СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕРМОЯДЕРНОЙ ПЛАЗМЫ Российский патент 2013 года по МПК G01N23/02 G01K13/00 

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе, для исследований физики космической плазмы, для исследований рентгеновского излучения от различных источников, при разработке диагностических приборов для управляемого термоядерного синтеза.

Известен способ измерения функции электронной температуры плазмы методом фильтров, описанный в работе Jahoda, F.C., Little, Е.М., Quinn, W.E., Sawyer, G.A., Stratton, T.F. Phys. Rev., v.119, p.843, 1960.

Недостатком известного способа является то, что в нем используются по крайней мере два измерительных канала, имеющих два детектора и два усилительных устройства. В настоящее время для усиления сигнала обычно применяются полупроводниковые усилители. Применение таких усилителей вблизи термоядерного устройства, которое является источником мощного нейтронного и гамма излучения, исключено из-за того, что такое излучение выводит полупроводниковые элементы из строя за очень короткое время. Еще одним недостатком известного способа является то, что измерительная аппаратура обоих каналов должна иметь строго одинаковые характеристики.

Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ, использованный для измерения электронной температуры плазмы, описан в работе V. Weinzettl, V. Piffl, J. Badalec, Electron Temperature Measurement on the CASTOR Tokamak by the Absorber-foil Method, serwer.ipp.cas.cz/~vwei/work/foil.pdf. В описанном методе для детектирования сигналов применялись или два поверхностно-барьерных диода или два каналтрона, входы в которые закрывались AL или Be фильтрами разной толщины. Возможность использования каналтронов на термоядерных установках весьма проблематична.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемом способе для регистрации рентгеновского излучения из плазмы применяются два измерительных канала конструктивно размещенных в одном детекторе, состоящем из двух одинаковых Низковольтных Ионизационных Камер (НИК) (Ю.В. Готт, М.М. Степаненко, Низковольтная ионизационная камера для установки ИТЭР, Приборы и техника эксперимента, №2, стр.117, 2009), на входе одной из которых устанавливается Al фильтр толщиной 10 или 20 мкм, отличия, в частности, состоят в том, что аноды обеих камер соединены между собой, что позволяет использовать один усилитель сигнала. Величина сигнала такого детектора достаточна для его транспортировки за биологическую защиту термоядерной установки. Кроме того, малое рабочее напряжение НИК позволяет использовать описанную в упомянутой выше работе систему компенсации наводок.

Техническим результатом предложенного изобретения является упрощение конструкции и повышение надежности измерения электронной температуры плазмы в термоядерном реакторе за счет использования для регистрации рентгеновского излучения термоядерной установки двух Низковольтных Ионизационных Камер, на входе одной из которых помещается Al фильтр толщиной 10 или 20 мкм и аноды которых соединены между собой.

Указанный технический результат обеспечен предложенной совокупностью существенных признаков.

Способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы,

при этом

в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 В, а на другую - переменное напряжение - меандр, амплитудой ±15 В и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы,

причем

диапазон измерения электронной температуры термоядерной плазмы регулируют подбором толщины и материала фильтра, при этом для измерения температуры в диапазоне 0.5-5 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 10-12 мкм., а для измерения температуры в диапазоне 5-20 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 17-20 мкм.

Для достижения технического результата в способе измерения электронной температуры термоядерной плазмы изготавливается детектор, принципиальная схема которого изображена на Фиг.1. На входе НИК-2 размещается Al фильтр толщиной 10 или 20 мкм. Толщина фильтра зависит от измеряемой температуры и, вообще говоря, подбирается опытным путем.

Внешний вид детектора представлен на Фиг.2.

/Женское кольцо помещено на рисунке в качестве «масштабирующего» элемента./

Каждая из НИК имеет несколько плоских электродов, установленных на расстоянии 3 мм друг от друга. Диаметр детектора - 60 мм и его длина - 65 мм. Аноды обеих НИК соединены между собой.

Вольт-амперная характеристика каждой из НИК приведена на Фиг.3. Как видно из этого рисунка, вольт-амперная характеристика симметрична относительно знака приложенного потенциала, что является принципиальным для описываемого метода. Режим «плато» достигается при потенциале, превышающем 10-15 В.

