Лазерная диагностика накопления изотопов водорода во взаимодействующих с плазмой материалах токамака (заключительный)

Отработана методика дистанционного измерения изотопов водорода методом лазерно-индуцированной абляции (LIA) с наносекундной (ns) и пикосекундной (ps) длительностью импульса на макетах первой стенки токамака Глобус–М2 и модельных осаждениях перспективных конструкционных материалов. В рамках лабораторных испытаний лазерной диагностики содержания водорода в стенках термоядерных установок удалось добиться высокой воспроизводимости (в пределах 16% для ps-LIA-QMS и 11% для ns-LIA-QMS) результатов измерений интегрального количества дейтерия в режиме сканирования вольфрамовых плёнок лазерными импульсами длительностью 12 нс и 80 пс с длиной волны 1064 нм и плотностью энергии от 3 до 15 Дж/см2. Проведен анализ зарегистрированного дейтерия каждого прохода лазерного луча при плотности энергии 3 Дж/см2. Для нс-длительности лазерного импульса за первый проход выделяется ~ 98% дейтерия из плёнки толщиной ~1 мкм. Для пс–длительности наблюдается более плавный спад количества выделившегося дейтерия. Для 1-го прохода ~ 50%, 2-го – 20%, 3-го – 13%, 4-го – 6% от общего интегрального содержания дейтерия, что связано с меньшим удаляемым объёмом вещества при пс-импульсе. Выбор длительности импульса лазерного излучения может являться определяющим фактором при выборе лазера для профилирования водородсодержащих осаждений. Полученные результаты содержания дейтерия в плёнках вольфрама для пс и нс импульсов совпадают по порядку величины между собой и с данными ТДС, что говорит о возможности использования обоих длительностей лазерного импульса в зависимости от задач, в которой используется диагностика накопления водорода. Проведено измерение содержания изотопов водорода методом лазерной искровой спектроскопии (LIBS). Разработана оптическая система ввода лазерного излучения и сбора света для совмещения диагностик LIA-QMS и LIBS. Оптическая система регистрации света состоит из двух зеркал - плоского зеркала диаметром 100 мм с апертурой 20 мм в центре и сферического зеркала диаметром 150 мм с фокусным расстояние 228 мм. Зеркальный объектив был спроектирован так, чтобы получать максимальную эффективность сбора расстояния 1.5 – 3 м с области 10х10 мм в пятно диаметром 1.2 мм. Через апертуру 20 мм в плоском зеркале происходит ввод лазерного излучения для абляции исследуемой области. Далее излучение попадает на сферическое зеркало и фокусируется в пятно диаметром 1.2 мм на торец семижильного оптоволокна с диаметром каждого волокна 400 мкм. Использование семижильного оптоволокна необходимо для увеличения светосилы оптической системы и возможности разделения получаемого сигнала на разные каналы. Создано программное обеспечение, в котором реализован метод “Calibration free LIBS” на основе графика Больцмана и Саха-Больцмана. Электронная плотность плазмы в лазерной искре, измеренная на основе ширины линий Da, уширенной за счёт эффекта Штарка даёт значение n_e = 5,3E15 см-3, что удовлетворяет критерию McWhirter. Получены зависимости интенсивности обзорных спектров и спектров высокого разрешения для линий Ha и Da при давлении аргона от 1 до 1000 Па. Температура плазмы на основе линий Ar даёт температуру 0,88 эВ, Сu 1,13 эВ, W 0,94 эВ. Анализ линий Da и Ha в магнитном поле 0.2 Тл показывает увеличение полуширины линий, что объясняется увеличением плотности электронов при приложении магнитного поля: n_e_BF=6,8E15 см-3 > n_e_no_BF=4,9E15 см-3. Получены количественные данных о содержании изотопов водорода и элементном составе осаждений при комбинировании методов LIBS и LIA. Газовыделение дейтерия в методике LIA-QMS начинается при плотностях энергии 1 и 2 Дж\см2, и выходит на стационарное значение при плотности больше 5 Дж\см2. В реализованной оптической схеме плотности энергии 5 Дж\см2 при высоком вакууме 1E-4 недостаточно для проведения LIBS лазерной индуцированный искры. При плотности энергии 15 Дж/см2 формируется искра достаточной интенсивности для регистрации в условиях высокого вакуума. На основе анализа литературных данных выработаны предложения по использованию методики в термоядерных установках следующего поколения. Преимущественное накопление изотопов водорода наблюдётся в переосажденных слоях, которые закономерно формируются в диверторной области токамака. Для разрабатываемой диагностики накопления водорода требуется наличие оптических окон, обеспечивающих доступ лазерного излучения и сбор света из критически важных областей дивертора. Решение ИТЭР о переходе к полностью вольфрамовой первой стенке привело к необходимости использования возобновляемых борсодержащих покрытий, что в свою очередь актуализировало целый ряд исследований в данном направлении. Разрабатываемые в рамках данного проекта in-situ диагностики (LID-QMS, LIA-QMS, LIBS) накопления изотопов водорода требуют валидации для борсодержащих покрытий как в лабораторных условиях, так и на действующих токамак-реакторах. Проведена подготовка к апробации методики дистанционного измерения изотопов водорода в материалах первой стенки на токамаке Глобус-М2. На установке Глобус-М2 была смонтирована схема сбора излучения лазерной искры, что позволило оценить возможность комбинации методов LIA QMS и LIBS для исследования содержания изотопов водорода в первой стенке. На основании проведенных калибровочных процедур и измерений LIA-QMS количество изотопов водорода в поверхностных слоях облицовки дивертора Глобус М2: ~ 1E17 Н/см2 и 4E16 D/см2. Получены спектры LIBS для Бальмер-альфа (Hα и Dα) линии от двух изотопов водорода – протия (H) и дейтерия (D). Из соотношения интенсивности линий можно предположить, что отношение концентраций дейтерия и протия в искре составляет около 1:3, что близко к оценкам, полученным методами масс-спектрометрии ~ 1:2,5.