Details

Данная работа посвящена исследованию спектров излучения плазмы токамака ФТ-2 в омическом режиме и при вводе волн нижнегибридного диапазона в плазму. Задачи, которые решались в ходе исследования: 1.Измерения спектров мягкого рентгеновского излучения плазмы токамака ФТ-2 при помощи кремниевого дрейфового детектора с высокой скоростью счета квантов в различных режимах работы токамака. 2.Проведение спектральной калибровки детектора в области низких энергий квантов. 3.Моделирование спектров излучения максвелловской плазмы при заданной температуре и плотности электронов и сравнение с экспериментальными спектрами для анализа примесного состава плазмы. 4.Расчет числа фотонов, приходящих на детектор, с учетом геометрии измерения от плазмы с заданными параметрами и советующими расчетными спектрами.  5.Сравнение спектров тормозного излучения немаксвелловской плазмы с функцией распределения электронов, рассчитанной методом решения уравнения Фоккера-Планка, с экспериментальными спектрами в режиме генерации электронного тока нижнегибридными волнами. Работа проведена на базе ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН, где получена значительная часть фактического материала: измерение спектров излучения плазмы токамака ФТ-2 при помощи кремниевого дрейфового детектора типа  FASTSDD фирмы AMPTEK, а также результаты его энергетической калибровки в области энергий фотонов ниже общепринятой для калибровки энергии 5.9 кэВ по линиям рентгенолюминесценции легких химических элементов. Были проведены расчеты спектров излучения максвеловской плазмы с учетом различных примесей с помощью кодов AtomDB и Chianti. Созданы расчетные программы на языках MATLAB и Python, позволяющие производить обработку и анализ экспериментальных спектров. Произведено сравнение измеренных спектров с результатами моделирования тормозного излучения немаксвелловской плазмы с функцией распределения, рассчитанной кодом 2DFPR. Результаты работы применимы для исследования высокотемпературной плазмы установок с магнитным удержанием при вводе в ВЧ мощности в плазму. В результате проведен комплексный анализ спектров мягкого рентгеновского изучения плазмы, показавший соответствие измеряемых спектров теоретическим представлениям. Показано хорошее совпадение температуры электронов, определенной по полученным спектрам, с температурой по томсоновскому рассеянию. Сделана оценка основных примесей плазмы и её эффективного заряда. Определено замедление нижнегибридных волн, поглощаемых плазмой в центральной области плазменного шнура. Также, разработана методика энергетической калибровки детектора по люминесценции образцов, содержащих легкие элементы, а также по люминесценции газов. Для достижения данных результатов в работе были использованы коды для расчета спектров излучения Chianti и AtomDB и код для решения двумерного уравнения Фоккера-Планка 2DFPR. Также, набрана обширная база данных спектров излучения плазмы токамака ФТ-2. Были разработаны программы для обработки и анализа спектров изучения плазмы, а также компьютерного моделирования абсолютных спектров излучения, приходящего на детектор.

The given work is devoted to studying the emission spectra of the FT-2 tokamak plasma in ohmic mode and during lower hybrid range waves injection into the plasma. The research set the following goals: 1.Measurements of the emission spectra of the FT-2 tokamak plasma using a semiconductor detector with a high photon counting rate in various tokamak operating modes. 2.Carrying out a spectral calibration of the detector in the region of low photon’s energies. 3.Modeling of the emission spectra of Maxwellian plasma at a given temperature and electron density and comparison with experimental spectra for analysis of the impurity composition of plasma. 4.Comparison of the emission spectra of non-Maxwellian plasma with the experimental spectra. The non-Maxwellian electron distribution function calculated by solving the Fokker-Planck equation with the experimental spectra. The work was fulfilled on the premises of Ioffe Institute of Russian Academy of Sciences, which included collection of factual materials, i.e. measurements of the emission spectra of the FT-2 tokamak plasma using a FASTSDD silicon drift detector from AMPTEK, as well as the results of its energy calibration in the region of low photon energies using X-ray luminescence lines of light chemical elements. Calculations of the Maxwellian plasma emission spectra were performed considering various impurities using the AtomDB and Chianti codes. Many scripts were created in the MATLAB and Python languages, allowing for the processing and analysis of the experimental spectra. The measured spectra were compared with the results of  modeling the bremsstrahlung of non-Maxwellian plasma with a distribution function calculated by the 2DFPR code. As a result, a comprehensive analysis of the soft X-ray plasma spectra was performed, which showed that the measured spectra corresponded to theoretical concepts. A good match was shown between the electron temperature determined from the obtained spectra and the temperature from Thomson scattering. An estimation of the main plasma impurities and plasma effective charge was made. The refraction index of the lower hybrid waves absorbed by the plasma in the central region of the plasma column was determined. Also, a technique for energy calibration of the detector by the luminescence of samples containing light elements, as well as by the luminescence of gases, was developed. The results of the work are applicable for monitoring the state of high-temperature magnetically confined plasma during high frequency waves injection into the plasma. To achieve these results, the codes for calculating the radiation spectra Chianti and AtomDB and the code for solving the two-dimensional Fokker-Planck equation 2DFRC were used in the work. Also, an extensive database of the radiation spectra of the FT-2 tokamak plasma was collected. Programs were developed for processing and analyzing plasma spectra, as well as computer modeling of absolute radiation spectra reaching the detector.