可行性研究被动的高分辨率光学发射光谱学伊师塔的电场测量

直接、非侵入测量电场对于理解物理RF-sheath至关重要。尤其如此的ICRF antenna-plasma边缘融合设备交互。plasma-facing组件附近的射频场的整流天线的发展导致直流电场加速的离子等离子体对天线的plasma-facing组件,提高物理溅射和杂质的释放。伊师塔是一个设备,致力于调查托卡马克等离子体天线交互的边条件。

简化的几何形状,使一个简单的访问和快速修改,这使得它一个合适的环境来制定电场测量的诊断。本文观察到的斯塔克效应对他我和被动的高分辨率光谱谱线轮廓光学发射光谱学。与高分辨率的测线资料相比,斯塔克效应的分析模型在磁化氦等离子体,由于良好的配合,提供电场强度。

介绍

辅助等离子体加热离子回旋波的频率范围(ICRF)是一种重要的磁约束聚变装置加热选项。大优势是能够直接热等离子体中的离子核心在各种场景中与效率高。

然而,目前关于ICRF加热的关注是其贡献重杂质流入来自ICRF天线结构。这是实验中观察到的各种设备,雇佣ICRF天线取暖。^{(1 - 3)}

这种虚假现象的根本原因是没有完全理解。据推测,热点的形成,水土流失和增加天线的物理溅射plasma-facing组件被纠正潜在的增强,发生在射频鞘建立在这些领域。^(4、5)由于这种机制,也叫做RF-sheath整流,等离子体的离子加速了以更大的速度比玻姆鞘定义的标准,导致溅射收益率就越高。

为了解决这个问题,和抑制或完全消除这些不良影响,两个平行的努力正在进行中。一种方法是改变天线的设计本身。^[6]与此同时,一个活跃的研究领域的理解RF -鞘提出了一些理论模型的物理。数值描述正在进行的开发。然而,定量实验验证理论仍然失踪。

我们工作的主要目标是开发一种诊断方法,将提供直接的测量电场ICRF天线附近,在一个简化的几何中发现的托卡马克装置相比,但在代表环境plasma-edge条件。这里给出的结果是Stark-effect-sensitive氦的光谱测量线路上执行一个DC-biased电极浸在伊师塔的螺旋形等离子体源。

伊师塔

图1所示。伊师塔的示意图:1 -主燃烧室;2 -单带ICRF天线;3 -磁场线圈(大卷);4 -赫利孔山等离子体源;5 -磁场线圈(小线圈);6 -自动调谐;7 - ICRF发生器;8 -匹配系统;9 -射频发生器。

伊师塔是一个测试站,致力于射频鞘的研究中,位于大等离子体物理研究所来自德国。这个设备是为了模仿托卡马克边缘环境(尤其是在等离子体密度和温度)为研究ICRF天线——等离子体相互作用,但是在相当简化的几何数值模型所需的专注于这一领域的研究。

设计特点,选择和各种操作和等离子体参数的伊师塔已经阐述了引用。^{(7 - 9)}机器的图表和它的主要组件是图1所示。伊师塔由一个螺旋形等离子体源连接到一个更大的实验室配备一个ICRF天线,称为主室。等离子体源和主燃烧室周围磁场线圈是伤口在Helmholtz-like配置中,提供一个平行磁场沿z轴。

可实现的限制表1中列出了各种参数。

参数	可实现的价值
P (mbar)	106- 102
气体	基于“增大化现实”技术/他/ H
BBigCoils(T)	0.27(10)或0.4(脉冲)
BSmallCoils(T)	0.1(10)或0.1(线圈的限制)
PPF-Helicon(MW)	目前1 (0.003)
f诗的灵感源泉(MHz)	2.30
ICRF天线	8月1兆瓦(30 MHz),发电机
	1千瓦(5到15 MHz),伊师塔生成器

表1。可实现的伊师塔实验的基本操作参数的值

时均被动光学发射光谱学

被动光学光谱被选为第一种方法直接测量ICRF天线的电场在附近,没有令人不安的等离子体环境。这项技术使得研究原子的电子结构的扰动引起的外部电场,斯塔克效应。这些扰动检测的转变的中心波长谱线,和禁止的发生组件的精细结构谱线概要文件。

图2所示。三联体43他—D - 23 P线剖面模拟EZSSS代码没有外部电场(参考方案)显示离散和连续的结果,与主要组件为4471.49,第二个组件在447.6

我们有我们的研究集中于4日斯塔克效应³D - 2³在氦P转换。方法请求高动态范围高分辨率光谱仪探测器能够解决允许和禁止行下的转型研究。0.75摄谱仪(三叶草sr - 750 - b2)配备一个ICCD相机(iStar DH334T-18U-E3)安装和使用工作。

