TERMONUKLEÁRIS PLAZMAFIZIKAI KUTATÁSOK A KFKI-BAN ( ) Hungarian 'Academy of Sciences CENTRAL RESEARCH INSTITUTE FOR PHYSICS BUDAPEST

KFKI-1988-02/D

BAKOS J ,

TERMONUKLEÁRIS PLAZMAFIZIKAI KUTATÁSOK A KFKI-BAN (1986-1987)

Hungarian 'Academy of Sciences CENTRAL RESEARCH INSTITUTE FOR PHYSICS BUDAPEST

KFKI-1988-02/D PREPRINT

TERMONUKLEÁRIS PLAZMAFIZIKAI KUTATÁSOK A KFKI-BAN (1986-1987) BAKOS J. Központi Fizikai Kutató Intézet 1525 Budapest 114, Pf. 49

HU ISSN 0368 5330

Bakos J.: Termonukleáris plazniaf i z i kai ,VJ tatások а KFKI-ban /1986-1987/. KFKI-1988-02/D KIVONAT Az 1986-1987 években a Kozpon i F i z i k a i K u ' a t é I n t é z e t b e n a t e r m o n u k l e á r i s , ma­ gas h ő m é r s é k l e t ű p l a z m a f i z i k a i k ú t a l a p o k t e r ü l e t é r , e l é r t eredményeket i s m e r t e t j ü k . Л plazma h a t á r r é t e g é n e k k u t a t á s , t e r ü l e t é n : - Megmértük a plazma sürüségéne-; e l o s z l á s á t l é z e r "blow-off" t e c h n i k á v a l ; - V i z s g á i t i k a r é s z e c s k e t r a n s z p o r t toroi.dal.ls a s z i m m e t r i á j á t . A plazma-fal kölcsönhatási vizsgálatok területén: - Hidrogén d e t e k t á l á s i r.ódszert d o l g o z t u n k k i s z i l á r d t e s t b e n l é v ő h i d r o g é n d e ­ tektálására; - V i z s g ' l t u k a f a l e r ó z i ó j á t T / C T Í i to t • íle a t o m o k k a l ; - Atom s z e g r e g á c i ó s v i z s g a l a t o k a t végeztünk m a g f i z i k a i m ó d s z e r e k k e l ; - Л p o r l ó d á s számológép s z i m u l á c i ó s v i z s g á l a t a i t . vége;.tük e l . A plazma i n s t a b i l i t á s v i z s g á l a t o k t e r ü l e t é n : - MHD I n s t a b i l i t á s és rrágneses s z i g e t képződés r.echanizmusát v i z s g á l t u k a k ü l s ő diszrupciós sűrűség határ közelében. T á v o l i i n f r a v ö r ö s és i n f r a v ö r ö s l é z e r e k e t t e r v e z t ü n k é s v i z s g á l t u n k tokárnak plazma i n t e r f e r o m e t r i a c é l j a i r a . K é t h u l l í m h o s s z u t á v o l i i n f r a v ö r ö s i n t e r f e r o m e t e r t t e r v e z t ü n k tokárnak plazma s ű ­ rűségének v i b r á c i ó m e n t e s m é r é . é . e . Üregben k é p z ő d ö t t , l é z e r f é n y als >1 l é t r e h o z o t t f e k e t e t e s t r ö n t g e n s u g á r z á s t u ­ lajdonságait vizsgáltuk. I s m e r t e t j ü k a tokárnak é s a,.'.t p, üj t ő r e n d s z e r é n e k f e j l e s z t é s i m u n k á i t .

Бакош П.: Гермоядергые плазма 'а зичаскне исследования Б Центральном институте физических исследований (l'.'-ilfi-í aS7; K F F I - 1 9 8 8 - 0 2 / 0 АННОТАЦИЯ

Приводятся результат!!, достигнутые в IUÍOH HAH в 1986-1987 гг. в области физики высокотемпературно!! термоядерной ппазмы: Исследование пристенной нллчмм: - Методом лазерного ст.'.'влчнч ичмеаяпось распределение плотности плазмк; - Исследовалась тороидаеьаан »•а^мстрич транспорта частиц. Исследование взалмодеГк.-таа;,-! ,:па еы-ст^:, r'a : - Разработан метод лепч'гнревчних недорода, содер^адегосн и твердых телах; - С помощью ускоренных, иоаоп годил myaa.'iasf. зре.анп стенки; - Ядерно-физическими методами исследовалась сегрегация атомов; - Проводились нсследопани i то моделировании распыления на ЭВМ. Исследование неустойчивое м: -е:зar-rrj: • Исследовались МГ'Л-неуст >:t чино.-ть и механизм образования магнитного острова вблизи граничь: HHOTHOCVI ua-'s ик->'. Jüicpynisivt. Разработаны и не еледг.нан:,; saaepri, pas sv i:.,:str н дальнст инфракрасной и инфракрас­ ной областях, используемые дл-i целей интерферометрии плазма токамака. Разработан дальни;! инфракртснып интерферометр с двумя длинами вопн для безвибрационного измерения плотности i:;n ми токамака. Исследовались свойства ::шр „аходиапазонпего рентгеновского излучения (черного те­ ла) , возникающего в полосп- под плиячиом лазерного снегового оалучиния. Описываются раооти по совершененнованим установки ИТ-1 и системы сбора информа­ ции.

J. Bakos: Thermonuclear plas.-iaphysJ с-'.i research ir. t^he Central Research Institute for Physics il98fi->987!. Kl'KT-i 9;a-02 /Р r

ABSTRACT The r e s u l t s of t h e measurements which a r e performed i n the f i e l d of thermonuc­ l e a r high t e m p e r a t u r e plasma p h y s i c s in 'he; C e n t r a l Research I n s t i t u t e f o r Physics d u r i n g t h e y e a r s 1986-1967 a r e r e l i e v e d . In t h e f i e l d of t h e edge plasr.ia p a y s i s i : - The plasma d e n s i t y d i s t r i b u t i o n i s rr.e mured by l a s p r blow-off t e c h n i c s ; - The p a r t i c l e t r a n s p o r t , t o r o i d a l asymmetry i s measured by d e p o s i t i o n , e r o s i o n p r o b e s and l a s e r blow-off i r n e e t i e n . In the f i e l d of plasma-wall, i nt e r a e t ion I n v e s t i g a t i o n s : - Hydrogen d e t e c t i o n method is d e v e l o p e d ; - The e r o s i o n of w i l l n i i e r i s l is i n v e s t i g a t e d by u s i n g a c c e l e r a t e d He i o n s ; - S p u t t e r i n g i s modelled by Hsiivi c o m p i l e r ; - Regregat ions of i T i i ; s r i ' / •<: 0:11s in s o l i d s t a t e Is i n v e s t i g a t e d by u s i n g nuc­ l e a r methods,. In l.lie f i e l d of plasma i n s t a b i l i t y i n v e s t i g a t i o n s : - The MUD a c t i v i t y and m igne» ic i s l a n d form it ion I s i n v e s t i g a t e d n e a r to t h e d e n s i t y l i m i t ( o r ex! e r r ; ! a i srupt t o : . P a r i n f r a r e d , i n f r a r e d J-ser., a r e d e s i g n e d ,:ne i n v e s t i g a t e d for tokárnak plasma i n t e r f e r o m c t ry, I n t e r f e r o m e t e r is i e s i g n e d with two wave 1 , ,,t s l a s e r s o u r c e for v i b r a t i o n com­ p e n s a t e d plasma d e n s i t y measure,r,ert . Hlackbody x - r a y r a d i a t i o n which is O ' s ' - i by l a s e r bean", i s i n v e s t i g a t e d . The tokárnak and file t a t a IMUÍSÍI ion .'••'/• 1 , .si development work I s r e w l e v e d . 1

n

I.

TARTALOM

1. BEVEZETÉS /Bakos József/

1

2. KUTATÁSAINK CÉLKITŰZÉSEI /Bakos József/

3

3. A TOKAJIAK PLAZMA HATÁRRÉTEGÉNEK /PERIFÉRIA/ VIZSGÁLATA /Bakos J., Ignácz P., Koltai L., Pászti F., Petravich G., Szigeti J., Zoletnik S. /

8

3.1. 3.2. 3.3. 3.4.

Lérergyorsitásos atomsugár vizsgálatok Részecske transzport vizsgálatok Limiterközeli vizsgálatok Diszrupció vizsgálatok

4. PLAZMA KÖLCSÖNHATÁSA SZILÁRD ANYAGOKKAL /Mezey G., Varga L., Kó;ai E., Manuaba A., Pászti F., Vizkeleti Gy., Hajdú Cs., Szilágyi E., Nguyen Trong My/ 4.1. Hidrogén meghatározás kalibrálása 4.2. Hélium reemisszió és felületi deformációk 4.3. Nagydózisu hélium besugárzás hatására kialakuló felületi hullámosodás vizsgálata 4.4. Felületi porlódás modellezése 4.5. Felületi porlódás és szegregáció kísérleti vizsgálata 4.6. Aluminium felületi deformációja és gáz ujrakibocsátása argon implantáció és utóhőkezelés hatására

8 13 17 19

23 24 27 31 33 35

36

II. 5. LÉZERDIAGNOSZTIKAI KUTATÁS, FEJLESZTÉS /Bakos J., Sörlei Zs./ 5.1. A methanol távoli infravörös lézer 5.2. Mérések lézeraktiv anyagon 5.3. A távoli infravörös interferometer 6. LÉZERPLAZMA VIZSGALATOK /Völdes István/ 6.1. Bevezetés 6.2. Kísérletek 6.3. összefoglalás és perspektívák 7. AZ MT-1 TOKAMAK MODERNIZÁCIÓJA - TERVEZÉS - FEJLESZTÉS /Bürger Gábor/

38 39 42 45

48 48 49 55

56

7.1. Előzmények. A modernizáció célkitűzése és időbeli szakaszai 56 7.2. A modernizáció első szakasza feladatainak részletezése 57 7.3. A modernizáció első szakaszában elvégzett munkák . 60 8. AZ MT-1 TOKAMAK MÉRŐ ÉS ADATGYŰJTŐ RENDSZERE /Giese Piroska/ 8.1. 8.2. 8.3. 8.4.

