Лазерная диагностика плазмы и исследование взаимодействия плазмы с поверхностью

Целью исследования является разработка и апробация новых методов лазерной диагностики плазмы используемых для управления плазменным разрядом и изучения физики происходящих в нем плазменных процессов. Комплексная лазерная спектроскопия плазмы, обеспечивающая бесконтактное (невозмущающее) измерение локальных параметров плазмы включает как разработку подходов и методов, так и разработку приборной части. В рамках проводимых исследований предполагается разработка оборудования и методик лазерной диагностики плазмы с использованием томсоновского рассеяния, для измерений электронной плотности и температуры, а также методик лазерно-индуцированной флуоресценции для измерения концентрации и температуры компонент плазмы, имеющих связанные электроны. Для диагностики атомов изотопов водорода предлагается применить метод основанный на изменении локальной светимости наиболее интенсивной в видимом диапазоне линии Hα (Hα – 656,3 нм, Dα – 656,1 нм, Tα – 656,0 нм при лазерном возбуждении с n = 3 уровня на один из вышележащих n ≥ 4). Пересчет измеряемой для возбужденного состояния плотности атомов/ионов в полную плотность атомов/ионов требует знания температуры и плотности электронов, предоставляемых диагностикой томсоновского рассеяния, а также разработки столкновительно - излучательных моделей, позволяющих пересчитывать населенности возбужденных уровней в населенность основного состояния. С помощью модели предполагается рассчитать сигналы на линиях атомов водорода в зависимости от параметров окружающей плазмы, а также динамику изменения сигналов при воздействии лазерного излучения. Исследование взаимодействия плазмы с поверхностью направлено на комплексное исследование процессов накопления изотопов водорода в материалах первой стенки токамаков и перспективных материалах будущих токамак-реакторов с целью создания лазерной диагностики мониторинга накопления термоядерного топлива в стенках, существующих и разрабатываемых токамаков. В рамках данной работы будут проводиться: исследование структуры, химического состава, морфологии поверхностных слоев макета первой стенки токамака, измерение содержания изотопов водорода в осажденных слоях и объеме макетов методом ТДС; исследование температурной зависимости динамики десорбции газа для различных материалов первой стенки, построение моделей накопления изотопов водорода, сравнительный анализ моделей, разработка методики дистанционного анализа содержания изотопов водорода в материалах первой стенки токамака; формулировка требований к диагностическому оборудованию; апробация методики дистанционного анализа содержания изотопов водорода в материалах первой стенки действующего токамака и перспективных конструкционных материалах. Объекты исследования будут получены путем экспозиции макета первой стенки в токамаке Глобус–М2, а также со-осаждения изотопов водорода D2/H2 с перспективными материалами первой стенки будущих токамак-реакторов Mo, W и аналогов Be. Численное моделирование взаимодействия плазмы с поверхностью направлено на анализ процессов, происходящих в диверторной области и диагностических каналах, таких как процесс эрозии компонентов, взаимодействующих с плазмой, транспорт и осаждение продуктов эрозии при низком давлении. Исследования необходимы для предсказания режима работы внутривакуумных оптических компонентов, а также оптимизации восстановления их оптических свойств в плазме газового разряда низкого давления. В процессе работы предполагается провести валидацию разрабатываемых подходов, моделирование процесса эрозии и транспорта материала в диверторном порту токамака, а также провести моделирование процесса очистки внутривакуумных оптических элементов высокочастотным газовым разрядом.