Измерение электронной температуры и плотности плазмы методом томсоновского рассеяния. Предоставлено: Национальный институт термоядерной науки.

Производство термоядерной энергии использует энергию, вырабатываемую термоядерными реакциями в высокотемпературной плазме. Для этого необходимо точно измерять быстро меняющуюся высокотемпературную плазму, чтобы понять и контролировать физические явления.

Исследовательская группа из Национального института термоядерного синтеза в Японии и Университета Висконсина в США разработала высокопроизводительное лазерное устройство и преуспела в усовершенствовании метода измерения температуры и плотности электронов в плазме с рекордной для мира скоростью 20 000 раз в секунду для почти 70 пространственных точек, что более чем в 600 раз быстрее, чем обычные методы. В результате появляется возможность детального изучения быстрых изменений в плазме, что до сих пор было затруднительно. Передовые технологии измерения имеют решающее значение для исследований в области термоядерного синтеза.

В Большом спиральном устройстве (LHD) проводятся исследования по удержанию высокотемпературной плазмы, необходимой для выработки термоядерной энергии в магнитном поле. Плазма — это состояние, в котором электроны и ионы рассеяны и движутся, и чем выше температура, тем быстрее они движутся. Для измерения температуры этих электронов используется метод, называемый «измерение рассеяния Томсона».

Принцип работы разработанной высокочастотной лазерной системы. Когда в среде возникает перепад температур, свет не распространяется по прямому пути, вызывая повреждение среды (верхний рисунок). В этом лазерном устройстве операция подачи возбуждающего света и выделения лазерных импульсов (нижний рисунок) повторяется несколько раз, прежде чем в среде возникнет перепад температур. Предоставлено: Национальный институт термоядерной науки.

В этом методе мощный лазерный луч вводится в плазму и измеряется «рассеянный свет», генерируемый при его попадании на электроны. Рассеянный свет меняет цвет на цвет, отличный от падающего лазерного света, из-за эффекта Доплера. Поскольку это изменение цвета соответствует скорости электронов, мы можем определить их температуру по цвету рассеянного света и плотность электронов по его яркости.

Электронная температура и плотность плазмы варьируются от места к месту и очень быстро меняются со временем. Для точного определения состояния плазмы система измерения томсоновского рассеяния должна иметь пространственное разрешение для максимально точного измерения пространственного распределения температуры и плотности электронов и временное разрешение для максимально быстрого измерения изменений во времени.

Рассеивающая система LHD Thomson одновременно измеряет температуру и плотность электронов в 144 точках плазмы. Это самое высокое в мире пространственное разрешение. Изменение во времени измеряется повторным введением импульсов лазерного света в плазму, но ранее временное разрешение LHD-системы рассеяния Томсона составляло всего 30 раз в секунду. Для глубокого понимания увиденных нами физических явлений и совершения новых открытий необходимо было улучшить временное разрешение.

В частности, более высокая скорость измерения позволяет проводить подробные измерения переходных процессов, происходящих в плазме, что обеспечивает мощный метод понимания таких явлений и контроля над ними.

Адъюнкт-профессор Рио Ясухара, доцент Хисамичи Фунаба и доцент Хиёри Уэхара из Национального института термоядерных исследований вместе с профессором Дэниелом Дж. ден Хартогом из Университета Висконсина разработали систему измерения рассеяния Томсона, способную измерять до 20 кГц (20 000 раз в секунду).

Плазменный электронный термометр в 600 раз быстрее обычных систем. Предоставлено: Национальный институт термоядерной науки.

Сердцем новой измерительной системы является лазерное устройство, которое может многократно генерировать интенсивный свет на высокой скорости. В этой лазерной системе лазерная среда (в случае данного исследования твердая среда) получает оптическую энергию (возбуждающий свет) для генерации мощного лазерного луча. Однако, поскольку эффективность генерации лазерного луча не равна 100%, энергия, которая не преобразуется в лазерный свет, становится теплом.

Поэтому выделение тепла в твердой среде становится проблемой при высоких частотах следования лазеров. Когда в среде создается перепад температур за счет тепловыделения, возникает термооптический эффект, при котором свет не может распространяться прямо вперед, так как показатель преломления света в разных местах разный. Термооптический эффект может вызвать снижение выходной мощности лазерного излучения и повреждение твердой среды.

Исследовательская группа избежала проблемы термооптических эффектов, подавая энергию на среду и извлекая лазерный импульс из среды несколько раз за чрезвычайно короткий период времени 5 мс, прежде чем в среде возникнет перепад температур. В результате им удалось разработать лазер, способный к высокоскоростной частоте повторения 20 кГц.

Этот высокопроизводительный лазер, недавно разработанная высокоскоростная система сбора данных и разработанные передовые методы анализа позволили им создать систему измерения рассеяния Томсона, способную производить расчеты с рекордной для мира скоростью 20 кГц, что более чем в 600 раз быстрее, чем обычные системы.

Адъюнкт-профессор Ясухара говорит, что «подобно тому, как Галилей совершил важные астрономические открытия с помощью высокопроизводительного телескопа, я хотел бы продолжить исследования термоядерного синтеза, введя профили температуры и плотности быстрых электронов. Мы ожидаем, что это приведет к более точным понимание физических явлений, которые было трудно наблюдать в прошлом, таких как включение топлива в плазму и переходные явления, вызванные турбулентностью».

Статья, обобщающая некоторые результаты этого исследования, была опубликована в Scientific Reports.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org