Технические вопросы измерения электрического потенциала методом зондирования плазмы пучком тяжелых ионов

1.7. ТЕХНИЧЕСКИЕ ВОПРОСЫ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА МЕТОДОМ ЗОНДИРОВАНИЯ ПЛАЗМЫ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ

Драбинский Михаил Александрович, инженер отделения токамаков Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт», Москва, Россия. E-mail: drabinskii91@yandex.ru

Аннотация. В статье приведено описание технической базы диагностического комплекса зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗПТИ) на токамаке Т-10, расположенного на территории Национального Исследовательского Центра «Курчатовский институт». Рассмотрены физические принципы работы диагностики, а также проблемы, встречающиеся в работе с ЗПТИ, и методы их решения. Рассмотрены режимы работы ЗПТИ, а также ее операционные пределы в сравнении с возможностями Т-10. Приведены некоторые физические результаты экспериментальной кампании 2018 г.

Ключевые слова: плазма, магнитное удержание, токамак, стелларатор, зондирование плазмы пучком тяжелых ионов, электрический потенциал, электростатический ускоритель, ионопровод.

1.7. TECHNICAL ASPECTS OF THE PLASMA ELECTRICAL POTENTIAL MEASUREMENT BY HEAVY ION BEAM PROBING

Drabinskiy Mikhail A., engineer of the tokamak Department, National Research Centre «Kurchatov Institute», Moscow, Russia

Abstract. The paper presents technical aspects description of Heavy Ion Beam Probe (HIBP) diagnostics placed on T-10 tokamak (NRC "Kurchatov Institute"). HIBP physical principles and issues are considered, technical solutions discussed as well. HIBP modes are described, operational limits and T-10 capabilities are compared. Some of recent physical results are presented.

Index terms: plasma, magnetic confinement, tokamak, stellarator, Heavy Ion Beam Probing, electric potential, electrostatic accelerator, beamline.

Введение

Зондирование плазмы пучком тяжелых ионов (ЗПТИ) - уникальный метод, позволяющий проводить прямые и локальные измерения электрического потенциала высокотемпературной плазмы [1] тороидальных установок [2, 3] и открытых магнитных ловушек [4, 5]. Использование стандартного метода измерения потенциала плазмы - ленгмюровского зонда - в данном случае ограниченно самой периферией плазмы с малым значением температуры. Измерение потенциала с помощью ленгмюровского зонда в основной плазме неизбежно влечет за собой разрушение зонда и, как следствие, загрязнение плазмы материалом зонда. В отличие от метода зондовых измерений, измерения тяжелым пучком не вносят возмущений в плазму.

ЗПТИ является многофункциональной диагностикой, наряду с потенциалом плазмы она дает возможность измерить колебания плотности электронов и поля тока плазмы [6]. Важно отметить, что измерение всех трех величин происходит одновременно, что дает возможность проводить совместный анализ электростатического и электромагнитного компонент турбулентности плазмы. Высокое временное разрешение позволяет исследовать колебания потенциала в широком частотном диапазоне, в настоящее время вплоть до 500 кГц.

Эксперименты, проводимые с помощью ЗПТИ, носят фундаментальный характер [7], так как включают в себя не только важные для термоядерного синтеза исследования,

но и исследования о природе электрического поля квазинейтральной плазмы. Одним из основных направлений исследований является изучение свойств геодезической акустической моды [8, 9].

Принцип работы ЗПТИ

В основе метода ЗПТИ лежит измерение энергии диагностических ионов до (Е1) и после плазмы (Е2) [10]. Конструктивные элементы диагностики проектируются с таким расчетом, что измерение энергии Е2 возможно только для небольшой доли ионов, которые вторично ионизовались в плазме. В точке ионизации диагностический ион теряет электрон с энергией -еф, то есть ту часть энергии, которой обладает потерянный электрон в электрическом потенциале плазмы. Измерив это изменение энергии с необходимой точностью, можно вычислить потенциал плазмы как

Ф = (Е2 - Е1)/е.

Нужно отметить, что в такой постановке вычисление потенциала плазмы сводится к нахождению малой разности больших величин, так как энергия зондирующих ионов составляет несколько сотен килоэлектронвольт, тогда как потенциал плазмы имеет значение порядка сотен вольт. Технически это является достаточно сложной задачей, точность измерения энергии ионов Е1 и Е2, а значит стабильность ускорительного напряжения и напряжения на пластинах энергетического анализатора, должны быть на уровне не хуже, чем

10-4-10-5. Только в этом случае можно измерить потенциал плазмы с точностью 10 %.

Рассмотрим теперь принцип работы ЗПТИ подробнее. Схема работы диагностики представлена на рис. 1. Пучок тяжелых ионов формируется и ускоряется в инжекторе, попадая в плазму, движется по ларморовской окружности под действием магнитного поля. В каждой точке траектории диагностического пучка, в результате столкновений с частицами плазмы, происходит вторичная ионизация, образовывается веер вторичных ионов, которые имеют вдвое меньший лар-моровский радиус. Часть этого веера попадает в апертуру энергетического анализатора, в котором происходит измерение их энергий. Область ионизации зондирующих ионов, попавших в энергетический анализатор, и будет областью наблюдений, ее положение определяется с помощью численного расчета.

