Коррекция тороидального смещения диагностического пучка тяжелых ионов

1.6. КОРРЕКЦИЯ ТОРОИДАЛЬНОГО СМЕЩЕНИЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ1

Харчев Николай Константинович, ведущий инженер отделения токамаков Курчатовского комплекса термоядерной энергетики и плазменных технологий НИЦ «Курчатовский институт», заведующий лабораторией Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН. E-mail: khar@fpl.gpi.ru

Аннотация. Одним из основные факторов препятствующих проведению измерений потенциала плазмы в нестационарных режимах токамаков и стеллараторов является неконтролируемое тороидальное смещение зондирующего пучка под воздействием полоидального магнитного поля. В работе представлено устройство, позволяющее автоматически компенсировать нестационарное тороидальное смещение, тем самым существенно расширить диапазон операционных режимов диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов. Приведены примеры результатов измерений, полученных с помощью разработанного устройства. Показано существенное увеличение длительности достоверных измерений потенциала плазмы на токамаке Т-10.

Ключевые слова: плазма, магнитное удержание, токамак, стелларатор, зондирование плазмы пучком тяжелых ионов, электрический потенциал, полоидальные компоненты магнитного поля.

1.6. CORRECTION OF TOROIDAL DISPLACEMENT OF DIAGNOSTIC HEAVY ION BEAM

Kharchev Nickolay, leading engineer of tokamak department in the National Research Centre «Kurchatov Institute», head of laboratory of A.M. Prokhorov General Physics Institute, RAS

Abstract. One of the main factors affecting the measurement of plasma potential in non-stationary regimes of tokamaks and stellarators is uncontrolled toroidal displacement of the probing beam under the influence of a poloidal magnetic field. The paper presents a device that allows us to automatically compensate the non-stationary toroidal displacement, thereby significantly expand the range of operating modes of Heavy Ion Beam Probing. Examples of measurement results obtained with the help of the developed device are given. A significant increase in the duration of reliable measurements of the plasma potential on the T-10 tokamak is shown.

Index terms: plasma, magnetic confinement, Heavy Ion Beam Probing, electric potential, poloidal components of the magnetic field.

Введение

Измерения электрического поля в плазме современных термоядерных установок представляют собой сложную экспериментальную задачу. На периферии плазмы потенциал электрического поля измеряется с помощью зондов Ленгмю-ра. В центральных, горячих областях плазмы электрическое поле, как правило, не измеряется напрямую, а определяется по измеряемой скорости вращения плазмы с помощью спектроскопических методов или корреляционной рефлек-тометрии. Единственным прямым методом исследования электрического потенциала плазмы является диагностика с помощью пучка тяжелых ионов, в английском варианте -Heavy Ion Beam Probe (HIBP).

Зондирование пучком тяжелых ионов является уникальным методом исследования плазмы в термоядерных установках [1]. Впервые диагностика HIBP была реализована в конце 1960-х гг. Р.Л. Хикоком и Ф.С. Джобсом на установке с дуговым разрядом, а впоследствии на токамаке ST [2]. Впервые в России (СССР) HIBP был реализован в начале 1980-х гг. Л.И. Крупник и И.С. Недзельским на токамаке ТМ-4 [3, 4]. В настоящее время в России диагностика HIBP работает на установках Туман-3 [5] и Т-10 [6]. Диагностика HIBP позволяет получить несколько параметров плазмы. С ее помощью проведен ряд исследований турбулентных

флуктуаций плотностности плазмы [7, 8], собственных альфе-новских мод [9, 10, 11], Геодезической Аккустической Моды [12, 13, 14, 15, 16, 17], распределение электрического поля и его флукткуаций [18, 19].