在测试工作他n = 4 - 2所示³P转变已经选定了e实地测量,因为记录光谱的信噪比是可以接受和线明显扩大强烈受电的影响。一旦时均记录光谱,谱线概要文件相比,模拟的和电场振幅提取的最小二乘方法。

由电场模拟光谱摄动,在存在背景磁场,显式塞曼鲜明的光谱模拟器(EZSSS)^[10]是使用。这段代码生成离散谱在电偶极子近似,通过求解薛定谔方程与外部电场和磁场扰动。在第二步中,通过与高斯和/或旋卷离散谱Lorenzian资料模拟扩大机制,获得了连续光谱。

图2描述了模拟三联体谱线轮廓对应4³D - 2³P他—过渡没有电场对系统外部强加的。离散谱,计算EZSSS行代码显示为一组镜像的强度范围。

连续光谱,提出积极的部分强度轴是复杂的高斯分布的多普勒展宽的散热器的温度0.7 eV。这些光谱的不同特征的出现第二个谱线红移的主要组成部分,对应于他三联体的精细结构过渡。

这条线的强度约10%相比,主线。因此,必须记录实验数据具有高信噪比,以区分噪声,使用该组件的iStar ICCD相机提供了所需的信噪比和允许我们直接基于被动电发射光谱测量。此外,与优越的光谱分辨率光谱必须记录能够解决这两个组件实现了0.75三叶草光栅摄谱仪配备3600 g /毫米,10μm入口狭缝。

实验装置

开发一个可靠的方法来衡量ICRF天线的电场在附近,第一步是观察斯塔克效应由于直流磁场,在相同的等离子体,可以发现前面的天线。一旦确认这个概念,它仍将被用于测量的校准进行鞘前面的天线。

光学发射光谱被记录三叶草750高分辨率光谱仪(焦距750毫米),配备了一个强化CCD探测器iStar 334,和或技术。分光计是基于Czerny-Turner光学设计和配备了3 600年光栅,2400和3600线/毫米。光耦合到一个10米长,宽带光纤通过非球面的6毫米准直透镜共焦长度为8.7 nm和一个可调焦点。

操作和采集参数

检测预期Stark-effect-induced变化对谱线轮廓,我们使用高分辨率光栅每毫米3600行,提供了光谱分辨率0.02海里。组专用的放电参数表2中列出的实验。

参数	价值
P	7.8 x 104mbar
气体	他
气体流速	60 sccm
BBigCoils	0 T
BSmallCoils	0。0我T
PPF-Helicon	700 W
f诗的灵感源泉	11.76兆赫
放电持续时间	12个年代

表2。标准试验条件下用于检测电从他我线发射。

两个实验场景执行获得这里给出的结果。引用数据记录没有电极的电压,而第二个设置的实验获得了积极的直流电压的电极有偏见的联合环境= 1 kV,由电源提供的最大电压。

相对应的线配置文件获得4³D - 2³P转变他—记录在整个放电持续时间,0.5秒的曝光时间,在一系列动态的24扫描/放电。前面的增强器分光系统的CCD传感器提供了一个相对获得8项每光电子扫描,导致了可接受的信噪比。比较和时间平均记录数据,选择稳定的等离子体相对应的扫描,5 s的时间间隔,从而计算10扫描/放电。良好的再现性的线被证实,累积谱平均在4排放/场景(和在没有外加电压的电极)。这样的实验记录行这里给出概要文件(图3)是40的结果平均光谱。

结果与讨论

处理过的数据显示了一个可再生的转变的他—4所示³D - 2³P线(图3)外部电场存在时热前鞘DC-biased电极。

图3所示。实验43 D - 23 P他我线路纵断面EDC = 0伏特/厘米和EDC = 2.7 kV / cm(分别为黑色和红色钻石)配备模拟理论光谱计算EZSSS代码(实线)。

粗略估计的电场将在热护套电极前我们可以假设它源于电位电极和等离子体之间的差异,在鞘厚度对应的距离。与潜在的应用于电极相比,U_埃尔= 1 kV,等离子体势是U_pl= 0千伏。护套厚度对应的伊师塔的氦等离子体密度= 10¹⁶米³,电子温度(T)_e= 5 eVλ的德拜长度成正比_D= 5 x 10⁴m。

因此电场电极附近的偏U_埃尔= 1 kV,可以估计应用的电压降在鞘厚度。完成这项研究,他—4所示³D 2³P过渡模拟EZSSS代码几个值的直流电场,和测量之间的最佳匹配和模拟线对应于一个模拟谱线暴露在外部电场E = 2.7 kV /厘米,用实线如图3所示。

估计电场同意被动发射光谱学的理论预测和显示可能与高分辨率用于电测量。这里给出的结果是一个成功的概念验证实验。这项工作进行了框架内的EUROfusion财团已经收到了原子能共同体研究资助和培训项目2014 - 2018赠款协议没有633053。文中表达的观点和意见不一定反映欧洲委员会。

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