Adatgyűjtő rendszer Adatfeldolgozó rendszer ICC-TPA kapcsolat Tervek

9. NEMZETKÖZI KAPCSOLATOK, EGYÜTTMŰKÖDÉSEK /Bakos József/

64 6 4

69 70 71

72

10. TERVEINK /Bakos József/

75

11. PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE

78

1. BEVEZETÉS /Bakos József/ A magfuziós erőmű létrehozása érdekében az ötvenes évek óta kitartó, nagy befektetéseket igénylő kutatás folyik a vi­ lág igen sok országában. A fúzió, mint folyamat jelentősége közismert és ha nem is parancsoló szükségszerűség pillanatnyi­ lag azonnali használatba vétele, de jövőbeli felhasználása kikerülhetetlennek látszik. A kutatások célja annak a konkrét technikai megoldásnak a megtalálása, amellyel a fúziós folya­ mat energiatermelésre felhasználható. Az alapgondolat egyszerű. Olyan forró anyagot kell hosszú időre és kellő sűrűségben előállitani, amelynek alkotó atommag­ jai a nagy hőmérséklet következtében fellépő nagy sebesség miatt a taszitó elektromos erőteret legyőzve egyesülni tudnak és a fúziós energia felszabadul. A problémák egy része a forró anyag előállitásával, meghatározott időre való összetartásával, ezen anyagnak az őt tartalmazó edény falával való kölcsönhatá­ sával kapcsolatos. A megfelelő hőmérsékletű anyag csak plazma halmazállapotú lehet. Ezért a kutatások jó része a plazma tu­ lajdonságainak, folyamatainak külső terekkel, sugárzásokkal, szilárd anyagokkal való kölcsönhatásainak tanulmányozására irá­ nyul. Ezen plazmafizikai kutatások jelentőségét hangsúlyozza, hogy forró anyagot, plazmát ezen a nagy fúziós energiatermelé­ si célkitűzésen tul számos területen már jelenleg is alkalmaz­ nak. Ugyanakkor ezen plazma tulajdonságai nem minden esetben ismertek eléggé s ezért kutatást igényelnek. A fúziós plazma­ fizika terén elért eredmények átvihetők a plazmafizika egyéb területeire /pl.: lézerfizika, kozmikus plazmafizika/ és ott hasznosíthatók. Jelenleg e fúziós energiatermelés megvalósítására két je­ lentősebb technikai megoldás látszik legalkalmasabbnak. Ezek egymástól a plazma összetartásának módjában különböznek.

- 2 Az egyikben a mágneses tér hartja össre a plazmát, mig a másik­ ban a plazma tehetetlensége /lekeres fúzió/. A mágneses összetartás eK'én sokfajta berendezés dolgozik, melyek közül а tokárnak az, melynek jelentős előnye van mind a többihez, mind a lézeres fúzióhoz viszonyitva. Ez a berendezés lényegében egy impulzus transzformátor, melynek /R / rádiuszu szekunder tekercse egy "a" rádiuszu autógumi formájú vákuumkam­ ra /torasz/. Az impulzus gerjesztés hatására fellépő, a torusz tengelye irányú elektromos tér az, mely a toruszban lévő kis­ nyomású gázt ionizálja, majd a megfelal.ő hőmérsékletre árammal felfüti. A plazma összetartását a torusz tengelye irányú mág­ neses tér végzi, melyet a kamrára helyezett tekercsek hoznak létre. A toruszban keletkezett plazma tulajdonságai, mozgásfor­ mája, szerkezete határozza meg, hogy ilyen plazma milyen sürü, mennyi ideig él és milyen hőmérsékletű tud lenni. A tokárnak plazma kutatásoknál két ':o tipu.s látszik lenni. Az egyik tipusu kutatásnál a fúziós energia termelés mielőbbi megvalósítása a cél. Ennek megfelelően a kutatás inkább fej­ lesztő /empirikus technológia/ jellegű és a minél nagyobb mé­ retű berendezések épitése és kipróbálása jellemzi. A folyama­ toknak sokszor hiányzó mélyebb megértése a nem várt megtorpa­ násokhoz vezet. A kutatás másik tipusa alapkutatás jellegű. Viszonylag kis berendezéseken fizikai folyamatokat, vizsgálnak. A kutatás tárgya nem kevés esetben éppen az a jelenség, mely a célra orientált kutatás megtorpanásához vezatett. Mig az el-iő tipusu kutatás nagy technikai felkészültséget nagy befektetéseket igényel, adóig ez utóbbi jelentősen szeré­ nyebb eszközökkel is lényeges járulékot adhat. Plazmafizikai kutatásaink zöme a tokárnak kutatások ez utóbbi típusához tartozik természetes folyományaként szeré­ nyebb lehetőségeinknek. A következő fejezetekben azon kutatásainkról adunk beszá­ molót, amelyeket az 1986-87. években végeztünk a Magyar Tudo­ mányos Akadémia Központi Fizikai Kutató Intézetében a Plazma­ fizikai Osztályon.

- 3 -

2. KUTATÁSAINK CÉLKITŰZÉSEI /3akos József/ A tokainak toruszában elhelyezkedő plazmát sok paraméter jellemzi. Magától értetődik, hogy ez a plazma inhomogén, hiszen аг edény falánál a plazmasürüség zérus. Hasonlóképpen a hőmér­ sékletnek is térbeli eloszlása van. Az összetartó, torusz ten­ gelye irányú /toroidális/ mágneses tér Д./ is inhomogén és görbülettel rendelkezik a toroidális geometria természetes kö­ ve tkezménveként. A toroidális irányú ár^iu mágneses tere /а В poloidális tér/ a toroidális összetartó térhez hozzáadva jel­ legzetesen spirális alakú mágneses tér konfigurációhoz vezet, melyben az erővonalak a toroidális irányban körbehaladva a mág­ neses felületeket alakitják ki. Amikor a mágneses erővonalak egészszámu körbefordulás után önmagába záródnak a felületet, amelyen haladnak, rezonáns felületnek nevezzük. Az inhomogén sűrűség, hőmérséklet, toroidális mágneses tér eloszlása, a mágneses tér görbülete, áram eloszlás a plazma jellegzetes mozgását, driftjét idézi elő, amely a részecske­ szám veszteséghez, energia veszteséghez vezet a mágneses tér erővonalain keresztül. Jellegzetes, kollektiv plazma mozgások /instabilitások/ lépnek fel, melyek energiát vesznek fel és sokszor a plazma hasznos tulajdonságai degradációjához vezet­ nek /hőmérséklet esés, sűrűség esés, a kisülés idejének lerövi­ dülése/. A tokárnak plazma tulajdonságai vizsgálatainak nagy ré­ sze ezen plazma mozgások megismerése, a mozgások csökkentésére illetve megszüntetésére irányultak a fúziós hőmérséklet és sű­ rűség elérése, valamint a kellő hosszú idejű plazmaélettartam­ ra való törekvés mellett. A fenti bonyolult, de valójában idealizált plazmamodell azonban csak a plazma fonál közepére ad a gyakorlati megfigye­ lésekkel többé kevésbé egybehangzó képet. A plazma közepétől számolt második rezonancia felület, ahol az úgynevezett biz-

- 4 -

tonsági tényező (q = • -2) és az edény fala közti plazmatartomány, a plazma-periféria jellemzői lényegesen eltérnek az ezen modell által várhatótól, mégpedig a rossz irányban: a hő­ vezetőképesség, a diffúziós koefficiens nagyobb, mint a modell által adott és ezen tul rádiuszfüggőek. Szokás ebben az esetben anomális diffúzióról, hővezetőképességről beszélni ami valójá­ ban azt jelenti, hogy nem ismerjük azokat a fizikai folyamato­ kat melyek ezen eltérésekhez vezetnek. Viszont a nagyobb transzportkoefficiensek miatt ez az a tartomány, mely a plazma tulajdonságainak egészét döntően meghatározza. Másik fontos jelenségkör az ezen plazma-perifériának a vá­ kuumedény falával /röviden a fallal/ való kölcsönhatása. A köl­ csönhatás eredményeként megváltozik a szilárd anyag szerkezete, idegen atomok épülnek bele meghatározott térfogati eloszlásban. Ezt a szerkezeti és ö-^zetételbeli változást magfizikai módsze­ rekkel /gyorsítót használó/ módszerekkel lehet mérni, tanulmá­ nyozni. A változásokat modell kisérletben viszonylag rövid be­ sugárzási idők alatt szimulálni lehet. Ilyen tipusu vizsgála­ tokhoz eszközeink és tapasztalatok rendelkezésre állnak. Az ezen területen elért eredményeinkat a 4. fejezetben ismertetjük. Másrészről a fallal való kölcsönhatás eredményeként idegen atomok kerülnek először a plazma perifériába, ott ionizálódnak, majd a plazma közepe felé diffundálnak. A plazmában ezen ionok gerjesztődnek és a plazma sugárzási veszteségét okozzák. A plazma periféria tulajdonságai /transzport koefficiensei/ döntő szerepet játszanak abban, hogy ezen ionok be tudnak-e kerülni a plaznia magjába, ahol ennek lehűlését idézik elő. A lentiekben elmondottakból látszik, részint az, hogy az egész plazmafonal fizikai állapotának leirásához, illetve an­ nak meghatározásához, a különféle eloszlások, hőmérséklet, sű­ rűség, áram, szennyezők, neutrális atomok, együttes mérése il­ letve beállitása szükséges. Másrészt a plazmamag állapotát döntően befolyásoló, de ma méy ismeretlen fizikai folyamatok a plazma határrétegében, perifériájában zajlanak le illetve annak szerkezetével kapcsolatosak. Mig az egész plnzma tulaj­ donságai tanulmányozásihoz illetve beállításához szükséges el­ oszlás mérések nagymennyiségű adat: mérését és igen költséges technikát követelnek, addig a plazma perifériában lezajló fo-

- 5 lyamatok kisebb térfogati tartományban végrehajtandó méréseket, egyszerűbb technikát és ma már is részint rendelkezésünkre álló töbhdetektoros mérőrendszereket igényelnek. Konkrétabban, a plazma által sugárzott elektromágneses sugárzás detektálása és analizálása látszik adni a plazmaállapotról a legnagyobb infor­ mációhozamot. Ugyanakkor, különösen a látható tartományban, ezen sugárzás detektálása a leginkább fejlett /pl. fotoelektronsokszorozók, félvezető detektorok, detektor sorok, detektormátrixok, mikrocsatornás képerösitőkkel felszerelt detektormatrixok stb./. Ezek a detektorok kevés kiegészítéssel jól hasz­ nálhatók a lágy röntgen tartományban is és a spektroszkópiai módszerek is igen fejlettek ebben két, a forró plazma diagnosz­ tikája szempontjából fontos hullámhossz tartományban. Továbbá a plazma peri féri? falközeli tartományában jól használhatók a különféle szondák /mágnesas, elektromos szonda, depozioiós és eróziós szondák, bolometer stb./. Viszonylag egy­ szerűen készitheto olyan atomsugár forrás, amelynek atomjai a kis tokamakok plazmamagjáig el tudnak jutni anélkül, hogy ioni­ zálódnának. Ezeket az atomokat gerjeszti a plazma és a kisugár­ zott fény a plazma tulajdonságairól /hőmérséklet, sűrűség, drift sebesség/ ad információt és ugyanakkor a plazmaállapotot kevésbé zavarja meg, mint a szilárd anyagú szondák. összefoglalva, olyan kis tokamakon, mint az MT-1 és figye­ lembe véve a korlátozott anyagi lehetőségeket, valamint a plaz­ maperiféria tanulmányozásának fontosságát, egyik, de legfőbb célunkul a falközeli plazma tanulmányozását tűztük ki. Ezen vizsgálataink eredményeit a 3. fejezetben ismertetjük. A plazma tulajdonságainak megismerésére különböző plazma­ diagnosztikai módszereket használunk. Ezekhez a módszerekhez szükséges eszközök között kiemelkedő szerepet játszanak a kü­ lönféle hullámhossz tartományban működő lézerek. Azonban nem mindig található a kereskedelemben a megfelelő paraméterű lé­ zer és ha található is, nem mindig hozzáférhető. Szükséges te­ hát a plazmadiagnosztikai módszereknek és köztük a lézereknek a kutatása, fejlesztése és az igy létrejövő eszközöknek plaz­ mafizikai felhasználása. A szovjet-magyar együttműködésben folyó T-15 tokárnak prog­ ramban jelentős alapdiagnosztikának számit a távoli infravörös