Предлагаемый метод фильтров основан на том факте, что отношение сигналов с двух детекторов просматривающих плазму вдоль одной и той же хорды в том случае, когда вход в один из детекторов закрыт фильтром, зависит, в основном, от максимальной температуры плазмы на данной хорде. Величина этой температуры может быть определена из сравнения экспериментальных и теоретических данных. Обычно такой метод применяется для определения электронных температур превышающих несколько сот электронвольт.

В данном методе на одну из НИК подается потенциал +15 В, а на другую-меандр ±15 В с импульсами длительностью 10-20 мс.

Если на обеих НИК потенциал одного знака, то анодный ток равен сумме токов с обеих НИК (НИК-1 (I₁=I) и НИК-2 (I₂=ηI)

где η - коэффициент пропускания фильтра.

Коэффициент пропускания фильтра определяется из соотношений (1) и (2)

Для калибровки прибора было использовано излучение рентгеновской трубки с вольфрамовым анодом. Рабочий потенциал на трубке изменялся от 5 до 50 кВ.

Функция распределения по энергиям в потоке фотонов из трубки, падающих на вход детектора, имеет вид

где U₀ - потенциал на трубке, η_Ве=exp(µ_Bed_Be) - поглощение излучения в бериллиевом окне трубки, µ_Ве линейный коэффициент поглощения в Be, d_Be - толщина окна. Если толщина Al фильтра составляет d_Al и расстояние между детектором и трубкой составляет d_Air, то сигнал с НИК-1 будет пропорционален величине

А сигнал с НИК-2

где f_eff - эффективность регистрации рентгеновских квантов, µ_Air è µ_Al - линейные коэффициенты поглощения в воздухе и Al.

Величины пропускания для d_Al=20 µm и d_Al=40 µm представлены на Фиг.4. На этом рисунке точки - экспериментальные значения, а кривые рассчитаны для

Функция распределения по энергия рентгеновского излучения плазмы, попадающего на вход детектора имеет вид

Обычно, рентгеновское излучение плазмы попадает на детектор через Be окно толщиной d и расстояние между окном и детектором составляет d_A. В этом случае, сигнал с НИК-2 после Al будет пропорционален величине

Используя приведенные соотношения можно определить зависимость температуры плазмы от линейного коэффициента поглощения. Это соотношение изображено на Фиг.5. Из этого рисунка видно, что если температура плазмы составляет 1.5 кэВ, то через Al фильтр толщиной 10 мкм проходит 36% излучения, а через 20 мкм - 19%. Расстояние от выхода из установки до детектора 10 см.

Так как, энергетический спектр фотонов из трубки и плазмы различаются, то при измерениях на плазменной установке нужно измерить значение f_eff in situ. Для этого нужно провести измерения в одном и том же режиме работы установки с фильтрами различной толщины и определить эту величину.

Изобретение относится к физике высокотемпературной плазмы и может найти применение в управляемом термоядерном синтезе. Сущность изобретения заключается в том, что способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы, причем в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 B, а на другую - переменное напряжение - меандр амплитудой ±15 B и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы. Технический результат - упрощение конструкции и повышение надежности измерения. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ измерения электронной температуры термоядерной плазмы, включающий операции, заключающиеся в том, что поток рентгеновских квантов из установки пропускают через средства детектирования, включающие фильтрующие элементы, отличающийся тем, что в качестве средств детектирования используют две низковольтные ионизационные камеры (НИК), на входе одной из которых помещают алюминиевый фильтрующий элемент, который выполняют толщиной 10-20 мкм, сигналы с НИК подают на один общий анод, при этом на катоды одной из НИК подают постоянное смещение величиной +15 В, а на другую - переменное напряжение - меандр, амплитудой ±15 В и полученные сигналы используют для определения показателей прозрачности фильтра для излучения данного спектрального состава для соотнесения с определяемой температурой термоядерной плазмы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что диапазон измерения электронной температуры термоядерной плазмы регулируют подбором толщины и материала фильтра, при этом для измерения температуры в диапазоне 0.5-5 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 10-12 мкм, а для измерения температуры в диапазоне 5-20 кэВ используют алюминиевый фильтр толщиной 17-20 мкм.