерения конфигурации магнитного поля, основанный на динамическом эффекте Штарка (Motional Stark Effect, MSE) [F.Levinton et al. Rev. Sci. Instr., 61 (1990) p.2914]. Способ основан на следующих физических принципах. Пучок атомов водорода с энергией 20 кэВ-1 МэВ инжектируют в вакуумный объем по касательной к направлениям магнитного поля. В этом вакуумном объеме существует магнитное поле и нейтральный газ и/или заряженные частицы (мишень). При движении атомов в магнитном поле происходит штарковское расщепление электронных уровней. Такое расщепление приводит к расщеплению спектральной линии Н_α, излучаемой при возбуждении атома, на несколько компонент. Центральная компонента штарковского спектра линейно поляризована, причем вектор поляризации направлен так же, как и силовая линия магнитного поля в области измерений. Для измерения направления магнитного поля в зоне измерений сначала при помощи диспергирующих приборов выделяют из спектра центральную компоненту, затем при помощи поляриметра измеряют направление вектора поляризации. Этим способом невозможно измерять конфигурацию магнитного поля в больших вакуумных системах, таких как, например, токамак-реактор, по следующим причинам.

- Применение пучка с энергией порядка десятков кэВ приводит в условиях большого размера и высокой плотности плазмы к неприемлемо большому ослаблению пучка. С повышением энергии инжектируемых атомов падают скоростные коэффициенты возбуждения, что приводит к малой яркости линии Н_α и низкой контрастности полезного сигнала над уровнем континуума.

- Низкая фотонная статистика влечет за собой необходимость применения оптической системы с большой светосилой. Увеличение оптической эффективности неизбежно связано с увеличением размеров входных зеркал и окна в бланкете, большим необходимым объемом диагностического канала. Срок службы первого зеркала в таких условиях не может быть достаточным, а оптические свойства будут нестабильными. Эффективность нейтронной защиты снижается из-за большого объема диагностического канала.

- Входная оптическая система в условиях реактора включает минимум 4-5 зеркал. При отражении от поверхности металла линейная поляризация света, в общем случае, превращается в эллиптическую. Таким образом, многократные отражения существенно снижают точность измерений. Скомпенсировать этот эффект в системе с большой численной апертурой невозможно.

- Ряд рефрактивных оптических элементов (вакуумные окна, линзы, поляриметр) необходимо размещать в области, где существует значительное рассеянное магнитное поле. Необходимо учитывать фарадеевское вращение в этих элементах, что практически можно сделать только при помощи калибровки in-situ.

- Необходимо учитывать радиальное электрическое поле, возникающее в режимах с улучшенным удержанием. На практике это делается при помощи измерений на другой энергетической фракции пучка, либо посредством дополнительной оптической системы. В ряде случаев (ITER) предполагается использовать ионные источники на отрицательных ионах, энергетические фракции в пучках отсутствуют. Использование дополнительного оптического тракта удваивает перечисленные проблемы.

Также известен способ [V.I.Afanasjev et al. Preprint of Ioffe Physical-Technical Institute 1406, 1989; W.Hermann, Plasma Phys. Contr. Fusion 32 (1990) p.605], сущность которого заключается в следующем. Пучок водородных молекул инжектируют в вакуумный объем, в котором существует магнитное поле и нейтральный газ и/или заряженные частицы, которые (как молекулы и атомы газа, так и заряженные частицы) служат мишенью для ионизации молекул с образованием молекулярных ионов:

Образовавшийся молекулярный ион движется по окружности, лежащей в плоскости примерно перпендикулярной направлению магнитного поля. Время жизни молекулярного иона невелико, происходит диссоциация иона на атомарный ион и атом: раектория образовавшегося атома лежит в той же плоскости, что и круговая траектория

молекулярного иона. Измерение преимущественного направления движения атомов, возникающих в процессе диссоциации, при помощи масс-спектрометрического анализатора позволяет определить направление магнитного поля в зоне измерений.

Указанный способ не позволяет проводить измерения в случае, если мишень (область, занятая газом или плазмой) имеет большие размеры и/или высокую плотность, например в токамаке-реакторе, по следующим причинам.

- Для измерений в мишени с высокой оптической плотностью необходимы молекулярные пучки с высокими энергией и плотностью тока, получение таких пучков по ряду причин крайне затруднено.

- Частота регистрируемых событий, определяемая сечениями соответствующих атомных процессов, невелика; это ограничивает временное и пространственное разрешение измерений, снижает точность измерений.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является повышение точности бесконтактного измерения направления магнитного поля в вакуумных установках, содержащих плазму в виде плазменного шнура с большими размерами магнитного поля и с высокой плотностью мишени, таких как токамак-реактор.

Для достижения указанного результата предложен способ измерения направления магнитного поля в вакуумной установке, содержащей плазму в виде плазменного шнура, согласно которому инжектируют пучок атомов в объем, содержащий плазму, и являющийся мишенью для упомянутого пучка для образования атомарных ионов в результате взаимодействия атомов пучка с мишенью, причем ось пучка пересекает ось плазменного шнура под прямым углом с последующей перезарядкой атомарных ионов в атомы, и измеряют детектором преимущественное направление вылета атомов, образовавшихся в результате перезарядки атомарных ионов, по которому судят о направлении магнитного поля.