- G— lézerrel működő interferometria, mellyel a tokárnak plazma sű­ rűség eloszlását mérjük. Szocialista relációban nem igen volt a távoli infravörös lézerekkel tapasztalat,s ezért kutatásain­ kat körülbelül hét évvel ezelőtt kezeltük meg ezen a területen. Ma a szocialista relációban, de nyugati relációban is lézereink élenjáróak. Ezt a munkát folytatjuk, hiszen a területen a fej­ lődés gyors és nem akarunk elmaradni, üqyanakkor a lézer mellett interferométriát is csinálunk, hiszen a kettő együtt adja a plazma sűrűség mérésének eszközét. Az eszköz nagy tokamakon va­ ló alkalmazásra készül, de reméljük, hogy MT l-re alkalmas vál­ tozatát is sikerül megcsinálni. \

távoli infravörös interferometria egyaránt használható

legkülönfélébb plazmák, igy pl. ipari plazma vizsgálatára is és ezért reméljük, hogy eredményeink ezen a területen is haszno­ sulnak. Célunk tehát lézer és lézerdiagnosztikai eszközök ku­ tatása, fejlesztése is a fent megadott szempontok szerint. Ezen a téren elért eredményeinket az 5. fejezetben írjuk le. Л termonukleáris plazmafizikai kutatások a plazmafizikai kutatások egy részét, bár a legnagyobb jelentőségű részét képe­ zik. Sok jelenségkör azonban általános plazmafizikai jelentő­ séggel bir. Ugyanakkor a termonukleáris plazmafizikai jelensé­ gek megértését is elősegiti, ha kevésbé szorosan kapcsolódó je­ lenségkört is vizsgálunk. Az elektromágneses sugárzás plazma kölcsönhatása egyike ezeknek a nagyjelentőségű jelenségkörök­ nek. Hogy ezt megértsük, csak a termonukleáris plazma rádió­ frekvenciával való fűtésére vagy a lézeres fúziós vizsgálatokra kell gondolnunk. Lévén, hogy néhány viszonylag szerény telje­ sítményű lézer rendelkezésünkre áll sikerei: vizsgálatokat foly­ tattunk a lézerplazma-léizer fény kölcsönhatása jelenségkörben már a múltban is. Ezen vizsgálatainkat М'ГЛ-ПРС együttműködés kere­ tében nagyobb intenzitások ta-tomámyára volt alkalmunk kiter­ jeszteni a garchingi 1TW teljesítményű

jódlézor mellett dol­

gozva. Л témakör az infravörös sugárzás röntgensugárzásra való átalakulása volt szilárd anyaggal való kölcsönhatásban. Ezen eredményeinket tartalmazza a ti. fejezet. Л tokainak plazma к j serietekhez a tokamaknak, mint eszköz­ nek folyamatos modernizálására а к i :;érl e lekhez való adaptálá­ sára van szükség. Azonban a ki serietek előrehaladtával látható,

-

/ -

hogy eljött az idő egy alaposabb, lényeges részeket érintő re­ konstrukcióra. Arról van rgyanis szó, hogy a jelenlegi beren­ dezésben a plazma alig-alig hozzáférhető. Kevés a megfigyelési ablak. Abból a colból, hogy a megfigyelési ablakok számát meg­ növeljük, aj vákuumkamrára van szükség. Ez együttjár a plazna stabilizálási rendszerének kicserélésével is. Ezt a reKonstrukciós munkát 0 leningrádi Jefremov Intézettel együttműködve csináljuk. A tokárnak plazma meglehetősen rövid ideig tart. Ha ezen rövid idő alatt méréseket akarunk végezni ez csak elektronikus adatgyűjtő rendszerrel /Camac/ számológép irányítása alatt le­ hetséges. Az adatok feldolgozása és megőrzése is számitógépet igényel. A mérések egyre nagyobb mennyiségű adatot produkálnak. Hogy' ezek az adatokat fel is tudjuk használni a számitóközpon­ tunkat is állandóan fejleszteni kell. A tokárnak és a számítóközpontban végzett fejlesztői munka eredményeit a 7. és 8. fejezetben ismertetjük.

- 8 -

3. A TOKAMAK PLAZMA HATÁRRÉTEGÉNEK /PERIFÉRIA/ VIZSGÁLATA /Bakos J., Ignácz P., Koltai L. Szigeti J., Zoletnik S./

f

Pászti F., Petravich G.,

A határréteg két jól elkülönitett részből áll. A belső a q=2 rezonancia felülettol a limiterig /a plazma széle/, mig a külső /SOL/ a limitértől a kamra faláig tart. /A limiter a toruszba helyezett diafragma, mely megakadályozza, hogy a plazma közvetlenül a falat érje./ A különböző szilárd anyagú szondák a plazmával érintkezés­ ben csak a külső SOL vizsgálatára, mig az atomsugár módszerek mindkettő tanulmányozására alkalmasak.

3.1. Lézergyorsitásos atcmsugár vizsgálatok /laser blow-off/ A vizsgálatra Na atomokat használtunk. Az üvegfelületre párologtatott Na rétegp ^ tlárd test impulzus lézer fényével a felületről lerobbant, ... A keletkezett tűzgömb /3.1. ábra/, amely plazma részecskéken kivül semleges atomokat J.S tartal­ maz, nagy sebességgel /V / mozog a felületre merőleges irány­ ban. Ugyanakkor a gömb /V / termikus sebességgel tágul, mely lényegesen kisebb, mint a gömb transzlációs sebessége s ezért a sugár iránya jól meghatározott. Ha egy ilyen plazmagömb rá­ diusz irányban a tokamakba lép a tokárnak mágneses tere a gömb­ ből a plazma részecskéket eltávolítja, és csak a neutrális atomok tudnak behatolni. Az atomok impulzusban, meghatározott időben jelennek meg i plazmában és a határrétegről ebben az időpillanatban adnak információt. Ezt az információt a tokárnak plazma által gerjesztett fényintenzitás mérésével kapjuk meg. A mérési összeállítást a 3. 2 ábra mutatja az MT-1 tokamakon. Л /СП/ vákuumkamrában elhelyezett, a léptető motor által forgatott üvegtárcsára nátriumot gőzölünk a Na forrásból. A réteget

- 9 -

ÜVEG

3.1.

ábra.

A lézeres

"blow-off"

folyamat

PMS

dhra.

r,*r.«r "bloti-оГГ mtiréni elrendezés az MT-1 tokamakon. ,„fnbetr1 motor SM, V а шкштг.ат , M monokromator, F száloptika én a PMS fotoelcktroneokanoror.ok.

- in rubin lézer fókuszált fénye fújja ie a tárcsáról. A plazma ál­ tal gerjesztett atomok fényét oldalirányból figyeljük meg. A monokromator a Na rezonancia vonalát választja ki. A lencse a megfigyelési térfogatot a monokromator bemeneti részére ké­ pezi le, miq a kimeneti résen В csatornás száloptika viszi a különböző rádiuszhoz tartozó megfigyelési tartományok fényét 8 különböző fotoelektronsokszorczóra. Az elektrcnsokszorozók ál­ tal adott impulzusokat időben minden negyedik mikroszekundumban digitalizáljuk. A kapott eredmények a .S.'á. ábrán láthatók. Feltűnő az im­ pulzusok rövidülése csökkenő plazmarádiusz esetén. Ezt a rövi­ dülést a növekvő sebességű ionizáció okozza. Ez a sebesség azonban a plazmasürüséggel arányos az adott pontban. Az impul­ zusok alakja megadja az ionizáció sebességót, amelyből a sűrű­ ség számolható. Ez egy általunk elsőként használt uj módszer, mely minden hitelesités nélkül adja a plazmasürüség eloszlását a határrétegben jó idő és térfelbontással /'•',.*. cbva/. A folyto­ nos vonallal adott: eloszlás az, amelyet rendszerint érvényesnek tételeznek fel a tokainak irodalomban. Feltűnő, a mert görbe sokkal komplikáltabb struktúrája, mely a határréteg plazma komplikáltabb szerkezetét tükrözi. A vizsgálatokhoz használt lézer gvorsitott, semleges atom nyaláb impulzus tulajdonságai /impulzushossz, sűrűség stb./ nagyban függnek a megvilágitás paramétereitől /energiasűrűség, megvilágított felület, vékony réteg vastagsága stb./ és a vá­ kuum értékétől, melyben terjednek. Ezért külön mérési összeál­ lításban vizsgáltuk a lézergyorsitás folyamatát, hogy a vizs­ gálathoz szükséges atomnyaláb impulzust előállíthassuk. Ezen vizsgálatainkat a bécsi Nemzetközi Atomenergia ügynökség megbizása alapján végeztük. Eredményeink egy részét az Appliad Physics Letters-ben publikáltuk 1987-ben. A jelenség azonban további vizsgálatokat igényel.

- 11 -

[[a.uj

© © © J

в»

© © © © t (msec) 6. ábra.

/];: egyes-, terheli ar.atorndk által adott jelek аз idő függv'ár,>e'!>en. Ли ábrák melletti я хаток a ouatorndk r.r.áma. Л léy.er impulaun a tokárnak impulaun З.тзеа idejébe г hozta látva a lé;:er "blow-off" folyamatot az: e'-nn ana torn, ától Cd) cm táooliságban. Л ar.atorndk c,vjmár,kr>;:ti tdünlnáaa 0,'бвт.А növekvő enatornauzdm e.nökkenn p lazmaradiunxhoz tartozik.

- 12 -

П (СГГГ)

Hmm) 3.4.

ábra.

A tokainak plazma szélének sűrűség eloszlása. A pontok a mért pontok. A pontok összekötése ajsak a szem veze­ téséve szolgál. A vau tag görbe a plazma sűrűség el­ oszlására szolgáló munkahipotézis a tokárnak irodalomb in.