Рис. 1. Принципиальная схема работы ЗПТИ:

1 - инжектор ионов; 2 - первичный ионопровод; 3 - первичная траектория;

4 - веер вторичных частиц; 5 - вторичный ионопровод; 6 - энергетический анализатор; 7 - позиционно-чувствительный детектор

Пучок вторичных ионов, попадая в энергетический анализатор через его входную апертуру, движется по параболе под действием электрического поля, создаваемого пластинами анализатора (т.н. «плоское зеркало») [11]. Пройдя пластины анализатора, пучок движется по прямой, так как на него больше не действует электрическое поле. Перпендикулярно направлению движения пучка устанавливается позиционный детектор, с помощью которого и производятся измерения.Положение диагностического пучка на детекторе будет определяться потенциалом плазмы в области наблюдения.

Ток плазмы создает полоидальную компоненту магнитного поля токамака, которая воздействует на пучок через силу Лоренца и сдвигает его в тороидальном направлении.

Корректирующие пластины ионопровода компенсируют среднее значение тороидального сдвига, на детекторе отображается только переменная его компонента.

Схема измерений с помощью позиционно-чувствитель-ного датчика приведена на рис. 2. Каждый из пяти каналов детектора составлен из четырех пластин. Полный ток пучка представляет собой сумму парциальных токов пластин:

I = ¡1 + '2 + ¡1 + У2.

Изменение потенциала ф соответствует вертикальному сдвигу пучка на детекторе, оцениваемому по нормализованной разности токов Ы на детекторных пластинах:

Ф ~ Ы = [(¡1 + Д) - (¡2 + ¡2)]/1,

обозначения ¡, . соответствуют левым и правым пластинам; индексы 1, 2 - верхним и нижним (см. рис. 2).

<1 11

Пучок

<2 1г

5ф

8г =/

Рис. 2. Схема измерений с помощью позиционно-чувствительного датчика

Колебания плотности плазмы соответствуют изменению интенсивности токового сигнала на детекторе, колебания полоидального поля - тороидальному сдвигу пучка. Ниже приведены уравнения, связывающие интенсивность вторичного пучка с электронной плотностью и тороидальный сдвиг пучка с полоидальным магнитным полем в плазме [12]:

I ~ Л Я ^ а а;

0 12 эфф е'

Яв о

г = — vrB,

ро1'

61 ~ [(¡1 + ¡2) - (¡1 + ¡2)]/1,

где I - ток вторичного пучка; 10 - ток первичного пучка; аэфф -эффективное сечение ионизации; I - линейный размер наблюдаемого объема вдоль траектории; пе - концентрация электронов в наблюдаемом объеме; 2 - коэффициенты ослабления тока пучка вдоль траекторий, определяемые следующим образом:

= ежр|-^ ст jnedl

где ¡' = 1 для первичной и 2 для вторичной траектории; а. - сечение ионизации из состояния ¡; интегрирование проводится по всей траектории движения пучка.

Положение области измерения определяется углом влета первичного пучка в плазму и его энергией. Угол влета задается с помощью отклоняющих пластин, энергия - ускорителем.

Важным параметром для диагностики ЗПТИ, определяющим амплитуду выходного сигнала, является плотность тока ионов зондирующего пучка. Чем выше эта величина, тем выше максимальная плотность плазмы, при которой возможно проводить измерения, и тем выше максимальная частота детектируемых колебаний.

т

Диагностическое оборудование ЗПТИ

ЗПТИ является многокомпонентной диагностикой, каждый ее элемент крайне важен для успешного проведения эксперимента. Помимо уже означенного требования стабильности измерения энергии первичных и вторичных ионов, существуют ограничения и по остальным параметрам диагностики, таким как положение ионного детектора, качество электрического поля, создаваемого управляющими пластинами и т.д. Ниже приведено описание технической базы диагностического комплекса, указаны трудности, с которыми экспериментаторы сталкиваются во время работы с ЗПТИ и метода их решений.

Инжектор диагностических ионов

Формирование, фокусировка и ускорение диагностического пучка до необходимых энергий производится в инжекторе ЗПТИ. Инжектор состоит из двух элементов - эмиттерно-экстракторного блока (рис. 3) и линейного электростатического ускорителя.

Ранее, на токамаке ТМ-4 [13, 14] и в начале работы на Т-10 в качестве диагностических ионов использовались ионы цезия. Впоследствии ионы цезия были заменены на ионы таллия [15]. Энергия пучка на Т-10 последовательно увеличивалась со 150 [15] до 330 кВ.

Источником ионов является твердотельный термоионный эмиттер, представляющий собой алюмосиликатную матрицу с внедренными ионами таллия. В эмиттерно-экс-тракторном блоке (рис. 4) эмиттер постепенно разогревается до 800-1200 °С, что приводит к освобождению ионов таллия из объема силикатной матрицы, которые вытягиваются с поверхности экстракторным электродом [17].