Кроме того, инжектируют пучок атомов водорода или инертных газов.

В частности, инжектируют пучок атомов с энергией 1-300 кэВ.

Преимущественное направление вылета атомов перезарядки измеряют полупроводниковым коллимированным детектором.

Преимущественное направление вылета атомов можно измерять несколькими коллимированными полупроводниковыми детекторами, установленными в плоскости, пересекающей ось пучка в области измерений, причем оси коллимированных полупроводниковых детекторов пересекаются в одной точке, лежащей на оси инжектируемого пучка.

Предлагаемый способ основан на инжекции пучка атомов, имеющих энергию от единиц до сотен кэВ, в вакуумный объем, в котором существует магнитное поле и заряженные частицы (и, возможно, нейтральный газ), которые (как заряженные частицы, так и молекулы и атомы газа) служат мишенью для образования атомарных ионов. Оптимальная энергия инжектируемых атомов зависит от конкретных условий, в которых проводятся измерения (размеров и плотности мишени), и выбирается таким образом, чтобы, с одной стороны, не допустить чрезмерного ослабления пучка в мишени до области измерений (проникающая способность пучка, как правило, растет с увеличением энергии), с другой стороны, обеспечить достаточно высокую скорость реакции перезарядки, также зависящую от энергии пучка. Для повышения пространственного и временного разрешений инжекцию осуществляют таким образом, чтобы ось пучка была примерно перпендикулярна направлению магнитного поля в области измерений (предполагается, что изменение направления магнитного поля происходит таким образом, что вектор магнитной индукции все время находится в одной плоскости, причем ориентация последней примерно известна).

В результате взаимодействия атомов пучка с частицами мишени образуются атомарные ионы, имеющие энергию, близкую к энергии атомов пучка. Ионы захватываются магнитным полем и движутся по окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной направлению магнитного поля.

По крайней мере часть траектории таких ионов лежит в объеме пучка, поэтому существует вероятность перезарядки иона на атоме пучка. Если в мишени присутствуют атомы или молекулы, то перезарядка будет происходить и на этих частицах.

Образовавшийся в результате перезарядки атомарного иона атом будет двигаться по прямой, лежащей в той же плоскости, что и круговая траектория исходного иона, т.е. перпендикулярно направлению магнитного поля.

Измеряя при помощи различных коллимированных детекторов (полупроводниковых, вторично-эмиссионных, сцинтилляционных и т.д.) преимущественное направление вылета атомов, образовавшихся в результате перезарядки атомарных ионов, из некоторой области пересечения пучка с мишенью, можно получить информацию о направлении вектора магнитной индукции в этой области и соответственно о конфигурации магнитного поля в установке.

На Фиг.1 показан вертикальный разрез, а на Фиг.2 - горизонтальный разрез токамака, где:

1 - детектор,

2 - пучок атомов,

3 - вакуумная камера токамака,

4 - магнитная поверхность,

5 - магнитная силовая линия,

6 - ось плазменного шнура.

Способ осуществляется следующим образом.

Пучок водородных атомов 2 с энергией 30 кэВ и эквивалентным током 2,5 А инжектируется в дейтериевую плазму через центр сечения плазменного шнура в установке токамак Т-10. Ось пучка пересекает ось плазменного шнура под прямым углом. При выполнении этих условий ось пучка практически перпендикулярна всем магнитным поверхностям 4 плазмы, имеющим тороидальную форму.

Атомы пучка подвергаются ионизации в результате столкновений с электронами и ионами, а также перезарядке на ионах плазмы:

H⁰+e→H⁺+2e

Н⁰+D⁺→H⁺+D⁺+e

H⁰+D⁺→H⁺+D⁰

Образующиеся атомарные ионы водорода захватываются магнитным полем и двигаются по окружности диаметром в несколько мм. Затем ионы перезаряжаются на атомах пучка:

H⁺+H^0*→H⁰+H^+*

и покидают плазменный шнур, причем их траектории (на фиг.2 показаны стрелкой) лежат в плоскости, перпендикулярной магнитной силовой линии 5 в точке перезарядки. На Фиг.2 угол γ_m - это угол наклона магнитной силовой линии (вектора магнитной индукции) по отношению к оси плазменного шнура.

Для определения преимущественного направления вылета атомов, образовавшихся в результате перезарядки атомарных ионов, используются линейки коллимированных кремниевых полупроводниковых детекторов 1, установленных в одной плоскости, пересекающей ось пучка в области измерений под прямым углом, причем оси коллиматоров пересекаются в одной точке, лежащей на оси инжектируемого пучка.

Таким образом, предложенный способ измерения, основанный не на процессе диссоциации молекулярных ионов, а процессе перезарядки атомарных ионов на нейтралах пучка (и мишени, если последняя состоит частично из атомов или молекул) позволяет при любых размерах вакуумных установок и любой плотности мишени измерить направление магнитного поля с высокой точностью.