- 13 3.2. Részecske transzport vizsgálatok A tokárnak hatékony üzemeltetéséhez szükséges, hogy a plaz­ ma szennyező tartalmát is kontrollálhassuk. Ehhez pedig meg kell ismerni azokat a lehetséges mechanizmusokat, amelyek a szennyezők mozgását, diffúzióját befolyásoljak. A vizsgálato­ kat ugy célszerű elvégezni, hogy meghatározott időben és helyen meghatározott mennyiségű szennyező elemet juttatunk a plazmába. Jól bevált módszerek a golyók /pellet/ belövése a plazmába, vagy a lézer-párologtatás módszere /laser blow-off/, vagy gáz befujás /gas puffing/. Az NDK Tudományos Akadémiájának Elektronfizikai Intézeté­ vel /ZIE/ közösen egy igen egyszerű módszert választottunk a szennyezők bejuttatásához, az un. eróziós próbát. A próba egy tömör lemez vagy egy erre párolt vékony réteg, amelyet a plazma szélébe lógatunk be. A plazma amikor eléri a minta felületét onnan nagymennyiségű anyagot szabadit ki. Ezzel a módszerrel a plazma határrétegét lehet vizsgálni. Az eljárás előnye, hogy a szennyezők forrásának helye és a szennyező elemek tipusa jól ismert és kézbentartható. Általában a tokárnak szerkezeti anya­ gaitól különböző elemeket juttatunk a plazmába. A módszer hát­ ránya, hogy a bejuttatott szennyezők mennyisége csak pontatlanul ismert. A bejuttatott szennyezőket egy a tokárnak másik ismert pontjába elhelyezett kollektorlemezre gyűjtjük össze, majd Rut­ herford visszaszórással és SIMS mérésekkel analizáltuk őket. A visszaszórásos méréseket részben a KFKI-ban részben a roosendorfi ZfK intézet kis gyorsitóján végeztük, mig a SIMS mérése­ ket a berlini ZIE intézetben történtek. 2 A mérésekhez 10x10 mm Ti lemezeket használtunk eróziós próbára, amelyekre 500 nm Li volt párolva. A kollektor lemezek tiszta szilícium egykristályok voltak. A kollektorokat a torus ellenkező oldalán helyeztük el. Mindegyik mintára 10 lövés alatt összegyűlt szennyező jutott. Ellenőrző kisérletet végez­ tünk, mikor az eróziós próba nem ért bele a plazmába. A kisü­ lések alatt a plazma paraméterei a következők voltak: torodiális mágneses térerősség 1.1-1.3 T, plazma áram 10-15 kA, átlagos elektronsűrűség 1-2 1019 m-3 , a kisülések hossza 9 msec. A plazma közepén az elektronhomérséklet 250 eV, az ionhőmér-

- 14 séklet 100 eV volt. Л kisér 1 etek sjrán ellenőriztük az eróziós próba hatását a plazma páramé!ereire is. Л próba és a plazma távolságának csökkentésekor kétszeresére nőtt a hurok feszült­ ség egészen mig telítésbe nem ment . Az átlagos elektronsűrű­ ségre lO"-nál kisebb hatást; cr. ..korolt. Ennél az első kísérletnél ,д lerakódott Li mennyiségét SIMS-el határoztuk meg, mivel a Rutherford visszaszóráson ala­ puló analitika nem érzékeny a ti-ia. .Mivel a SIMS mérés nem ad abszolút eredményt szükségessé vált egy uj módszer kidolgozása. 7 3 Idén tavasszal kidolgoztunk a

Li (p ••) 'Из r

reakción alapuló Li

meghatározási módszert. A mintát 2,5 MeV-es proton nyalábbal bombáztuk és a kijövő alfa részecskéket egy 85 -ban elhelyezett felületi záróréteges detektorral detektáltuk, Л dei.ektor elé egy 50 ]i Ai fóliát helyeztünk, amely г Ínyelte a rugalmasan szó',

12

rodott protonokat. A módszer orzekeir/sége Ю

2

at/cm . Ezt az

eljárást sikeresen alkalmazta:; a tokarnakból kivett kollektor­ próbák analízisére. Egy második sorozatban i\ .x eróziós próbát alkalmaztunk, de kiegészítettük Na illetve Ag lézeres párolog tatással is /blow-off/. A kollcatorlemezokr .., aeelyek ez esetben szilíciumok il­ letve oapyex /szén-fóliák/ •.. olkak,- é? löv.'.s szennyezőit gyűj­ töttük össze. Rüther fovl visszása »Г- ss-ri. meghatároztuk a nehéz elemek mennyiségét és csaiav/ioira í-';•.;;.ai а szíILcien egykristály­ ban a plazma által okozol.;, roncs о ;.ód es i а plazeátóL való távol­ ság függvényében. A hinták jelen i .eg •:• berlini Z.kk laboratóriu­ mában vannak, ahol a oókkS mér'•soke t \ égzik. Dr. D. Hildebrandt november végi látogatása során várható a kísérletsorozat közös kiértékelésének befejezése es i-gy CLkkben való összefoglalása. A kollektor lemezt ért pl-'.zma tatásat a plazma által oko­ zott roncsolódás mértékéből határozat- nujg. д méréseket csa­ tornahatással kombinált Rrkhoríorc '.eiaszaszóráss- \ végeztük el. 1

A mérések szerint az elek r
bázó energiaira )0 eV-ot ez о ].<•:.. >. rr-.uo i <' а U r e 70 eV-ot kaptunk. f

A különbség a külső l orr. i. !óól e; !/•;• /i : :ró' .i m n t a előtti, árnyé­ koló feszült.sógugrás la'' ló.aia;ógo okozhatoi'í. . A

.'•:..'••-•'. ','.;••//' I á i - h a l ó>

1

f)

.; •; toiler. ''! Lemezeken összegyűj­

tött e Leniek eloszlása a plazma u.".z,éei .on!. j ufói való távolság

- 15 -

Fe Cr

IN l/l

o n

s

° ' 'ds A electron side

6 о о I ф

u_ OD

cg

•e e о о 2

'£

I

3


E о

«О

80

3.5.

85

90 95 r/mm

100

ábra. Szi,i nium kollektorlemezen összegyűlt Fe, Cr, Mo, Си '/.', Ti szennyezők eloszlásának radiális függése, A mévSeekhez Rutherford visszaszőrdsos módszert alkalmaz tunk.

- 16 -

20

"«л О

10

О

о ion side

2

A electron side

.--о

0 6 00h

1Л

Ti

о~. "О-

-о„

200

'О

^

1Л

'о

80

3.6.

ábra.

85

90 95 г /mm

100

üzilicium kollektorlemexekre öeezegyült Mo, Си, Ti <ín Li or.ennyex'k vadidlie függésének .'ПМ0 eredmérnjei.

- 17 függvényében, h Fe, Cr és a Mo a tokárnak falából és a limiterből jutott э plazmába. Az ion és elektronoldal különbsége arra mutat, hogy a szennyező transport a plazmaáram irányában törté­ nik. Ezt az eredményt kapták a CASTOR tokamaknál végzett kísér­ leteknél is. De ez az aszimmetria nagyobb, mint amit a plazma­ áram által okozott drift alapján várnánk. A mérési eredmények D. HildebrandL és munkatársai /KFKI reprint 1987-51/D/ cikkében vannak összefoglalva.

3.3. Limiterközeli vizsgálatok A limiter az ami a plazmával közvetlenül érintkezésben van. Ezért a szilárd anyag-plazma kölcsönhatása zömmel itt tör­ ténik. A limiter meghatározza a plazma méretét. A limiter rá­ diuszon kivüli részekben a plazma sűrűsége körülbelül exponen­ ciálisan esik. Ugyanakkor a mágneses felületeken átdiffundáló részecskék a 30L plazmában a limiter felé gyorsulnak. Itt az ionok neutralizálódn.ak, majd diffúzióval újra a plazmába kerül­ nek /recycling/, л limit orrol ütköző ionok azonban porlasztják a limiter felületet és nehéz atomok kerülnek а plazmába. Л plaz­ ma ionjaival együtt nehéz atomok ionjai, is a limitért bombázzák. Ennek következtében a noriódás még erőteljesebb. A limiter közelében lezajló fizikai folyamatok döntő sze­ repet játszanak tehát az egész plazma viselkedésének kialakítá­ sában. Ezért egy szondákkal felszerelt limitért terveztünk, mellyel ezen limiterközeli fizikai folyamatok tanulmányozhatók. A limiter vázlatos szerkezete a '/>.'/. abr.fn látható. A Langmuire szondákkal a plazma sűrűség és hőmérséklet, a kalorimőter leme­ zekkel a részecske áram sűrűség /F/, a gyors nyomásmérőkkel a semleges gáznyomás mérhető. A szaggatott nyilak mutatják az op­ tika-spektroszkópiai megfigyelés irányát. A kalorimeter lemezek közelében zajlanak a limiterhez közeli plazmatartományok bonyo­ lult fizikai, folyamatai: porlódás, neutralizáció /recycling/, ionizáció, tölt.éskicserél ö ütközések seb. Az ion ós az elekt­ ronoldal részecske áramai F/l/ és P/H/ a limiter kamrákban nyo­ másnövekedést okoznak az irányított sebességek részleges termalizálódásával. Ha gázt orosztünk be a limiterfejbe a limiter-

- 18 -

6.7.

ábra.

A mii;: v.e reze t,L Unitér a;: MT-1 tokamakon. Ll, L2, LS Langmuire nr.ondák, El, ET, neutralizáló /kalorimeler/ lemezek, Gl, G2 Pinning nyomásmérők, Rh limiterfej. A limiterfej és a limiterbest közti nyilas szabályoz­ ható. Л limiter fe.i plazmába merülése szabályozható. F/l/ F/E/ a rá?,;:n.rjr,kcáramnk ar. ion ás elektron oldal felál.Gáz c.re.T.iL'ncbn be nini a limiter kamrába, mind a tokamakha a limi.tevfp.ien keresztül. A szaggatott nyilak a:-, őrlikai-spektroszkópiai megfigyelés irá­ nyát mutál,iák.

- 19 fej előtti p..azma diffúziója tanulmányozható az ionok spektrum­ vonalainak megfigyelésével. Ha a gázt a limiter kamrába ereszt­ jük, a limiter közeli folyamatok eredményeként megváltozik a gáz plazmába való áramlási sebessége. A folyamatokat spektrosz­ kópiai megfigyelésekkel is nyomon követjük. Vizsgálataink két szakaszban, két helyen: Moszkvában a T-13 tokamakon és Budapesten az í-lT-1 folynak. A T-I3-as mérések a következő főbb eredményekhez vezettek: A neutrális gáz áramlását a neutralizáló lemezek előtt elhe­ lyezkedő plazma jobban akadályozza, mint ha itt csupán ugyan­ olyan nyomású gáz helyezkedne el. így a semleges gáz visszaáram­ lása /recycling/ kisebb, mint az eddig várt. A döntő szerepet ebben a jelenségben a töltéskicserélő ütközések játsszák. Az eredmény az, hogy a limiter kamrában a gáznyomás ugrásszerűen megemelKedik /3.8. dk га/. hz MT-L tokamakon megvizsgáltuk, hogyan függ a limiterre jutó áram a limiter helyzetétől. Amikor a limiter feje beljebb van, mint az apertúra limiter. Ilyenkor ugyanis ez a limiter határozza meg a plazma méretét. Л neutralizáló lemezek, a limiterfej és a szondák ion-telitési áramait mutatja a Z.8. ábra. A plazma széle komplikált struktúráját mutatja, hogy az ion-elektron aszimmetria bizonyos limiter rádiusznál jelet vált. A plazma szél részecske áramainak iránya rádiusz függő. A méré­ si eredmények további feldolgozása folyamatban van.