1. Физические принципы измерений методом Н1ВР

Физический принцип, лежащий в основе диагностики: работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории. Если частица с зарядом пе выносится из области плазмы с потенциалом ф, то энергия зондирующей частицы изменится на величину ЬЖ = пеф, где п - зарядовое число; е - заряд электрона; ф - потенциал в точке пространства, где образовался заряд. Схема диагностики представлена на рис. 1.

Пучок ускоренных тяжелых ионов направляется в плазму, где происходит постепенная перезарядка ионов пучка в результате взаимодействия с частицами плазмы. Так как движение происходит в магнитном поле, пучок тяжелых ионов движется по круговой траектории с ларморовским радиусом, зависящем от энергии ионов зондирующего пучка. Образовавшиеся вторичные частицы образуют веер. Вырезав из этого веера с помощью коллиматора небольшой вторичный пучок и проанализировав его энергию, принимая

1 Автор выражает глубокую благодарность Ю.Н. Днестровскому за многолетнюю совместную работу и постоянную поддержку. Работа выполнена за счет Российского научного фонда, проект 14-22-00193.

во внимание, что инжектор зондирующего пучка и анализатор находятся в области пространства с равным потенциалом, то по изменению энергии ионов пучка можно определить потенциал в точке перезарядки.

Харчев Н.К.

Флуктуации полоидального магнитного поля

Анализатор энергии вторичных ионов

Траектория первичного пучка

Детекторные пластины

Веер вторичных / Входная траекторий ТГ+ щель

Корректирующие пластины

Рис. 1. Схема диагностики Н1ВР

Для современных установок с магнитными полями более 1 тесла пролет через плазму возможен для пучков тяжелых ионов Т1) с энергией ионов от 100 кэВ до 10 МэВ. Учитывая, что потенциал плазмы оценивается в диапазоне до 1000 В, то изменение энергии ионов можно оценить на уровне менее одного процента. Для анализа энергии вторичного пучка ионов часто используют электростатический анализатор, представляющего собой область пространства с постоянным электрическим полем. В зависимости от энергии частиц вторичный пучок поворачивается в анализаторе на определенный угол. На выходе анализатора энергии устанавливаются приемные пластины (рис. 2), где происходит преобразование тока пучка в сигналы диагностики.

6В

ро1

' 'йи + 'и) '[^^^о^

Рис. 2. Приемные пластины анализатора энергии и след пучка

Ток пучка на отдельных пластинах детектора зависит от смещения пучка в вертикальном и горизонтальном направлении. В свою очередь вертикальное смещение зависит от изменения энергии ионов пучка, горизонтальное смещение зависит от полоидальных компонент магнитного поля, порожденного током плазмы и токами в управляющих полоидальных витках установки. Локальное значение и флуктуации электрического потенциала

Ф ~ + 'ни - ILD - 'м^

где 1Ш, !ки, 1ш, - токи четырех пластин детектора; 1Ш - полный ток пучка равный 1ш + !ки + 1ш + 1^.

Зная энергию зондирующего пучка, напряжение электрического поля анализатора и соотношение токов на детекторных пластинах анализатора можно определить потенциал в точке перезарядки ионов как:

ф = ^('ш + V - ^ - 'Л + 6] - ЕЬ

где иа - напряжение на пластинах анализатора; Еь - энергия первичного пучка; Я, 6 - константы зависящие от геометрических размеров анализатора [20].

Для коррекции траектории движения пучка тяжелых ионов в ионопроводах используют плоские воздушные конденсаторы. При подаче напряжения на обкладки воздушные конденсатора (в дальнейшем - отклоняющие пластины) пролетающий через конденсатор пучок ионов изменяет направление траектории движения без изменения энергии. При планировании эксперимента для каждой пары отклоняющих пластин ионопровода (см. рис. 1) задается определенное напряжение, позволяющее выстроить траекторию движения ионов пучка так, чтобы без потерь на элементах конструкций ионопровода и вакуумной камеры попасть в центр детекторных пластин анализатора.