Рис. 3. Эмиттерно-экстракторный блок: 1 - корпус; 2 - нагреватель эмиттера; 3 - экстракторный электрод; красным овалом отмечен термоионный эмиттер [16]

Твердотельный эмиттер - съемный заменяемый элемент с конечным временем жизни и емкостью около 2 мА • ч. Перед использованием в регулярном эксперименте новый эмиттер должен быть планомерно прогрет в вакуумном объеме эмиттерно-экстракторного блока, так как в нем растворено большое количество примесей из атмосферы. Во время

прогрева важно контролировать давление, так как при больших температурах кислород, растворенный в эмиттере, может повредить нагревную спираль и сам эмиттер. Во время регулярной работы диагностики важно соблюдать температурный режим эмиттера ионов, чтобы не допустить его разрушение.

Основной конструктивной проблемой эмиттерно-экс-тракторного блока является размещение нагревателя эмиттера и экстракторного электрода таким образом, чтобы избежать электрического пробоя при значении экстракторного напряжения 10 кВ.

Современная конструкция эмиттерно-экстракторного блока [18] позволяет получать ионные токи до 200 мкА (отладочный эксперимент). В реальном эксперименте были получены токи 130-150 мкА. Увеличение тока диагностического пучка (ранее значения тока не превышали 50 мкА) позволило увеличить отношение сигнал/шум, расширить рабочий диапазон плотностей плазмы как в сторону более высоких, так и в сторону более низких значений. Также повышенный ток позволяет проводить измерения в более глубоких областях плазменного шнура, не теряя сигнала.

Из эмиттерно-экстракторного блока пучок ионов попадает в линейный ускоритель, в котором набирает энергию в несколько сотен килоэлектронвольт. Из-за величины ускорительного напряжения, электрический пробой является основной проблемой в работе ускорителя. Для увеличения электрической прочности он оснащен защитными кольцами и антикоронными оболочками, которые снижают локальные значения электрического поля, что позволяет избежать развития коронного разряда и электрического пробоя при напряжениях до 330 кВ.

Ускоритель ЗПТИ имеет следующую конструкцию - проводящие кольца, создающие ускоряющее электрическое поле, чередуются с керамическими проставками. Между собой они соединены с помощью клея. Клеевое соединение налагает ограничения на величину механической нагрузки, которую можно прикладывать к ускорительной трубке. В откаченном состоянии дополнительную прочность конструкции ускорителя придает атмосферное сжатие. Для минимизации нагрузки на ускоритель, эмиттерно-экстракторный блок был выполнен настолько легким, насколько это позволяет требование прочности.

Ускорительный потенциал распределяется по кольцам ускорителя с помощью резисторного делителя напряжения. Контакты делителя с кольцами ускорителя являются концентраторами электрического поля, поэтому они должны быть прикрыты элементами, имеющими больший радиус скругления.

Первичный ионопровод

Первичный ионопровод (рис. 4) является устройством управления положением точки измерения. Также он служит для коррекции тороидального сдвига пучка под действием тока плазмы. Угол влета пучка в плазму изменяется с помощью а2 пластин (позиция 8), коррекция тороидального сдвига пучка осуществляется р пластинами (позиции 4 и 7). Пластины аа (позиция 1) служат для коррекции небольшой несоосности между ионопроводом и ускорителем ионов. Также в состав ионопровода входят проволочные датчики (позиции 5 и 6), позволяющие определять положение, размер и профиль пучка, и цилиндр Фарадея (позиция 2), предназначенный для измерения тока пучка и запирания его, при необходимости, внутри объема ионопровода. Крышка цилиндра Фарадея открывается с помощью магнитного реле

Рис. 4. Первичный ионопровод:

1, 8 - а-пластины; 2 - цилиндр Фарадея; 3 - магнитное реле; 4, 7- |3-пластины; 5, 6 - проволочные датчики [16]

(позиция 3). Цилиндр Фарадея является нормально закрытым, то есть при выключенном магнитном реле диагностический пучок будет запираться в ионопроводе [16].

Компенсация тороидального сдвига диагностического пучка в первичном ионопроводе осуществляется за счет его небольшого наклона в направлении, противоположном тороидальному сдвигу и за счет зигзагообразной траектории пучка, которая реализуется двумя парами в пластин первичного ионопровода. Пластины в1, находящиеся на оси ионо-провода, отклоняют пучок в направлении, совпадающим с тороидальным сдвигом пучка. Таким образом создается плечо зигзагообразной траектории, которое увеличивает угол тороидальной коррекции пучка. Пластины в2 сдвинуты относительно оси ионопровода, они отклоняют пучок в обратном направлении, против тороидального сдвига. Такая схема коррекции тороидального сдвига позволяет компенсировать тороидальный сдвиг пучка в широком диапазоне значений тока плазмы от 100 до 300 кА.

Пластины а2 и в2 расположены ближе остальных к плазме, что приводит к образованию на их поверхности углеводородных пленок из-за взаимодействия поверхности пластин с примесным углеродом, находящимся в плазме. Основным источником углерода в плазме была углеродная диафрагма [19]. После замены углеродной диафрагмы на вольфрамовую, углерод в плазму попадает, в основном, со стенок вакуумной камеры.