3. 4.. Diszrupció vizsgálatok A tokárnak plazma csak bizonyos paraméter értékek /árain, mágneses tér, nyouás stb./ jön létr^. Ha valamely paraméter a működési tartománya szóléhez közeledik a plazma élettartama lerövidül és diszrupcióval /az áram hirtelen leesése/ véget ér. Az ííT-1 tokamakon vizsgálatokit végeztünk a diazrupciós határ megállapítására. Azt tapasztaltuk, hogy a működési tar­ tomány vége felé közeledve a diszrupció nem hirtelen követke­ zik Ьс, hanem van egy tartomány, ahol periodikusan "lágy diszruociók" jelennek meg, mely "lágy diszrupció" után a plazma visszatér eredeti állapotába. Üzen lágy dís-rupcíó!» előtt per-

t(msec) NJ

О

3.9.

vl3.z~<xj
1(

6G

<;о

Э

\

Ьк;к, \.

^

Оцет;

!

°Ucm;

т П

/Пи

0

'а и,

НА]

У.\

7i.Q

200

.^

Д I p(au) L

SO 120 -

^^L3

90 •)

г (с гт-

t;ci

Ю

db ra . .4 r: ií з л $ Í"£. Z e z t l •'- m ?' г j >> j :j Í> »г d ' £ ,' e '• -' függés* a Limiter fej helyétől /a plazma középpontjától szinolva/. .',, I, ."..,, teli ее fii ionáramok a limiter fej re а ncutralizálo lemezekre. Lt Ll, L3 telítési áramok az Ы, L2, L3 Langmuire szondákra. n. a semleges re's seas kesürüség a limiter kamrában. J

r J

}



c

л

r

(cm>

- 22 turbációk figyelhetők meg a q=2 rezonancia felületen. A lágy diszrupciók által kiváltott perturbációk megfigyelhetők a mág­ neses szondákkal, a lágyröntgen lyukkamera detektorain, az áramon, a hurokfeszültségen stb. /3.10 ábra/. A mágneses Mirnov szondák jeleinek frekvencia analízise megmutatta, hogy a diszrupciókat mágneses szigetképzodés előzi meg /plazma áram perturbáció/ közvetlenül a diszrupció előtt.

\_JVVW^V~ i 3.10.

ábra.

A lágy diszvupeiók /MT-1/ által okozott diagnosz­ tikai jelek, a/ a plazmaáramon; b/ a hurokfe­ szültségen; a/ a lágyröntgen kamera középed" húr­ jának jele; d/ a plazma vízszintes pozícióján; e/ a röntgen jel eloszlásának szélér légén.

- 23 -

4. PLAZMA KÖLCSÖNHATÁSA SZILÁRD ANYAGOKKAL /Mezey G., Varga L., Xótai E., Manuaba A., Pászti F., Vizkeleti Gy., Hajdú Cs. , Szilágyi E., Nguyen Trong My/ A termonukleáris reaktorox megvalósításának egyik problé­ mája a forró plazma és az azt körülvevő szilárd szerkezeti ele­ mek kölcsönhatása. A plazma és a fúziós reakciótermékek a reak­ tor falának súlyos károsodását okozhatják, másrészt a kölcsön­ hatás során keletkező szennyezők lehüthetik a plazmát, és ezzel megnehezíthetik, legrosszabb esetben meghiusithatják a fúzió beinditását. A kölcsönhatás megértéséhez szükséges a reaktor aktiv zónájában végbemenő folyamatok, az aktiv zónát elhagyó részecskék és fotonok, valamint e sugárzás szilárd testekre gyakorolt hatásának ismerete. A plazma-fal kölcsönhatás folyamatainak kísérleti Lisztá­ zására két vizsgálati módszer terjedt el: a/ közvetlenül a meglevő tokárnak berendezésekben tanulmá­ nyozzák a folyamatot, b/ jól definiált elektron- és ion-nyaláb segítségével a várható plazma hatásokat szimulálják. Ez utóbbi előnye, hogy a kisérleti paraméterek kézbentarthatók és a kapott eredmények kiértékelése egyszerűbb. Természetesen a teljes kvantitatív plazma-fal kölcsönhatási kép kialakitása mindkét módszer hasz­ nálatát igényli. A KFKI-ban rendelkezésre álló technikák mindkét módszer használatát megengedik, de egyben le is szükitik a vizsgálható lehetséges kölcsönhatások számát. Az MT-1 tokamakon vizjgálható a szennyezők transzportja, de a kis plazmaáramsürnség, a rövid kisülési idő és az alacsony ionhőmérséklet nem teszi lehetővé a szerkezeti anyagok direkt sugárkárosodásának gyakori vizsgá­ latát. Az 5 MeV-es Van de Graaff gyorsítón nagyenergiás /<3,5 MeV/ hélium bombázás hatását lehet vizsgálni. A kisebb energiájú protonok, deutériumok sugárzási károsodásának vizs­ gálatához szükséges ultra nagy vákuumu berendezések nem állnak a rendelkezésünkre.

- 24 A gyorsítón végzett ionnyalábos besugárzásokat és a minták felülrtanalizisét a Nukleáris Analitikai Csoport 5 kutatója, egy doktori ösztöndíjasa, és két diplomamunkása végezte. Továb­ bi együttműködő partnereink voltak az NDK Tudományos Akadémiá­ jának Magfizikai Kutató Intézetének, a Szovjetunió Kurchatov Atomenergetikai Kutató Intézetének és a leningrádi NIIEFA Kuta­ tó Intézetének munkatársai. 1987. évben eredményeinkről 2 pub­ likáció jelent meg, további három van elküldve nemzetközi fo­ lyóirathoz, amelyek közül egyet már el is fogadtak. Fo témáink 1987-ben a következők voltak: 1. Rugalmasan meglökött nidrogén detektálásán /ERD/ ala­ puló abszolút hidrogén koncentráció meghatározására szolgáló módszer kalibrálása. 2. He reemisszió és felületi deformációk vizsgálata alu­ míniumban . 3. Nagy dózisu He besugárzás hatására kialakuló felületi hullámosodás vizsgálata és elméleti magyarázata. 4. Felületi porlódás elméleti modellezése. 5. He és Ar porlasztás vas alapú ötvözetek felületi szeg­ regációjára gyakorolt hatásának, és fémüvegek porlódásának vizsgálata. 6. Aluminium felületi deformációja és gáz ujrakibocsátása argon implantáció és utóhokezelés hatására.

4.1. Hidrogén meghatározás kalibrálása MeV-es energiájú könnyű ionokat gyakran használják szilárd anyagok felület közeli rétegeinek atomi összetételének meghatá­ rozására. A Rutherford vissza3ZÓráson alapuló analízis csak a közepes és a nehéz elemek mennyiségi és mélységeloszlásának vizsgálatára alkalmas. Magreakciók segítségével a könnyebb elemek is vizsgálhatók. Hidrogén mennyiségi mérésére a 1H (15N, a r) С vagy a H ( F, a r) 0 magreakciót alkalmazzák. Mindkét

i - 25 reakció középnehéz analizáló iont és viszonylag nagy energiát /6,4 illetve 16,5 MeV/ igényel, amelyeket a KFKI 5 MeV-es Van de Graaff gyorsitója nem képes szolgáltatni. E magreakciók he­ lyett L' Ecuyer és munkatársai által javasolt és Doyle és Peercy által 2,5 MeV-es gyorsitóra adaptált, az analizáló ionok által rugalmasan meglökött könnyű elemek atomjainak detektálá­ sán alapuló un. ERD /Elastic Recoil Detection/ módszert alkal­ mazzuk. Ezt a mérési eljárást ugyan már 1979 óta alkalmazzák és mi is használjuk, de az abszolút koncentráció meghatározá­ sát akadályozza a szórási hatáskeresztmetszetek hiányos, vagy pontatlanul ismert értéke. Az 1984-ben indult munkánk célja a hatáskeresztmetszetek meghatározása a szórási szög és az ener­ gia széles tartományában. A méréseket az NDK Tudományos Akadémiájának rossendorfi Magfizikai Központi Kutató Intézetével /ZfK/ együttműködve vé­ geztük. Ettől az intézettől kaptuk a mérésekhez szükséges amorf szilicium-nitrid kalibrációs mintákat. Hidrogéntartalmukat a rossendorfi tandem gyorsitóval a 6,50 MeV-es H ( N, а г) С reakcióval határozták meg. Az itthoni vizsgálatok a KFKI 5 MeVes Van de Graaff gyorsitóján történtek. Ellenőrző mérések se­ gítségévül bebizonyitoctuk, hogy a mérések alatt a minták hid­ rogén tartalma nem változott, igy kalibrációs mintáknak való­ ban alkalmasak. A differenciális hatáskeresztmetszeteket 900 és 350O keV-es energiataitományban és 16° és 41 között mértük meg. A mérési eredmények a 4.1. ábrán láthatók. A kapott hatás­ keresztmetszetek hibája 4% volt. Eredményeinket összevetettük S. Nagata és munkatársai által egy szűkebb energia és szögtar­ tományban végzett mérések eredményeivel /4.2. ábra/. 31 és 41 között nagyon jó egyezést kaptunk, mig a 20 -nál tapasz­ talható eltérést a cikk hiányos kísérleti leírása miatt nem tudtuk megmagyarázni. Az eredményeink egy része szerepel Szi­ lágyi Edit diplomamunkájában /KLTE, Debrecen, 1987/. Egy öszszefoglaló munkát tervezünk késziteni a rossendorfi kollégák­ kal közösen. E munkánk befejezésével egy olyan felületanalitikai mód­ szerrel rendelkezünk, amely segítségével szilárd anyagok felső 1-2 у rétegében lévő hidrogén koncentrációt kb. 10% pontosság­ gal, abszolút hidrogén tartalr.át 5% 'intossággal meghatároz-

- 26 hatjuk. A módszer mélységfelbontása optimális geometriai el­ rendezésben méréseink szerint 22-50 nm /F. Pászti és munkatár­ sai, Nuclear Inst, and Meth. B15 /1986/ 486. oldal/. A kimu­ tatható legkisebb hidrogén koncénfcráció 0,1 at%.

4.1.

ábra.

A mérési pontokra illesztett differenciális hatáskeresz bmetszet felület az energia és a 8zórndd:;i :j;:ö(j függvényéhen. Folytonos vo­ nallal jelöltük a felületnek azt a részét ahol mértünk.