2. Устройство коррекции тороидального смещения диагностического пучка

Для того, что бы в условиях реального эксперимента вторичный пучок попал на детекторные пластины анализатора необходимо решить множество различных инженерных задач. Одной из них является удержание зондирующего пучка от смещения в тороидальном направлении. Наличие динамически изменяющихся полоидальных магнитных полей приводит к сносу пучка из центра детекторных пластин анализатора и может привести к катастрофическим ошибкам измерения энергии вторичного пучка.

Решить данную задачу можно с помощью подачи напряжения на отклоняющие пластины ториодального направления стоящие перед анализатором в зависимости от тороидального смешения вторичного пучка. Сигналом обратной связи может служить величина смещения вторичного пучка из центра детекторных пластин анализатора. Попытки создать устройство на основе аналоговых элементов не привели к успеху. Нами было предложено, разработано и изготовлено устройство на основе 32-разрядного микроконтроллера STM32F303. Использование данного устройства на установках Т-10 и И-М показало высокую эффективность. С использованием данного устройства возможно измерение потенциала плазмы практически с начала подъема тока и во всех не стационарных режимах работы установки.

Блок-схема устройства представлена на рис. 3. Микроконтроллер оцифровывает и сглаживает сигналы с четырех приемных пластин анализатора. Если полный ток пучка ионов превышает установленный порог, микроконтроллер рассчитывает величину отклонения пучка от центра детекторных пластин анализатора в тороидальном направлении и подает сигнал на пропорционально-интегральный регулятор.

Выходной сигнал пропорционально-интегрального регулятора анализируется и после обработки подается на цифро-аналоговый преобразователь. Аналоговый сигнал ЦАП,

после смещения уровня подмешивается к заданному в ходе подготовки к эксперименту напряжению и подается через высоковольтный усилитель на отклоняющие пластины. Коэффициенты регулированиия пропорционально-интегральный регулятора подобраны так, чтобы регулятор не был чувствителен к небольшим изменениям сигналов на частотах выше 300 герц. Это позволяет с одной стороны удерживать вторичный пучок ионов близко к центру детекторных пластин, с другой стороны использовать сигнал тороидального смещения пучка для детектирования высокочастотных колебаний полоидального магнитного поля.

Анализатор

STM32F303

АЦП

пид

1 /

ЦАП ^

Устройство смещения уровня

Отклоняющие пластины

Высоковольтный усилитель

Рис. 3. Блок-схема устройства коррекции тороидального смещения диагностического пучка

250 200 % 150

10

1000

1000

200

400 600

Время, мс

800

1000

положение пучка на пластинах анализатора становиться неопределенным и так же становится неопределенной ошибка измерения энергии вторичного пучка. Достоверные данные можно получить только если сигнал гА лежит в диапазоне -1 < 1А < 1. Показательно поведение сигнала г около 600 мс. После включения дополнительного нагрева, изменение по-лоидальных полей токамака приводит к сносу пучка из центра детектора и потери информации о потенциале плазмы во время действия дополнительного нагрева.

За 800 миллисекунд времени разряда только около 250 миллисекунд сигнал гА находится в диапазоне соттвет-ствующем получению достоверных данных.

На рис. 5 представлен результат эксперимента по измерению потенциала в токамаке Т-10 с использованием разработанного устройства. Сигнал полного тока детектора начинается практически с началом роста тока плазмы. При этом напряжение на отклоняющих пластинах изменяется скачком больше чем на 1,5 кВ и затем постепенно, вместе с ростом тока плазмы, изменяется на -4 кВ. После включения дополнительного нагрева на 600 мс также начинается снос пучка в тороидальном направлении, однако устройство возвращает вторичный пучок в центр детекторных пластин. Время достоверных данных для этого эксперимента в три раза больше, чем без устройства, и составляет более 750 миллисекунд. На сигнале г видны флуктуации полоидального магнитного поля, которые не оказывают влияния на напряжение на отклоняющих пластинах и могут быть проанализированы.