Наличие углеродных пленок приводит к увеличению вероятности образования электрического пробоя между отклоняющими пластинами. Чтобы предотвратить образование углеродных пленок, поверхность пластин прогревается до температур около 200 °С с помощью трансформаторов с высоковольтной изоляцией между обмотками. Вторичная обмотка трансформаторов находится под потенциалом корректирующих пластин.

В течение одного импульса энергия пучка не меняется, поэтому изменение положения области измерений осуществляется за счет изменения угла влета пучка в плазму. Также есть возможность проводить измерения в одной пространственной точке по сечению плазмы.

Вторичный ионопровод

Первым токамаком в России (СССР), оборудованным ЗПТИ был токамак ТМ-4 [13, 14]. На данной установке впервые были проведены измерения профиля потенциала плазмы в зависимости от различных параметров плазмы (плотность электронной компоненты, ток плазмы, тороидальное

магнитное поле). Одной из отличительных особенностей работы с ЗПТИ на ТМ-4 по сравнению с Т-10 было отсутствие значительного тороидального сдвига пучка. На токамаке Т-10 это стало большой проблемой, для чего и была введена система коррекции тороидального сдвига пучка (в1 2 пластины первичного ионопровода и в3 пластины вторичного). Также были установлены пластины вертикальной коррекции (а3 пластины) вторичных траекторий для оптимизации угла влета частиц в анализатор.

При строительстве Т-10, отдельного посадочного места для ЗПТИ предусмотрено не было. Поэтому были использованы стандартные диагностические патрубки Т-10. Пучок вводится в плазму через широкий вертикальный патрубок, а для вывода вторичного пучка в вакуумную камеру был вварен дополнительный патрубок. По первоначальному проекту ЗПТИ на Т-10 вторичный ионопровод находился вне камеры. В дальнейшем для увеличения диапазона углов тороидальной коррекции вторичных траекторий, пластины вторичного ионопровода были установлены внутри вакуумной камеры.

Вторичный ионопровод состоит из двух пар пластин - а3 и в3, которые обеспечивают попадание вторичного пучка в энергетический анализатор под требуемым углом. Также как и пластины а2 и в2 первичного ионопровода, пластины вторичного ионопровода прогреваются до температуры около 200 °С, чтобы предотвратить образование углеродных пленок на рабочих поверхностях и развитие электрического пробоя между пластинами или между пластиной и заземленными стенками ионопровода.

С весны 2017 г. управление напряжением на пластинах в3, корректирующих тороидальный сдвиг пучка после плазмы, осуществляется микроконтроллером [20]. Для реализации отрицательной обратной связи с одного из каналов ионного детектора считывается тороидальный сдвиг пучка. Микроконтроллер изменяет управляющее напряжение таким образом, чтобы удерживать пучок в заданном положении на выбранном канале.

Внедрение микроконтроллера для управления коррекцией тороидального сдвига значительно упростило проведение эксперимента. Ранее можно было проводить измерения только во время стационарной стадии разряда, и присутствовала необходимость знать значение тока плазмы с точностью 10-20 кА. На данном этапе развития диагностики имеется возможность проводить измерения и на фазе роста тока, и в стационарной части разряда, а также в режимах с изменяющимся током плазмы (current ramp-up, current ramp-down). Демонстрация работы микроконтроллера приведена на рис. 5.

71711

72031

200

400 600

Время, мс а

800

1000

200

400 600

Время, мс б

1000

1000

800

1000

Рис. 5. Ток плазмы, тороидальное смещение пучка, напряжение на отклоняющих пластинах в импульсах 71711

Энергетический анализатор

Энергетический анализатор - ключевой элемент ЗПТИ, предназначенный для измерения с высокой точностью энергии пучка вторичных ионов. Анализатор имеет пять входных щелей с вертикальным размером 2 мм. Это позволяет проводить одновременные измерения в пяти различных пространственных областях с размером меньше 1 см.

Энергетический анализатор состоит из вакуумной камеры, входной апертуры, электростатического плоскопараллельного зеркала (анодная и земляная пластины), высоковольтного ввода, позиционно-чувствительного детектора ионов и системы корректировки положения детектора. В настоящее время энергетический анализатор имеет пять пространственных каналов измерений, на начальных этапах функционирования ЗПТИ на Т-10 использовались одно-и двухканальный анализаторы.

2

7 5 6

Рис. 6. Энергетический анализатор (показан без вакуумной камеры): 1 - земляная пластина; 2 - анодная пластина; 3 - вторичные траектории с разными энергиями; 4 - входная апертура; 5 - детекторная сборка; 6 - каретка с шаговыми двигателями; 7 - рама; 8 - диэлектрические стойки

Для прохождения ионов в земляной пластине сделаны отверстия. Чтобы сохранить равномерность электрического поля в области этих отверстий, они затянуты металлической

сеткой. В анодной пластине также имеется отверстие, затянутое металлической сеткой, необходимое для исключения возможного паразитного сигнала, создаваемого частицами, выбиваемыми с поверхности пластины излучением из плазмы.