-

27 -

500Az elnyelő (ólia vastagsága: •

400--

Ю.8 *jm

*

7,2 «m

°

4,8 д.ип

A

3,6 (um

о e

V 31,3 Nagola

Г зоо £ «< 200--

о I !00-

V5

2

7.5

Enerrj.alMeVI

' / . ; ; . ábra.

A di ''('eren^tálir внеr,;j Lafüíjjdsв

31

hatd.-.keresr.tmetszet y.ór'áúi r, né) and I,

4.2. Hélium reemisszíó ós felületi deformációk A termonukleáris reaktorok ós a hasadási atomreaktorok szerkezeti anyagainak tulajdonságait nagymértékben befolyásol­ ja ezekbe az anyagokba jutó /pl. DT fúziós reaktor/, vagy az itt keletkező hélium /pl. in,a) reakcióból a hasadásos reakto­ roknál/. Л jövő fúziós reaktorainál a tricium tárolásakor a belőle bomlással keletkező He mennyisége is elég nagy ahhoz, hogy megváltozassa a körülvevő anyagok tulajdonságait /pl. ma­ gas hőmérsékletű képlékenységét stb./. Alacsony oldókonysága miatt He bevitele a fémekbe ion-implantációval, vagy magreakciókkal történhet. A hélium be­ juttatása általában Frenkel hibák kialakulásával jár. A kelet­ kezett vakanciák és a He atom kölcsönhatása miatt V-He clusn terek alakulnak ki, amelyek később hélium buborékokká alakul­ nak. A hélium mennyiségének növekedésekor a buborékokban fel-

- 28 gyülemlő hélium atomok belső feszültségeket okoznak, amelyek idővel a buborékok összeszakadásához, felület közeli buborékok esetén felületi deformációkhoz vezetnek /hólyagosodás = blis­ tering, leválás = fiaking/. A besugárzás hatására keletkező, vagy az anyagban erede­ tileg jelen levő hibák csapdaként viselkednek és képesek fémek esetén 30 at% hélium atom befogására is. Ekkor a fém telitett lesz, és további hélium implantálása esetén a többlet hélium távozik az anyagból. A hélium kiszökés magyarázatára több el­ mélet is született. Az egyik szerint a buborékok közt repedé­ sek keletkeznek és az igy kialakult csatornákon távozik el a többlet hélium. Egy másik elmélet szerint nem ezek a csatornák okozzák elsősorban a hélium kiszökését, hanem a felületi defor­ mációk kialakulásakor jut ki az anyagból a hélium /hólyagoso­ dás, leválás stb./. Kisérletileg kívántuk eldönteni azt a kérdést, mikor ala­ kul ki ez a csatornahálózat, a felületi deformáció előtt, vagy vele egyidőben, vagy utána, vagy egyáltalán nem. További el­ döntendő kérdés, mekkora kritikus koncentráció szükséges a csa­ tornák kialakulásához. Kísérleteinkhez alumíniumot választottunk, amelynek mecha­ nikai tulajdonságai ismertek. A mintába előzetesen két energián He-ot implantáltunk 4,8 és 6,9 \i mélységbe. A kialakult kon­ centrációmaximumok szélessége 0,5 \i, magasságuk kb. 5 at% volt, ezeket a maximumokat markerként használtuk. Ezután a következő paragrafusban leirt módon billegő abszorbens segítségével fo­ lyamatosan bombáztuk héliummal /a módszer részletes leírását lásd F. Pászti és munkatársai, Journal of Nucl. Materials 114 /1983/ 330. oldal/. A kialakuló eloszlás szélessége 5 у lett. A besugárzást időnként megszakitva proton visszaszórással meg­ vizsgáltuk a mintába levő hélium mennyiségét és eloszlását is /4.3. ábra/. Feltevésünk szerint, ha csatornahálózat alakul ki, akkor a marker csúcsok kiszélesednek a hélium diffúziója miatt. A kialakuló felületi deformációk megjelenését optikai telesz­ kóppal figyeltük meg.

4

80

3. ábra.

1

00 120 channel number

Az implantált hélium eloszlása A mérést proton visszaszórással

alumíniumban végeztük.

depth [/jni 3 2 1

U0 különböző

dózisok

eset

- ЗО Az eredmények a következőkben foglalhatók össze /lásd 4.3.ábra/: 1. A hólyagok keletkezéséhez szükséges kritikus hélium dó­ zisnál sem alakult még ki a csatornahálózat. Csak a hó­ lyagok által lefedett területről szökik ki a hélium. 2. Hólyagok olyan mélységben keletkeznek, ahol a hélium koncentráció a legnagyobb, azaz valamelyik markercsucsnak megfelelő mélységből. A kapott eredmények értelmezése még további vizsgálatokat kivár, amelyek folyamatban vannak. További vizsgálatokat végeztünk a hélium implantálás és a hőkezelés együttes hatásának meghatározására. Megint Al és alu­ minium ötvözeteket választottunk ki a kísérletekhez. A mintákat egyrészt magas /100-600 °C/ hőmérsékleten sugároztuk be, más­ részt utólagos hőkezelést alkalmaztunk. A hélium mennyiségét és eloszlását proton visszaszórásos módszerrel határoztuk Tieg, mig a kialakuló felületi deformációkat pásztázó elektronmikroszkóp­ pal vizsgáltuk. A fő eredményeket a következőkben foglalhatjuk össze: 1. Szobahőmérsékletű besugárzás esetén a felületi deformá­ ció megjelenése csak egy kritikus hélium koncentráció­ tól függ. Ez Al esetén 30 at% AlMgSi ötvözet esetén 45 at%-nak adódott. 2. A hólyagosodás és a leválás élesen elkülönült egymás­ tól, Al esetén 600 keV, AlMgSi esetén 600-800 keV alatt csak a hólyagok alakultak ki, efölött pedig csak levá­ lás történt. 3. A felületi deformációk megjelenése és a hélium kiszökés egyidőben történt, amely során hirtelen az implantált gáz 45%-a megszökött. 4. A felületi deformáció kialakulásához szükséges kriti­ kus koncentráció az implantálás hőmérsékletétől erősen függ, követi az anyag szakítószilárdságának hőmérsék­ letfüggését /lásd
5. Utólagos hőkezelés sorári egy kritikus hőmérsékletnél felületi deformációk jelennek meq. A kritikus hőmérsék­ let dózisfüggése a kritikus dózis 4. pontban emiitett hőmérsékletfüqqésének inverze.

+ 30 £ -20 Ъ

200 TÍK] 4.4.

ál't'a.

A/. uinf.niur'ihii imp luntáL t hi'iium kv/tikin) konep.n tr>n •-'injának lic'mcvenk le tfügySne . Fol ;i tr, n or, лона IIa I ,j e I a7, /,;'<к a szakito?,:'.i I'h'ilr.tvj h-''mdr'fí<-'k la bj'üaaccéb .

4.3. Nagydózisu hélium besugárzás hatására kialakuló felületi hullámosodás vizsgálata A plazma-fal kölcsönhatás kutatásán belül tovább folyt a nagydózisu hélium implantáció által kiváltott felületi defor­ mációk vizsgálata is. Colunk a csoportunk által korábban fel­ fedezett jelenség /lásd F. Pászti és munkatársai cikke /Nuclear Instr. and Meth. .209^210 /1983/ 273. oldal/, a leválást / f] aki ng-et / kövei"; felüJetL hu] Lámosodás magyarázata volt. i.'hhez először egy i eszű 1 tseg~model.lt alkottunk meg, aniejy már publikálásra is került /Cs. Hajdú ós munkatársai, Nuclear Inst.

- 3? and Meth. D19/2Q /1987/ GO/, oldal;. Л п-.о do 11 a n-galmas insta­ bilitáson alapul. Az ionok hatótávolság 'iiiak meqíelelő mélységjen lévő rétegben a dózis növekedtével egyre több hélium gyűlik össze, ós ez oldalirányú feszültséget okoz. Egy kritikus fe­ szültségértek elérése után a:: implaatált róteci hulláir.osodás ut­ ján csökkenti a feszültségét. Hasonló jelenség játszódik le a hólyagosodás során is, ekkor azonban л réteg leszakadása miatt nem hullámos, hanem "ecrypupu" szerkezet alakul ki. Л hullámosodás homogén szerkezetű anyagokban alakulhat ki, igy amorf és egykristályos anyagokban is megfigyeltük őket /pl. amorf fémek, Si egykristály stb./. Polikristályos anyagokban a szemcsehatá­ rok megakadályozzák a hullámok kialakulását /pl. fémüvegek hő­ kezeléssel polikristállyá alakított változatain/. E modell állitásainak megerősítésére végeztünk el egy uj kisérletet a billegtetett abszorbens módszerrel /a módszer részletes leirását lásd Г. Pánzti és munkatársai. Journal of Nucl. Materials 114 /1981/ 330. oldal/. Л módszer lényege, hogy egy 4,8 u vastag Л1 fóliát helyeztünk el a bombázó nyaláb útjá­ ba és ezt 17 -60

között mozgattuk, P fólián keresztülhaladó

ionnyaláb a fólia elfordítási szögétől függően vészit energiá­ jából, igy jelen esetben a 3,5 rieV-es 4He+ ionok energiája a kilépés után 0,9-2,4 MeV volt. Л bombázott minta METGLAS3 2826A fémüveg volt. A belőtt He ionok eloszlása 1,5-4,0 um tartomány­ ban közel egyenletes volt. Az eloszlást a kísérlet során több2 szőr ellenőriztük proton visszaszórásos módszerrel. A 3x3 mm es bombázott foltra bevitt 124,8 mC összdózis után észleltünk először leválást a minta felületének kb. 1/100-ad részén. 145 mC bevitele után az első levált folt körül egy érdekes gyürü alakú leválás jelent meg. Az első fénymikroszkópos vizsgálatok tanúsága szerint a várt hullámos szerkezet megjelent, átlagosan 5 u körüli hul­ lámhosszal. A kapott eredmény a modell által megjósolt értékű. A kísérletek részletes kiértékelése és a minta elektronmikrosz­ kópos vizsgálata folyamatban van.

