Как измерить плазму

На сегодняшний день в мире реализуется достаточно много проектов, посвященных управляемому термоядерному синтезу (УТС): от масштабных, класса мегасайенс, в которых принимают участие все промышленно развитые страны мира, до более маленьких, развернутых на территории одного института. Компетенции Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) позволяют специалистам развивать как собственные проекты по физике плазмы и УТС, так и выступать экспертами в большинстве других. Один из российских экспериментов, в котором ИЯФ СО РАН принимает участие – сферический токамак Глобус-М2 Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. А.Ф. Иоффе, г. Санкт-Петербург). Для петербургских коллег новосибирские физики разработали, создали и установили дисперсионный интерферометр – редкий тип диагностической системы для измерения плотности плазмы путем зондирования на двух длинах волн. Благодаря уникальным характеристикам устройства физики получают точные данные о концентрации электронов в плазме каждые 20 микросекунд. Последние результаты работы приняты к публикации в журнал Fusion Engineering and Design. Исследования проводятся при поддержке гранта РНФ.

Большинство исследований в области УТС проводятся на экспериментальных установках, в основе которых лежат различные системы магнитного удержания – магнитные ловушки либо замкнутого типа (токамаки и стеллараторы), либо открытого типа (пробкотроны). ИЯФ СО РАН является мировым лидером в разработке и исследованиях открытых магнитных ловушек. В инфраструктуру института входят четыре экспериментальные установки данного типа. Но компетенции специалистов ИЯФ СО РАН позволяют им работать и с проектами по изучению УТС, в основе которых замкнутые магнитные системы – токамаки. Институт принимает участие в одном из наиболее известных мегасайенс проектов в области УТС – Международном экспериментальном термоядерном реакторе (ИТЭР, Франция), а также в ряде российских исследований, например, сферическом токамаке Глобус-М2 в ФТИ им. А.Ф. Иоффе (Россия, г. Санкт-Петербург).

«Программа уникальной научной установки Глобус-М2, расположенной в ФТИ им. А.Ф. Иоффе, посвящена изучению высокотемпературной плазмы для создания термоядерного источника нейтронов для гибридной ядерной энергетики, – рассказывает младший научный сотрудник ФТИ им. А.Ф. Иоффе Владимир Солоха. – На нашем сферическом токамаке мы успешно решаем ряд задач УТС, таких как: разработка методов нагрева плазмы до субтермоядерных температур и эффективных схем непрерывного поддержания тока в прототипе генератора нейтронов, исследование материалов первой стенки компактного токамака и их взаимодействия с плазмой. Благодаря высокой компетенции сотрудников ФТИ им. А.Ф. Иоффе, выполняющих ряд задач в рамках проекта ИТЭР, в институте разрабатываются три диагностических комплекса: диагностика нейтральных атомов, гамма-спектроскопия и диагностика томсоновского рассеяния в диверторе. Каждая из описанных диагностических систем проходит отладку на Глобус-М2, так как некоторые параметры плазмы, ожидаемые в ИТЭР и наблюдаемые в Глобус-М2, совпадают или имеют один порядок величины».

Независимо от масштабов экспериментов в области УТС, цель у них одна – добиться нужных для термоядерного синтеза температуры, плотности и времени удержания плазмы.

«Плотность и температура плазмы – два важных параметра, от которых во многом зависит успех экспериментов по УТС. Диагностические системы для их измерения, соответственно, также очень важны. Надежным инструментом измерения электронной плотности плазмы является интерферометрия. В основе метода интерферометрии лежит принцип суперпозиции, то есть слияния, двух электромагнитных волн, вышедших из одного источника, – рассказывает научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат технических наук Светлана Иваненко. – В классических схемах интерферометров (например, Майкельсона) одна из волн перед слиянием проходит через исследуемый объект (плазму), а другая – огибает его. В результате в выходном сигнале появляется набег фазы, связанный с плазмой, который прямо пропорционален ее плотности. Но у классической схемы интерферометра есть недостатки – ее оптические элементы очень чувствительны к вибрациям, которые во время работы установки неизбежны. Например, когда работает наша Газодинамическая ловушка (ГДЛ), все вокруг дрожит и вибрирует, даже пол трясется. Если в этот момент одно зеркало немного сдвинется, то луч уже будет идти не совсем так, как задумано. Длина пути у обоих лучей не должна меняться – только в этом случае мы будем знать, что возникающий набег фазы связан только с плазмой. Если же длина поменяется, то это тоже приведет к набегу фазы, но он никак не будет связан с плазмой, а будет определяться вибрациями, мы же никак не сможем отличить один от другого».