ЗПТИ имеет систему вакуумной откачки, отдельную от камеры Т-10. Вакуумные объемы энергетического анализатора и первичного ионопровода с ускорителем могут быть отсечены от камеры токамака с помощью вакуумных шиберов. Отдельная вакуумная система была сделана, чтобы иметь возможность проводить работы с внутривакуумными элементами ЗПТИ, не нарушая давления в камере токамака.

Элементы энергетического анализатора выполнены таким образом, чтобы удовлетворить противоречивым требованиям - минимальная масса конструкции при максимальной ее жесткости. Снижения массы всей конструкции анализатора необходимо для облегчения работы с ним. Поэтому вакуумная камера выполнена в виде тонкостенной цилиндрической оболочки, а электростатическое зеркало - из алюминиевого сплава. При этом камера должна сохранять форму под действием давления атмосферы, а геометрия зеркала - позволять создавать максимально равномерное электрическое поле.

На рис. 7 приведена фотография вакуумной камеры энергетического анализатора, не обладавшей достаточной жесткостью. Во время вакуумных испытаний ее смяло давлением атмосферы. Прочностной расчет данного варианта вакуумной камеры не учитывал возможность потери устойчивости тонкостенной оболочки. Современное исполнение вакуумной камеры предусматривает увеличение жесткости не только за счет толщины стенки, но и за счет ребер жесткости.

Входная апертура анализатора и позиционно-чувстви-тельный датчик (рис. 8) должны быть исполнены и установлены таким образом, чтобы исключить взаимовлияние измерений потенциала и полоидального поля плазмы

(г-ф-зависимость). Для этого проводится юстировка энергетического анализатор на оптическом столе. Точность изготовления деталей позиционно-чувствительного датчика должна быть на уровне 0,02 мм, чтобы выдержать расстояние между соседними детекторными пластинами 0,5 мм.

с точностью в несколько микрометров. В юстировочном эксперименте устанавливается не только оптимальное положение ионного детектора, но и диапазон значений напряжений на пластинах а3, при котором калибровочный коэффициент будет постоянным.

Рис. 7. Первоначальная конструкция корпуса энергетического анализатора, не выдержавшая вакуумных испытаний

Рис. 8. Позиционно-чувствительный датчик энергетического анализатора

Потенциал плазмы высчитывается по следующей формуле [21]:

Ф = 2UJ6/F (0) + G (0)] - Ev

где F (0) и G (0) - геометрические калибровочные коэффициенты энергетического анализатора; Uan - напряжение на пластинах анализатора

Позиция детектора в анализаторе должна быть отъюстирована таким образом, чтобы калибровочный коэффициент G не зависел от угла входа пучка в анализатор в определенном диапазоне углов (рис. 9). Это существенно упрощает обработку собранных данных. Юстировка осуществляется при помощи вакуумно-совместимых шаговых двигателей New Port, позволяющих изменять положение детектора

G 2,250

2,248

2,246

2,244

2,242 2,240 2,238

2,236

Xd оптимальн 1ЭЯ

—£._1_ _1_ _1_

26

28

30

32

34 е,

Рис. 9. Оптимизация формы разрешающей кривой в(0) путем подбора положения ионного детектора: X. - позиция детектора относительно входной апертуры анализатора;

Калибровочный коэффициент Г известен, но остается переменным даже после юстировки, соответственно, он вносит систематические искажения в измерения потенциала. Чтобы минимизировать его влияние, измерения проводятся таким образом, чтобы значение б/ было близко к нулю.

Калибровка энергетического анализатора производится в гелиевом бесплазменном эксперименте с одним продольным полем в предположении, что энергия пучка не меняется при ионизации во время столкновений с нейтральным гелием (т.е. ф = 0). Данные из реального эксперимента привязываются по данным ленгмюровского зонда и по значению потенциала на периферии, и по пространственной локализации области измерения, одновременно осуществляя верификацию численного расчета пространственных привязок.

Важной особенностью позиционно-чувствительного детектора ионов является вакуумно-совместимый блок электронных преобразователей, установленный непосредственно за детекторными пластинами. Блок преобразователей представляет собой широкополосный малошумящий усилитель с 20 каналами. Полоса пропускания блока преобразователей составляет 500 кГц, коэффициент преобразования ток-напряжение - около 107 В/А. Таким образом, из десятков наноампер получается сигнал уровня нескольких вольт, который легко регистрируется АЦП.

Многоканальный энергетический анализатор позволяет проводить корреляционные исследования как между потенциалом плазмы, так и ее плотностью, измеренными в соседних пространственных точках. Кросс-фаза между сигналами позволяет определить полоидальную структуру Геодезической Акустической Моды. Одновременные измерения потенциала в двух полоидально разнесенных точках и плотности дают уникальную возможность вычислить дрейфовый турбулентный поток частиц.