- 33 4.4. Felületi porlódás modellezése Л termonukleáris reaktorok plazmájából kilépő semleges atomok és nagyenergiájú ionok első falra és a limitérre gya­ korolt hatásai közül az egyik legjelentősebb a porlódás. Ez egyike a világszerte legtöbbet vizsgált jelenségeknek. Л falra jutó részecskék energiájuk nagy részét ütközéssel átadják a fal atomjainak, ha az átadott ener-iia elég nagy a meglökött atomok kimozdulnak helyükről, sőt el is hagyhatják a fal fe­ lületét. Л porlódás függ a bombázó részecske energiájától, rendszámától és tömegétől, továbbá a bombázott réteg összeté­ telétől, a felületi kötési energiától a vakanciák keletkezési energiájától. A mintából kijutó atomok visszakerülhetnek a plazmába, ahol töltéskicserélődés utján befogódnak. Mivel ener­ giájuk jóval kisebb, mint a plazma ionhőmérséklete hlO-100 eV/, ezért hűti a plazmát. Az igy bejutott ionok rendszáma viszont nagy, mivel a fal egyik komponenséről van szó, ezért növeli a plazma átlagos rendszámát és ezzel együtt a begyujtási küszö­ böt is. A porlódás vizsgálatát általában "tiszta" körülmények kö­ zött végzik. Monccnergiás részecskéket használnak mint a kí­ sérletekbe, mint az elméleti számításokban. A bombázó részecs­ ke általában hidrogén, deutérium vagy alfa részecske, de a porlódás alapjelenségének tanulmányozásához Ar ionokat is hasz­ nálnak, mivel ennek porlódási együtthatója nagyságrendekkel nagyobb, mint az előbbieké. A bombázást kisérő egyéb jelensé­ geket, a plazma egyéb hatásait elhanyagolják. Kidolgoztunk egy uj számitógépes programot /SEISM/ a por­ lódás szimulálására. Ez egy Monte Carlo számitás, hasonló mint a világszerte elterjedt TRIM program, de a bejövő részecskék energia- és szögeloszlása a plazmából kijutó részecskék elosz­ lására hasonlít. így az energiaeloszlás Maxwell tipusu, szög­ eloszlásuk pedig ízotrop. A program egyéb fő feltételezései a következők: 1. Л minta amorf. 2. Az ütközések klasszikus bináris ütközések. 3. A kölcsönhatási potenciál a Thomas-Fermi potenciál Moliere közelítése.

-

í4 -

A kiszánitott poriódási együtthatóknak a plazma hőmérséklettscol való függése a ••/.,'•. í~: >> ín látható. Az ábrán feltüntet­ tük a mcnoenergiás számításokból ós mérésekből származó ered­ ményeket is. Plazma részecskék esetén a poriódási együttható 3-4-szer nagyobb, mint a mor.oenergiás esetben, mikor a bombázó részecske energiája megegyezik a plazma átlagos energiájával. Ez arra mutat, hogy a plazma szennveződése is magasabb lesz, mint ahogy korábban feltételezték.

0

с

1

О "С

E о £ >

0.01

а с к. «

3 о. ел

0.001 Ю

100

1000

10000

Energy (eV) 4 . b . ábra.

Jr.dmnlt 'n n-'rt po P"'- kiér- i együtthatók a plar.ma i^nhn'mériiékLetc, va<jy a vésr.aeske cne г a i á,}; b: a k, fii cs (jvénj éd> e n . — —

not'.orncrai.í s 1' л J M : ?r: dm о t ás , - monnev.crqj.dr, к i'.néviс bi eredmények, - pta:\,narccí.:ecr,kák SEISM eredményei.

A program segítségével meghatároztuk a bombázó részecskék visszalökődési együtthatóját is, amely kis plazma ion energiák /<100 eV/ esetén megegyezik a monoenergiás esetben számolttal, de nagyobb energiák esetén nagyobb lesz. Meghatároztuk a sheath potenciál hatását is a porlódásiés a visszalökődési együtthatóra. Л poriódási együttható nő a potenciál növelésével, rnig a visszalökődési együttható lineári­ san csökken. Kiszámítottuk a falba befogódott részecskék arányát és mélységeloszlását is. Л számitások azt mutatják, hogy a befo­ gódott részecskék mélyscgeloszlásából vissza lehet számolni а falat ért részecskék hőmérsékletére, feltéve, hogy a sheat po­ tenciál energiaeloszlásukat nom módosította.

- 3S Mindezeket az eredményeket Gy. Vizkelethy és munkatársai által a Nuclear Technology/Fusion Research cimü folyóiratba el­ küldött cikkében foglaltuk össze, amelyet már közlésre is el­ fogadtak.

4.5. Felületi porlódás és szegregáció kísérleti vizsgálata A porlódási jelenségek kísérleti vizsgálatát ultra nagy vákuumban kell elvégezni. Intézetünkben e~ nem áll rendelkezés­ re, ezért ezeket a vizsgálatokat szovjet társintézetekkel együttműködve végezzük. A mintákat részben mi, részben szovjet kollégáink biztositják. A besugárzást a leningrádi NIIEFA és a moszkvai IAE Kurchatov intézetében végzik. A mintákról lepor­ lódott atomokat szilícium, illetve szén kollektor lemezeken gyűjtjük össze. Л mintákat és a kollektor lemezeket itthon az 5 MeV-es Van de Graaf gyorsitón alkalmazott Rutherford visszaS2Óráson és indukált röntgen emisszión alapuló felüleianalitikai módszerrel vizsgáljuk. A kollektor lemezek különböző pont­ jai más és más porlódási kilépési szögnek felelnek meg, igy a leporlódott részecskék szögeloszlását is meghatározhatjuk. Mivel a porlódási együttható minden elemre más, és a re­ lativ porlódás az elemek arányától is függ, nagyon fontos a kü­ lönböző összetételű potenciális falanyagok vizsgálata. A lenin­ grádi NIIEFA kutató intézettel közösen Fe-Cr-Mo-Ni alapú ötvö­ zetek porlódását vizsgáltuk, és meghatároztuk a különböző ele­ mek felületi koncentrációját a mintákban. A mérések kiértéke­ lése folyamatban van. Vizsgálataink során jöttünk rá, hogy a porlódási együtt­ ható a minta szerkezetétől is függ. A fémüvegek és azok polikristályos változatának porlódási együtthatója között, nagy kü­ lönbséget tapasztaltunk. Szisztematikus vizsgálatokba kezdtünk a moszkvai ТЛЕ Kurchatov intézettel közösen ennek a jelenség­ nek felderítésére. Az általunk biztosított mintákat a IAE-ben sugározzák be és sulymcréssel előzetes becslést adnak a porló­ dási együtthatóra. A leporlódott részecskéket Si kollektor le­ mezeken gyűjt "ttok önszc, ós ezeket itthon analizáltuk. Megha­ tároztuk az egyes minták különböző elemeinek porlódási együtt-

- 36 hatóját és ennek szögeloszlását. A mérések első sorozatát októ­ berben fejeztük be és jelenleg a kiértékelés folyik, illetve az uj mintasorozat készitése Moszkvában.

4.6. Aluminium felületi deformációja és gáz ujrakibocsátása argon implantáció és utóhőkezelés hatására Bár az argon nem tartozik a jövőbeli fúziós reaktorok plaz­ ma összetevőihez, de az általa keltett felületi módosulások fo­ lyamatainak vizsgálata hasznos lehet e folyamatok mechanizmusá­ nak tisztázásakor. Az argon befogódása fémekben hasonló mecha­ nizmussal történik, mint a héliumé, de a behatoláskor az általa okozott sugárzási károsodás jóval nagyobb. így egyidőben a neut­ ronok hatását is részben szimulálni lehet. A vizsgálatokhoz 5N tisztasága aluminiumot használtunk. 40 + A mintákat 300-700 keV-es Ar ionokkal bombáztuk szobahőmér­ sékleten. Megvizsgáltuk az utólagos hőkezelés hatását is. Eredményeink: 1. A bombázás hatására bekövetkező felületi módosulások kritikus dózisa csak a mélységeloszlás maximumában fel­ halmozott gázkoncentrációtól és a részecske fajtájától függ, ugyanúgy mint He esetében. A kritikus argonkon­ centrációra 22 at% értéket kaptunk. 2. Az alkalmazott energiatartományban a mintákon csak hólyagosodást észleltünk. A hólyagok mérete nő az energia növekedésével /4.6. ábra/, és az átmérőjükre a d=0,9 t összefüggés érvényes /ahol t a hólyag fedélvastagsága/, szemben az általánosan héliumra elfogadott d=A t ' képlettel. 3. Utólagos hőkezelés során a minták egy kritikus hőmér­ sékletnél hólyagosodást szenvednek. A kritikus hőmér­ séklet dózisfüggése a kritikus dózis hőmérsékletfüggé­ sének inverze, ugyanúgy mint He esetében.

-

37 -

,,

I

в-

Ю-

/

D

300keV(10 M , *

^9£

.о

/

-

6

Г \'

1

9 7-

'

•и>

о

\

1

•/ »У /9 '/

N (Л О

* 5-

1 / 1/

1 •

i

I/y

4-

A'

О

' VГ\\

«л •о 6-

i X

3 " о

1

X

? ,

\

•о

/Л• ^ ^ Г

о> Z о

Vи

>. •Ъ с Л-

U V

v«>

s*

U1Г

i

1

0,2 () I j 300* D^sA / / 400keV \ Д.\400keV(10,5 / )

'

i

0,*

/

1

'1

Rp[*JTíl

1*

0,6

e

. /

V

•7

/•

о 3(Л J*

О СП О

•f

7 '6

2-• >

f

/ У

-

/• ь \ Ь

1

..+•-' г

4

\ \

А

9 От

e

1 •-

3

+

7O0keV(18°/.) •

*

-

"

*

.

.

*ov

т

4

5

t

6

1

7

+-••+ 1

8

- I -

1

9

1

10

, . (

11

»

hólyagok sugara f/um)

4.6.

ábra.

Hőlyagok sugara szerinti eloszlás különböző energiájú Ar ionokkal bombázott Al minta esetében. A felső ábrán látható a hólyagok átlagos sugara az argon ionok hatótávolsága függvényében. A zárójelben szereplő számok a hólyagok által elfoglalt területet jelzik. +

A fenti eredményeket Nguyen Trong My kandidátusi érteke­ zése tartalmazza. Egy összefoglaló cikk készült 1987-ben, amely még nem jelent meg.

- 38 -

5. LÉZERDIAGNOSZTIKAI KUTATÁS, FEJLESZTÉS /Bakos J., Sörlei Zs./ Termonukleáris plazma paramétereinek mérésében fontos szerepet játszanak az optikai módszerek, ezek között is azok, amelyek fényforrásként lézert használnak. A lézeres diagnosztikai eljárások közül a plazma sűrűsé­ gének mérése távoli infravörös fényforrással működő interferométerrel az egyik kutatási terület, melyet a KGST együttműkö­ dés keretében a Kurchatov Intézetben épülő T-I5 tokárnak beren­ dezésre fejlesztünk. A mérés elve röviden a következő: a plazma optikai törés­ mutatója függ a plazma elektronsűrűségétől, ezért az interfe­ rometer egyik ágába helyezett plazma sűrűségének változása az interferometer kimenetén, az optikai, jelben fáziscsuszást ered­ ményez, a plazma sürüségingadozásai nyomonkövethetőek az opti­ kai jel detektálásával. A b3következő fáziscsuszás arányos a mérő optikai sugárzás hullámhosszával, ezért kivánatos a mérést infravörös, távoli infravörös tartományban végezni. A plazma inhomogenitásain bekövetkező nyaláb elhajlás itt nem okoz akkora hibát, mint az egyébként szokásosan használt mikrohullámú sugárzás tartományában. Ezért kezdtük fejleszteni a C0_ lézerrel optikailag pum­ pált 118 ym hullámhosszon dolgozó metanol lézerrendszert, amellyel a T-15-ös mérésekhez előkisérleteket végeztünk a T-7-es tokamakon a Kurchatov Intézetben. Az előkisérletek alapján folytattuk az elmúlt években a lézerekkel, az interferométerrel és a feldolgozó elektroniká­ val kapcsolatos kutató-fejlesztő munkát.