Рис. 4. Ток плазмы, полный ток вторичного пучка, тороидальное смещение пучка, напряжение на отклоняющих пластинах для выстрела 71711 токамака Т-10

На рис. 4 представлен результат эксперимента по измерению потенциала в токамаке Т-10 без коррекции тороидального смещения. Сигнал диагностики появляется на детекторных пластинах с сильным смещением в тороидальном направлении. Сигнал zd = (/ - / + / - /RD)//tot показывает величину смещения. Значения -1 или 1 соответствуют полному уходу пучка с левых или правых пластин. При этом

1000

1000

1,0-1

0,5-

CD

о 0,0-

NU -0,5-

-1,0-

O-i

1000

200

400 600

Время, мс

800

1000

Рис. 5. Ток плазмы, полный ток вторичного пучка, тороидальное смещение пучка, напряжение на отклоняющих пластинах для выстрела 72031 токамака Т-10

Заключение

Разработанное и внедренное устройство коррекции тороидального смещения диагностического пучка вторичных ионов в центре детекторных пластин анализатора показало высокую эффективность работы в экспериментах на тока-маке Т-10 и стеллараторе TJ-II. Применение устройства дало существенное увеличение длительности достоверных измерений потенциала плазмы на токамаке Т-10.

Литература

1. Dnestrovskij Yu.N., Melnikov A.V., Krupnik L.I., and Nedzelskij I.S. Development of Heavy Ion Beam Probe Diagnostics // IEEE Trans. Plasma Sci. 1994. V. 22, No. 4. P. 310-331.

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

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

4. 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.

5. Heavy ion beam probe systems for tight aspect ratio tokamaks / A.V. Melnikov, L.G. Zimeleva, L.I. Krupnik, I.S. Nedzelskij, Y.V. Tro-fimenko and V. B. Minaev // Review of Scientific Instruments. 1997, 68. Р. 316.

6. Бондаренко И.С., Губарев С.П., Крупник Л.И. и др. Диагностика плазмы пучком тяжелых ионов на токамаке T-10 // Физика плазмы. 1992. Т. 18. С. 110.

7. Eliseev L.G., Lysenko S.E., Melnikov A.V., Krupnik L.I., Kozachek A.S., Zenin V.N. Study of GAMs and related turbulent particle flux with HIBP in the T-10 tokamak // Probl. Atom. Sci. Techn. Ser. Plasma Physics. 2017, 107. Р. 241-243.

8. Eliseev L.G., Zenin V.N., Lysenko S.E., Melnikov A.V. Measurements of geodesic acoustic modes and turbulent particle flux in the T-10 tokamak plasmas // J. Phys.: Conf. Series 907. 2017, 012002. Р. 4.

9. Melnikov A.V, Ochando M., Ascasibar E., Castejon F., Eliseev L., Hidalgo C., Krupnik L., Lopez-Fraguas A., Lysenko S., de Pablos J.L., Perfi-lov S., Sharapov S., Spong D., Jimenez J., Breizman B., Cappa A., Liniers M. and Ufimtsev M.V. Effect of magnetic configuration on frequency of NBI-driven Alfven modes in TJ-II // Nuclear Fusion. 2014, 54. Р. 123002.

10. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Ascasibar E., Cappa A., Castejon F., Hidalgo C., Ido T., Jimenez J.A., Kozachek A.S., Krupnik L.I., Liniers M., Lysenko S.E., de Pablos J.L., Perfilov S.V., Shimizu A., Sharapov S.E., Ufimtsev M.V., Yamamoto S. HIBP group and TJ-II team. Effect of magnetic configuration on nonlinear evolution of NBI-driven Alfven modes in TJ-II // Nuclear Fusion. 2016. 56, 076001. 6 p.

Харчев Н.К.

11. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Castejon F., Hidalgo C., Khabanov P.O., Kozachek A.S., Krupnik L.I., Liniers M., Lysenko S.E., de Pablos J.L., Sharapov S.E., Ufimtsev M.V., Zenin V.N., HIBP Group and TJ-II Team, Study of NBI-driven chirping mode properties and radial location by the heavy ion beam probe in the TJ-II stellarator // Nucl. Fusion. 2016. 56, 112019. 12 p.

12. Seidl J., Krbec J., Hron M., Adamek J., Hidalgo C., Markovic T., Melnikov A.V., Stockel J., Weinzettl V., Aftanas M., Bilkova P., Bogar O., Bohm P., Eliseev L.G., et al. Electromagnetic characteristics of geodesic acoustic mode in the COMPASS tokamak // Nucl. Fusion. 2017. 57, 126048. 15 p.

13. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Lysenko S.E., Ufimtsev M.V., Zenin V.N. Study of interactions between GAMs and broadband turbulence in the T-10 tokamak // Nucl. Fusion. 2017. 57, 115001. 7 p.

14. Meльников A.B., Eлисеев Л.Г., Лысенко C.E., Перфилов С.В., Шелухин Д^., Вершков B.A., Зенин В.Н., Крупник Л.И., Коза-чек А.С., Харчев Н.К., Уфимцев М.В. и группа «тяжёлый пучок». Дальние корреляции геодезических акустических мод в установке Т-10 // ВАНТ. Сер.: Термоядерный синтез. 2015. Т. 38, вып. 1. С. 49-56.

15. Мельников А.В., Елисеев Л.Г., Лысенко С.Е., Перфилов С.В., Шу-рыгин Р.В., Крупник Л.И., Козачек А.С., Смоляков А.И. Радиальная однородность геодезических акустических мод в омических разрядах с низким b на токамаке T-10 // Письма в ЖЭТФ. 2014. Т. 100, вып. 9. С. 633-638.

16. Melnikov A.V., Vershkov V.A., Eliseev L.G., Grashin S.A., Gudozh-nik A.V., Krupnik L.I., Lysenko S.E., Mavrin V.A., Perfilov S.V., Shelu-khin D.A., Soldatov S.V., Ufimtsev M.V., Urazbaev A.O., Van Oost G. and Zimeleva L.G. Investigation of geodesic acoustic mode oscillations in the T-10 tokamak // Plasma Phys. Control. Fusion. April 2006. 48, No 4. S87-S110.

17. Melnikov A.V., Eliseev L.G., Perfilov S.V., Lysenko S.E., Shurygin R.V., Zenin V.N., Grashin S.A., Krupnik L.I., Kozachek A.S., Solomatin R.Yu., Elfimov A.G., Smolyakov A.I., Ufimtsev M.V. and HIBP team. The features of the global GAM in OH and ECRH plasmas in the T-10 tokamak // Nucl. Fusion. 2015. 55, 063001. 8 p.

18. Мельников А.В. Исследование электрического потенциала термоядерной плазмы с магнитным удержанием // Computational nanotechnology. 2017. Вып. 2. С. 13-23.

19. Melnikov A.V., Krupnik L.I., Eliseev L.G., Barcala J.M., Bravo A., Chmyga A.A., Deshko G.N., Drabinskij M.A., Hidalgo C., Khaba-nov P.O., Khrebtov S.M., Kharchev N.K., Komarov A.D., Kozachek A.S., Lopez J., Lysenko S.E., Martin G., Molinero A., de Pablos J.L., Soleto A., Ufimtsev M.V., Zenin V.N., Zhezhera A.I. Heavy ion beam probing - diagnostics to study potential and turbulence in toroidal plasmas // Nucl. Fusion. 2017. 57, 072004. 13 p.

20. Solensten L. and Connor K.A. Heavy ion beam probe probe energy analyzer for measurements of plasma potential fluctuations // Rev. Sci. Instrum. 1987, 38. Р. 516.