Xd1 < Xdopt < cl2

Область применимости ЗПТИ

Как и любой метод, ЗПТИ имеет свои операционные пределы. Наиболее явным ограничением является направление тороидального магнитного поля токамака, так как от него зависит направление движения диагностического пучка в плазме. В случае, когда магнитное поле имеет направление, противоположное номинальному, диагностический пучок будет разворачиваться магнитным полем по часовой стрелке и высаживаться на стенку вакуумной камеры.

Область применимости диагностики также ограничена и направлением тока плазмы. Это ограничение связано с существенной трехмерностью траектории диагностического пучка в плазме токамака. Данная трехмерность в условиях Т-10 не может быть компенсирована исключительно за счет корректирующих пластин, поэтому первичный ионопровод имеет небольшой наклон в тороидальном направлении, что исключает работу ЗПТИ при неноминальном направлении плазменного тока.

Помимо ограничений, связанных с направлением магнитного поля и тока плазмы, существуют ограничения, связанные с величинами концентрации плазмы, тока плазмы и тороидального магнитного поля. Эти ограничения могут быть преодолены за счет увеличения тока диагностического пучка, увеличения эффективности тороидальной коррекции и повышения энергии пучка соответственно.

Современное техническое состояние ЗПТИ на токамаке Т-10 позволяет проводить измерения во всем диапазоне параметров плазмы.

Высоковольтная система ЗПТИ

Поскольку сама суть метода ЗПТИ заключается в измерении энергии пучка заряженных частиц, работа диагностики невозможна без высоковольтного оборудования. Высоковольтная система ЗПТИ (рис. 10) состоит из следующих устройств:

• генератор ускорительного напряжения (400 кВ, Glass-man Inc);

• высоковольтный конденсатор в дополнение к внутреннему фильтру генератора;

• измерительный делитель с общим сопротивлением 1 ГОм;

• источник тока для нагрева эмиттера ионов - два 12 В аккумулятора емкостью 120 А • ч;

• два 10 кВ источника напряжения для трехэлектродной линзы эмиттерно-экстракторного блока;

• генератор анализаторного напряжения (100 кВ, Glass-man Inc);

• измерительный делитель с общим сопротивлением 250 МОм;

• 4 высоковольтных усилителя сигнала TREK.

Основной проблемой при работе в работе с высоковольтной системой являются коронный разряд и электрический пробой (рис. 11). Чтобы избежать эти неблагоприятные события, элементы диагностики, находящиеся под потенциалом ускорителя, расположены на отдельной платформе наверху магнитопровода Т-10. Также все высоковольтные детали отделены от заземленных элементов расстоянием порядка 1 м. Кроме того, для увеличения электрической прочности, эти элементы имеют гладкую поверхность и большие радиусы скругления. Наиболее опасные с точки зрения пробоя промежутки прикрыты тонкослойным изолятором. Помимо всего перечисленного, очень важно соблюдать гигиену - необходимо следить, чтобы высоковольтные элементы не запылялись, и своевременно их протирать.

Рис. 10. Высоковольтная система питания ЗПТИ:

1 - генератор ускорительного напряжения Glassman-400; 2 - сглаживающий емкостной фильтр; 3 - измерительный делитель напряжения с общим сопротивлением 1 ГОм; 4 - высоковольтная платформа с источниками тока и напряжения;5 - инжектор; 6 - генератор анализаторного напряжения Glassman-100; 7 - измерительный делитель напряжения с общим сопротивлением 250 Мом; 8 - диэлектрическое антипробойное покрытие

Рис. 11. Электрический пробой ускорителя при проведении высоковольтных испытаний, напряжение 337 кВ

Также проблемой является управление нагревом ионного эмиттера и высоковольтными источниками трехэлектродной линзы, находящимися на высоковольтной платформе. Нельзя использовать для передачи сигнала токопроводящий провод. В данном случае передача управляющего сигнала под высокое напряжение осуществляется по оптоволоконной линии, преобразование оптического сигнала осуществляется оптическими конверторами - один находится у основания высоковольтной платформы, другой - наверху, под потенциалом ускорителя.

Необходимую стабильность - 10-4-10-5 - напряжения ускорителя и анализатора обеспечивают коммерческие генераторы высокого напряжения Glassman-100 и Glassman-400.

Технические мероприятия, направленные на увеличения электрической прочности высоковольтной системы позволили получить в плазменном эксперименте рекордное для ЗПТИ на Т-10 ускорительное напряжение в 330 кВ. Высоковольтные испытания, показали, что предельное значение напряжения сильно зависит от состояния воздуха в помещении (влажность и запыленность). Максимальное достигнутое напряжение, при котором возникал электрический пробой, было равным 345 кВ. В последнем высоковольтном испытании электрический пробой возник при напряжении 337 кВ.

Использование высоковольтных усилителей в качестве источников корректирующего напряжения существенно упростило проведение эксперимента - за один импульс то-камака стало возможным т.н. сканирование по всем управляющим напряжениям, в том числе и сканирование плазмы по углу влета (а), что позволяет получить за один импульс данные о потенциале из радиальной области в несколько сантиметров.

