W Laboratorium realizowane są projekty mające na celu budowę i rozwój detektorów gazowych typu GEM (Gas Electron Multiplier) na potrzeby obrazowania miękkiego promieniowania rentgenowskiego struktur plazmowych i monitorowania promieniowania z domieszek plazmy (np. wolfram). Poszukiwanie oraz rozwój nowych technologii w dziedzinie diagnostyki plazmy wiąże się z rosnącymi wymaganiami dotyczącymi radiacyjnej stabilności wykorzystywanych materiałów w związku z rozwojem i wykorzystaniem obiektów termojądrowych, gdzie szczególnego znaczenia nabrały badania procesów zachodzących podczas oddziaływania promieniowania z materią. Problem ten dotyczy również elementów diagnostyk, których materiały są eksponowane na produkty reakcji termojądrowej. Obecnie wymagane jest opracowanie nowej technologii detekcji do obrazowania w obszarze rentgenowskim przeznaczonej dla takich tokamaków jak ITER.
Prace laboratoryjne przy detektorze typu GEM
Prace prowadzone w Laboratorium związane są z badaniem oddziaływania plazmy na powierzchnię ścianek komory, znajdujących się w kontakcie z plazmą, oraz procesu powstawania i zachowania się zanieczyszczeń plazmy. Aktualnie problemem jest nie tylko utrzymanie wysokotemperaturowej plazmy, ale również zapobieganie zanieczyszczeniom i ich kontrola. Od rozwiązania tych problemów zależy sukces w opanowaniu kontrolowanej syntezy termojądrowej.
W odniesieniu do eksperymentalnych reaktorów, tokamaków, współcześnie i w bliskiej przyszłości wybór materiału ścianek komory jest ograniczony do materiałów opartych na węglu, berylu i wolframie. Materiały te mają różnorodne struktury, co pozwala na ich optymalną selekcję, biorąc pod uwagę charakterystyki reaktora i warunki pracy konkretnego komponentu pierwszej ścianki. Szczególnym zainteresowaniem cieszy się tu wolfram, który przewidziany jest jako materiał dywertora w reaktorze ITER.
Podstawowe informacje o zanieczyszczeniach uzyskuje się, badając liniową emisję domieszek. Rozwiązanie większości problemów w zakresie zanieczyszczeń w decydującym stopniu zależy od znajomości dynamiki emisji domieszek w czasie i przestrzeni (w przekroju sznura plazmy). Prowadzi to do zrozumienia wpływu zanieczyszczeń na utrzymanie plazmy i scenariusze wyładowania. Wiedza ta powinna umożliwić lepszą ocenę stanu plazmy i optymalizację parametrów wyładowania dla przyszłych reaktorów fuzyjnych.
Stosowana w tym celu spektroskopia rentgenowska jest uznanym, skutecznym i potężnym narzędziem w diagnostyce plazmy. Pomiar takiego promieniowania (w obszarze 0.1-20 keV) jest standardowym sposobem uzyskiwania cennych informacji na temat transportu cząstek, konfiguracji magnetycznej i zjawisk MHD (ang. MagnetoHydroDynamics). Prowadzone w Laboratorium prace mają na celu rozwój opracowanej technologii obrazowania plazmowego w obszarze miękkiego promieniowania rentgenowskiego SXR (ang. Soft X-Ray), przeznaczonej do monitorowania promieniowania zanieczyszczeń z plazmy dla przyszłych urządzeń fuzyjnych oraz implementację detektorów GEM dla poloidalnej tomografii do badań transportu domieszek plazmy, np. w ramach projektu WEST (Tungsten (W) Environment in Steady-state Tokamak, Cadarache, Francja). Zadania polegają na przygotowaniu koncepcji i budowie detektorów gazowych, montaż detektorów, przeprowadzenie testów w Laboratorium i na istniejących urządzeniach (JET, ASDEX), przygotowanie i rozwój algorytmów rekonstrukcji pozycji i energii zarejestrowanych fotonów, symulacji zachodzących zjawisk w ośrodku gazowym detektora oraz analizę danych. Badania te są prowadzone we współpracy z ośrodkami naukowymi w Polsce oraz za granicą.
W Laboratorium prowadzone są również prace nad rozwojem urządzeń diagnostycznych (PHA, C/O Monitor, MFS system) przeznaczonych do badania zanieczyszczeń plazmy w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego i ultrafioletu (soft X-ray/XUV) dla stellaratora Wendelstein 7-X (Greifswald, Niemcy).
Jednym z systemów opracowanych dla stellaratora W7-X jest układ z zastosowaniem analizy amplitudowej impulsów z chłodzonych detektorów półprzewodnikowych pracujących w reżimie zliczania kwantów (z ang. pulse height analyser, PHA). Celem niniejszej diagnostyki jest pomiar zanieczyszczeń plazmy w zakresie miękkiego promieniowania rentgenowskiego (0,1 – 20 keV). Urządzenie rozpoczęło swoją pracę na stellaratorze W7-X w roku 2016 podczas pierwszej kampanii eksperymentalnej.
Urządzenie diagnostyczne PHA na W7-X
Kolejnym urządzeniem jest tzw. „C/O Monitor” przeznaczony do pomiaru zmian intensywności czterech lżejszych zanieczyszczeń plazmy (boru, węgla, azotu oraz tlenu). Spektrometr obecnie jest w trakcie produkcji, zaś planowane uruchomienie przewidziane jest na najbliższą kampanię eksperymentalną OP 2.0 (Operational Phase 2.0) w 2022 roku.
Prace laboratoryjne przy urządzeniu diagnostycznym "C/O Monitor" dla W7-X
W Laboratorium prowadzone są również badania zanieczyszczeń plazmy na stellaratorze LHD w NIFS (Toki, Japonia) (www.nifs.ac.jp/en). W ramach niniejszej działalności naukowcy z IFPiLM czynnie uczestniczą w kampaniach eksperymentalnych w celu zgłębienia wiedzy dotyczącej transportu zanieczyszczeń plazmy zarówno wodorowej, jak i deuterowej. W eksperymentach tych uwaga skupiona jest na badaniu zanieczyszczeń wewnętrznych, jak i wprowadzonych z zewnątrz za pomocą kapsułek TESPEL (Tracer Encapsulated Solid Pellet). Celem opisywanych tu działań jest kontrolowana iniekcja znanej ilości określonych zanieczyszczeń do plazmy, a następnie ich dokładne porównanie w zależności od warunków plazmy m.in. jej gęstości, temperatury, typu grzania (ECRH, NBI) czy odległości depozycji od osi plazmy. Prace prowadzone są w ramach projektu EUROfusion.