Чтобы избежать сдвигов оптических элементов от вибраций, в классических схемах интерферометров используют громоздкие станины с различными фиксирующими устройствами. Схема дисперсионного интерферометра, разработанного в ИЯФ СО РАН, отличается от классической, в том числе минимальной чувствительностью к любого рода колебаниям. Дисперсионный интерферометр на основе СО2-лазера с длиной волны излучения ~10 микрон, которая по ряду причин оказывается оптимальной для зондирования плазмы в современных установках для термоядерных исследований, был впервые разработан в ИЯФ СО РАН. Позитивный опыт, полученный на установке ГДЛ, а затем на токамаке TEXTOR (Tokamak Experiment for Technology Oriented Research, Германия, Юлих), мотивировал ряд передовых лабораторий мира пойти по проложенному нами пути. Среди них: японский токамак JT-60AS, германский стелларатор Wendelstein 7-X и другие. Таким образом, ИЯФ СО РАН является не только создателем диагностики для Глобус-М2, но и законодателем моды по этому направлению в мире.

«Те или иные виды интерферометров используются практически на всех установках для экспериментов в области УТС, но дисперсионный интерферометр является большой редкостью, –поясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Соломахин. – Дисперсионный интерферометр – это прибор для измерения оптического размера среды, обладающей дисперсией, что означает зависимость оптических свойств среды от длины волны излучения. Наш дисперсионный интерферометр предназначен для измерения плотности плазмы, а точнее произведения плотности на размер плазмы. Основное отличие нашего устройства в том, что он зондирует плазму на двух длинах волн, причем вторая волна получается из первой с помощью метода удвоения частоты в нелинейном кристалле. Главное преимущество такого типа интерферометра – это слабая чувствительность к вибрациям оптических элементов, которые неизбежны при работе больших установок. Так получается потому, что дисперсия плазмы намного больше дисперсии воздуха, в котором установлены элементы интерферометра. Стоит отметить, что оптическая схема интерферометра – это синтез наиболее удачных решений, примененных в наших прошлых разработках».

В составе штатных диагностик дисперсионный интерферометр ИЯФ СО РАН работает на исследовательском комплексе Глобус-М2 с сентября 2022 г. Следующим этапом сотрудничества станет проверка дополнительного функционала, которым специалисты ИЯФ СО РАН снабдили свой дисперсионный интерферометр.

«Наша диагностическая система измеряет плотность плазмы в режиме реального времени с высокой точностью (с разрешением ≤ 6·1016 м–2). Но мы хотим, чтобы она могла еще и поддерживать плотность на заданном уровне, – объясняет Светлана Иваненко. – Оператор будет задавать некоторую желаемую функцию поведения плотности плазмы во времени. Реальная плотность, измеренная при помощи интерферометра, будет сравниваться со значениями этой функции в каждый конкретный момент времени. По результатам такого сравнения будет вычисляться сигнал ошибки, который в свою очередь будет использоваться для формирования сигнала управления клапаном напуска газа для подстройки плотности под заданный уровень. Такую схему возможно реализовать только в том случае, если аппаратура регистрации и обработки данных интерферометра позволяет производить вычисления плотности плазмы с очень высокой скоростью, по сути в режиме реального времени. Для дисперсионного интерферометра такая аппаратура создавалась специально, и на сегодняшний день является еще одной его отличительной чертой».

По словам специалиста, в основе реализованного алгоритма вычисления плотности плазмы лежит преобразование Фурье, что позволяет измерять сигнал с хорошей точностью, даже если присутствуют сильные шумы. «До этого мы работали с другим алгоритмом, который при высоком уровне шума входного сигнала мог давать сбои, приводить к некорректным результатам или вовсе быть неработоспособным. Также мы добавили возможность учета изменения в процессе эксперимента одной из компонент регистрируемого сигнала (глубины модуляции), чего до нас никто не делал. Это еще больше повысило точность вычисляемого значения плотности плазмы», – добавляет Светлана Иваненко.

Предварительные эксперименты с системой обратной связи проходили на измерительном стенде в ИЯФ СО РАН. Теперь задача специалистов проверить работу дисперсионного интерферометра с возможностью управления плотностью плазмы в реальном эксперименте на токамаке Глобус-М2.

«Приобретённый ФТИ им. А.Ф. Иоффе дисперсионный интерферометр позволяет нам в режиме реального времени получать надёжные данные об абсолютной величине концентрации электронов плазмы во всех режимах работы установки. Использование дисперсионного интерферометра вместе с диагностикой томсоновского рассеяния снижает систематическую ошибку измерения концентрации электронов до значений менее 3%, – добавляет Владимир Солоха. – Объединение дисперсионного интерферометра с управляющим устройством и газовым клапаном позволит реализовать систему контроля плотности электронов плазмы. Достижение постоянной плотности в ходе плазменного разряда необходимо для улучшения контроля за плазменными параметрами который уменьшит среднее количество плазменных разрядов, необходимых для достижения требуемых параметров. Тем самым мы повысим эффективность работы токамака».

Пресс-служба Института ядерной физики