Высоковольтные усилители TREK имеют линейную характеристику зависимости выходного напряжения от входного управляющего сигнала, позволяют проводить изменение напряжение со скоростью в несколько кВ/мс и обладают рабочим диапазоном напряжений ±20 кВ, что делает их практически незаменимыми при проведении эксперимента.

Режимы работы ЗПТИ

За время существования диагностического комплекса ЗПТИ на токамаке Т-10, технический уровень этой диагностики существенно вырос. Последовательная модернизация сделала возможным проведение исследований в режимах с омическим и СВЧ-нагревом при значении магнитного поля на оси токамака 2,08 < Bt < 2,5 Тл и значениях тока плазмы 140 < Ip < 330 kA. В режимах с Bt < 2,17 Тл была исследована радиальная область 0,2 < r < 1. Таким образом, операционные пределы ЗПТИ сравнялись с пределами возможностей Т-10.

С помощью высоковольтных усилителей, позволяющих изменять с большой скоростью (несколько кВ/мс) и в широком диапазоне (±20 кВ) корректирующее напряжение, была освоена методика сканирования сечения камеры по углу входа пучка частиц в плазму. В совокупности с коррекцией угла влета пучка в энергетический анализатор, это позволило получать фрагменты профиля потенциала (несколько сантиметров) в течение одного импульса.

Была создана система управления параметрами ЗПТИ, позволяющая подбирать управляющие напряжения к следующему импульсу токамака на основе анализа положения пучка в предыдущем импульсе. Аналогичная система реализована на стеллараторе TJ-II [21]. Применение системы управления параметрами ЗПТИ позволило кардинально упростить и ускорить процесс подбора управляющих напряжений, существенно повысить его точность, тем самым обеспечить проведение систематических измерений как при фиксированном положении области измерений, так и при радиальном сканировании.

Кроме этих традиционных режимов работы ЗПТИ, разработанная система позволила освоить новые нестандартные режимы. В целом ЗПТИ может функционировать в следующих режимах проведения измерений:

• сканирование по углу влета пучка в плазму;

• периодическое изменение точки наблюдения между несколькими положениями по сечению плазменного шнура;

• чередование измерений между режимом сканирования и измерением в точке в течение одного импульса.

Физические результаты

В экспериментальной кампании 2018 г. были достигнуты рекордные значения ускорительного напряжения, что позволило провести измерения профиля электрического потенциала и его колебаний вплоть до 8-го см при значении магнитного поля на оси токамака 2,2 Тл и тока плазмы 230 кА. Радиальные профили потенциала и его колебаний были получены в сканирующем режиме работы ЗПТИ. От импульса к импульсу последовательно менялась энергия зондирующего пучка, полученные фрагменты профиля при обработке сшивались в один (белыми линиями на рис. 13 показаны границы отдельных фрагментов).

Были получены профили электрического потенциала при различном энерговкладе в плазму (рис. 12). Рассмотрены три случая: полностью омический нагрев (около 400 кВт), дополнительный нецентральный ЭЦР нагрев (два гиротро-на, общей мощностью 1,7 МВт) и комбинация центрального и нецентрального ЭЦР нагрева (общая мощность ЭЦР нагрева около 2,2 МВт).

1,0 0,8 0,6 0,4 0„2 0,0 -0,2 -0,4 -0,6 -0,8 -1,0

.......................iiiil................._........................

..........................;.........*...............hi......

nwfti ^.....f.....i | iiM

..........................:.........................................ii ±............i................................*.........

.............................i...........................т.........ill*

Омический режим

Нецентральный ЭЦР нагрев

Нецентральный + центральный ЭЦР-нагрев

^Данные ленгмюровского зонда _I_I_I_

10

20

30

г, см

Рис. 12. Профили электрического потенциала, полученные в режиме = 2,2 Тл, /р| = 230 кА при различном уровне энерговклада в плазму

12 14 16 18

20 22 24 26 28 г, см

30 32

Рис. 13. Радиальный профиль ГАМ в режиме Bt = 2,2 Тл, Ip| = 230 кА, омическая фаза разряда, амплитуда колебаний показана цветом

В том же радиальном диапазоне были получены данные о частоте и амплитуде колебаний потенциала. Особое внимание при обработке данных было уделено Геодезической Акустической Моде. Показано, что ГАМ в данном режиме имеет квазимонохроматическую структуру на всем диапазоне измерений. Сама ГАМ возникает на 27 см, ее сателлит - на 24 см. Обе моды существуют, не меняя частоты и амплитуды 8 см. Спектр колебаний на 32 см говорит о том, что была достигнута зона пристеночной плазмы - виден характерный для этой зоны спектр (SOL-like, scrape-off layer spectrum).

Заключение

Диагностический комплекс зондирования плазмы пучком тяжелых ионов установлен на токамаке Т-10 в НИЦ «Курчатовский институт» и демонстрирует стабильную работу в плазменном эксперименте. ЗПТИ обеспечивает проведение измерений потенциала плазмы в режимах Т-10 с током плазмы от 100 до 300 кА, плотностью плазмы от 0,4 до 4 • 1019 м-3 и магнитным полем на оси токамака от 1,5 до 2,5 Тл. Измерения с помощью ЗПТИ могут проводиться на фазе роста тока, во время стационарной омической фазы, а так же в ЭЦР фазе разряда токамака, возможны измерения в режимах с изменяющимся в течение разряда током плазмы. Возможные режимы работы ЗПТИ включают в себя измерения в одной пространственной точке, режиме сканирования, режиме переключения между несколькими пространственными точками и в комбинации этих режимов. Таким образом, диагностический комплекс ЗПТИ надежно работает во всех режимах Т-10 и обеспечивает измерение профиля электростатического потенциала и его временную эволюцию, а так же измерение характеристик электростатической и электромагнитной турбулентности как в периферии плазмы, так и в горячей ее области.

Работа выполнена за счет РНФ, Проект 14-22-00193. Литература

1. Jobes F.C. and Hickok R.L. A direct measurement of plasma space potential // Nucl. Fusion. 1970. Vol. 10. P. 195-197.

2. Melnikov A.V., Hidalgo C., Eliseev L.G., et al. Plasma potential and turbulence dynamics in toroidal devices (survey of T-10 and TJ-II experiments). Ibid. 2011. Vol. 51. Р. 083043.

3. Fujisawa A., Ido T., Shimizu A., et al. Experimental progress on zonal flow physics in toroidal plasmas // Nucl. Fusion. 2007. Vol. 47. P. 718.

4. Prikhodko V.V. et al. Heavy ion beam probe for measurements of plasma potential profile in GDT device // AIP Conference Proceedings. 2016, 1771. P. 050014.

5. Yoshikawa M. et al. Heavy ion beam probe for measurements of plasma potential profile in GDT device // Nucl. Fusion. 2013. 53, 073031. 8 p.

6. Melnikov A.V. et al. Heavy ion beam probing-diagnostics to study potential and turbulence in toroidal plasmas // Nucl. Fusion. 2017. 57, 072004. 13 p.

7. Melnikov A.V. Applied and fundamental aspects of fusion science // Nature Physics. 2016, 12. P. 386-390.

8. Melnikov A.V et al. Investigation of geodesic acoustic mode oscillations in the T-10 tokamak // Plasma Phys. Control. Fusion. 2006, 48. S87-S110.

9. Melnikov A.V. et al. 2015 The features of the global GAM in OH and ECRH plasmas in the T-10 tokamak // Nucl. Fusion. 55. P. 063001.

10. Schoch P.M. et al. Heavy-ion beam probe diagnostic systems (invited) // Review of Scientific Instruments. 1988, 59. P. 1646.

11. Green T.S. and Proca G.A. A Parallel Plate Electrostatic Spectrograph // Review of Scientific Instruments. 1970, 41. P. 1409.

12. Dnestrovskij Yu.N. et al. Development of Heavy Ion Beam Probe Diagnostics // IEEE Transactions on Plasma Science. August 1994. Vol. 22, No. 4.

13. Бугаря В.И. др. Электрический потенциал и скорость тороидального и полоидального вращения в токамаке // ЖЭТФ. Письма. 1983. Т. 38, № 7. С. 337-341.

14. Bugarya V.I., Gorshkov A.V., Grashin S.A., et al. Measurements of plasma column rotation and potential in the TM-4 Tokamak // Nucl. Fusion. 1985. V. 25, № 12. P. 1707-1717.

15. Krupnik L.L. et al. Fusion Engineering and Design. 1997, 34-35. P. 639-644.

16. Драбинский М.А. и др. Инженерные аспекты модернизации диагностики плазмы с помощью зондирования пучком тяжелых ионов на токамаке Т-10 // ВАНТ. 2016. Серия: Терм. синт. 39. С. 81-90.

17. Krupnik L.I. et al. High-Intensity Thermionic Alkali Ion Sources for Plasma Diagnostics // IEEE Transactions on Plasma Science. August 2008. Vol. 36, No. 4.

18. Drabinskii M.A. et al. The upgraded heavy ion beam probe diagnostics on the T-10 tokamak // J. Phys. Conf. 2016. Ser. 747. P. 012017.

19. Грашин С.А. и др. Переосаждение углерода в рабочих и тренировочных разрядах токамака Т-10 // XLII Международная Звенигородская конференция по физике плазмы и УТС, 9-13 февраля 2015, http://www.fpl.gpi.ru/Zvenigorod/XLII/ Books_of_abstract.pdf.

20. Харчев Н.К. и др. О возможности автоматической коррекции тороидального смещения диагностического пучка тяжелых ионов // XVII Всероссийская конференция «Диагностика высокотемпературной плазмы». 13-17 июня 2017. г. Звенигород, http:// iterrf.ru/dvp17/programma_i_tezisi_DVP17.pdf.

21. Solensten L. and Connor K.A. Rev. Sci. Instr. 1987. 58, 516; doi: 10.1063/1.1139262.

22. Melnikov A.V. et al. 2015 Control and data acquisition for dual HIBP diagnostics in the TJ-II stellarator // Fusion Eng. Design. 97-8. P. 724.