- 39 5.1. A methanol távoli infravörös lézer Az általunk kifejlesztett C0_ lézerrel optikailag gerjesz­ tett methanol lézer vázlatos elrendezése az b.l. ábrán látható. A C0_ molekula lehetséges rotációs-vibrációs spektrumából a diffrakciós rács segitségével a 9P36, 9,6 7 ym-os hullámhoszszuságu lézerátmenetet választjuk ki, amelyik a methanol gőz, a távoli infravörös lézer erősítő anyagának abszorbciós spektru­ mával rezonanciában van. A methanol-abszorbció sávszélessége a lézerben használatos nyomáson 10 MHz. A gerjesztő lézer frek­ venciáját az átmenet közepén kell tartani a gerjesztés jó ha­ tásfokának és a távoli infravörös lézer frekvenciastabilitásá­ nak biztosítása miatt. Ehhez szükséges a CO lézer rezonátorhosszának ráhangolása az abszorbciós sáv közepére, és a hossz stabilizálása. Erre a PZT piezokerámiás mozgató egység ad lehetőséget. A stabilizálás külső Fabry-Perot interferometer csatolás­ sal történik. Az interferometer tükreinek a távolságát stabil hőmérsékleten tartott invar rudak biztositják. На а СО,, lézer frekvenciája elcsúszik az FP maximumhoz képest, a visszacsatoló áramkör /FB/ a rezonátorhosszat visszaállítja a rezonancia frek­ venciára. Ennek a módszernek az az előnye, hogy magát a lézert nem szükséges modulálni, csak a nyalábból a NaCl- lemezzel ki­ csatolt kisintenzitásu részét, igy a lézerrel végzett mérésben nem lép fel zavaró moduláció. Az igy elért hosszúidejű stabili­ tás MHz-en belül van. A C0~ lézer sugárzását az Ml, И2 tükrök és a ZnSe BS nya­ lábosztó segitségével a két távoli infravörös lézer rezonátorba fókuszáljuk az Ll és L2 ZnSe lencsékkel, a távoli infravörös lézer középen lyukas zárótükrén keresztül. P. távoli infravörös lézer vákuumrendszerét ZnSe-ből készült optikai ablakok /Wl és W2/ zárják le. A kicsatoló tükör kristályos kvarc hordozóra ké­ szített hibrid cükör, amely a pumpáló nyalábra 100%-osan ref­ lektáló dielektrikum tükör és erre párologtatott arany réteg, középen kihagyással. A távoli infravörös lézer rezonátorhosszát mechanikus rr.ozgatószerkezetteJ, olyan hosszúságúra lehet beállitani, hogy a rezonátorhossz álta] meghatározott működési frekvencia egybe­ essen az erősitósi vonai maximumával.

F. В. Optikai rocs

PZT

C0 Lézer

NaCM v

2

^

57

Ч

М1

lnvar

4

PZT

мл

-f-

Fl ^Чт У

F2

-{HE-NE |_

МЗ W1 AL.ZnSe

MetánБГ lézer

Hibrid kicsatoló' tükör

5.2.

ábra.

*F4

NaC12 H Det • ZnSe Fabry- Perot Interferometer BS

L ZnSe

3K W2 4

2

•г M2

lukas zárótükör

CO -methanol

i

л

lézer

rendszer

ГЛ I

2. ábra.

Erősítés

mérés

optikai

elrendezése

- 42 A két távoli infravörös lézerre azért van szükség, mert a tokamakon tervezett interferometer heterodin elven működik, a különbségi frekvenciát a két lézer rezonátorhosszában beállitott különbséggel lehet szabályozni, A lézer-rezonátorok hoszszát invar rudak tartják stabilan.

5.2. Mérések lézeraktív anyagon Az optikailag gerjesztett molekulalézerekben elérhető vi­ szonylag alacsony hatásfok /esetünkben 3% , ami az irodalmi ada­ tokhoz viszonyítva jó értéknek mondható/ molekula-fizikai folya­ matokkal magyarázható. A távoli infravörös lézerfolyamat gerjesztett vibrációs állapot rotációs nivói között megy végbe. A vibrációs gerjesz­ tési energia leadása csak a lézer falán tud történni, ennek a folyamatnak a lassúsága korlátozza a lézerfolyamat effektivitását. Néhány cikkben a szerzők arról számolnak be, hogy a lé­ zer teljesítménye megnőtt a lézeranyaghoz adott puffer gázok hatására, azaz a puffer gázok jelenléte gyorsítja a vibrációs energia leadását. Ennek a folyamatnak a tanulmányozására kezdtünk lézer erő­ sítési görbéket mérni a metanol és metanol-He keverékben. A mérés optikai elrendezése a 5.2. ábrán látható. A C0_ 2 lézer pumpálja a metanol lézert, a CO., 1 lézer pe­ dig az erősítő cellát, bobén hasonlóan a távoli infravörös lé­ zerhez, végbemegy az erősitőanyag optikai gerjesztése, csak a lézer rezonátor hiányzik, ezért a végbemenő folyamatok egysze­ rűbb feltételek között vizsgálhatóak. A metanol lézer sugárzá­ sát keresztül vezetjük az erosito cellában ugyanazon az utón, amelyen a pumpáló C0~ lézer halad. A metanol lézer frekvenciá­ ját a rezonátorba épitett piezokerámia segítségével az erősitési vonal sávszélessége tartományában változtatjuk, a vonal­ alakot méri a D» detektor, az erősítési cella végén pedig mér­ jük a hozzátartozó erősített jelet a D, detektorral. Fázisér­ zékeny erősitők után a D,/D~ jelet felrajzoljuk a methanol lé­ zer frekvenciája függvényében.

- 43 Az 5. 3. dbrdn az optimális metanol nyomás és az ehhez adott különböző nyomású He puffer gáz esetében mért erősítési görbék láthatók. Az erősítés a He hatására csökkent, láthatók a különböző nyomású tiszta methanol és methanol-He keverékhez tartozó erosités érték maximumok, és erositési görbe szélessé­ gek. Ezekből a mérésekből arra lehet következtetni, hogy a methanol hozzáadására megnövekedett lézer teljesítmény nem az erősítés megnövekedése, hanem más jelenség, pl. a telitési kü­ szöb megnövekedése hatására lett nagyobb.

Пои! CHjOH CHjOH

о • л "

He

2U) mTorr 2Wmlorr 240 mloi r ?iUmtorr

• 0 mtorr .45ürntorr . bOUmlorr . ÖOUmfurr

(MHz)

5.3.

ábra.

CH OH X

119 \im erőettéet

görbe

He puffer

gázzal

- 44 -

aílMHz! -ю

'**-» ^ - .

№

5.4.

ábra.

ID

tg

«U

Ш

Ю

Ki

100

W

Erősítés értékek és vonalezélességek és СП .011 + He /--/ esetében. О

«Л plirtorrl

CH OH /-/

- 45 A jelenségkör tisztázására további méréseket készülünk végezni, methanol és deuterizált változatainak, valamint egyéb távoli infravörös lézeranyagoknak a vizsgálatára, különböző puffer gázok al'calmazása esetén. Jelenleg a mérőrendszer tovább­ fejlesztésével foglalkozunk, a vákuumrendszert alakítjuk át, hogy a rendkivül drága izotópokkal való munkára is alkalmas le­ gyen, valamint a lézerek stabilizálásával a méréseket gyorsít­ juk, és gyors detektorok üzembe helyezésével kontrolláljuk a lézerek frekvencia viszonyait.

5.3. A távoli infravörös interferometer Az interferőmétérrel kapcsolatos kutatómunka az elmúlt két évben a távoli infravörös interferométerrel párhuzamosan működ­ tetendő látható interferometer tervezésére, előkészítő mérések végzésére koncentrálódott. A T-7 tokamakon végzett előkészítő mérések során ugyanis nyilvánvalóvá vált, hogy az interferome­ ter állvány mechanikus stabilitása nem elegendő a mérésekhez. A mechanikus rezgésekből adódó hibát a plazma-sürüség méréstől függetlenül meg kell mérni, és az igy kapott adatokkal korri­ gálni kell a mérési eredményt. A korrekciós mérések elvégzésére a He-Ne lézer 6328 A°-ös hullámhosszúságú sugárzásával működő heterodin interferométert tervezünk, amelyik a távoli infravörös interferométerrel azonos optikán halad keresztül. így az úthossz pontosan egyezik mind­ két interferőmétérben, de a plazma sürüségingadozásai által okozott járulék a 0,6 pm-es hullámhosszúságú fény esetében el­ hanyagolható a 118 jjm-es hullámhosszúsághoz képest. A heterodin interferométerhez szükséges második frekven­ ciájú sugárzást TeO» akusztooptikus modulátorral állitjuk elő. A modulátor 50 MHz frekvencián tud jó hatásfokkal működni, ezért a mérést 50 MHz különbségi frekvencián végezzük. A kiér­ tékelő elektronika alakítja át az eredményeket 1 HHz-esre, ameny nyi a távoli infravörös interferometer különbségi frekvenciá­ ja, A mérést kiértékelő Camac rendszer mindkét interferometer adatfeldolgozását azonos módon végzi.

V

CO, _Hí-NeI

S^MIT

He-Ne

NoCTfc

АОМ 4

^0

А

ч

*+

CHjOH

M

1

AI V

\.'ЬЗ**4<Л,

&-

О,VIS

J

M.3

м^л .V н= I 0= £_72

•

P

M

5.5.

dóra.

Egysugaras

kéthulldmhosszu.

^ 2 ViS

2

D 2 FIR e

interferometer

optika

- 47 A kéthullámhosszu, egysugaras interferometer optikai el­ rendezése az 5.5. ábvdn látható. A He-Ne-1 lézer jusztálja a távoli infravörös lézert, a He-Ne--2 jusztálja az interferométert és ugyanakkor fényforrása a látható interferőmétérnek. Az AOM akuszto-optikai modulátor a He-Ne-2 lézer u> frekvenciájú nyalábjából egy ш.+Дсо- frek­ venciájú nyalábot is előállít. Ez a két nyaláb az F, és F. féligáteresztő tükrökön keveredik a távoli infravörös lézerek ш. és w.+Au), frekvenciájú nyalábjaival. Az interferometer referencia-ága a Q, és Q~ lemezekkel kicsatolt nyalábok közötti lebegést képezi a D. _ és detektorokon. A mérőág keresztül halad a plazmán, visszafordul a plazma utáni saroktükrön /Cl/. A D_ ^ 2FIR ^ megjelenő lebegési jel fáziskésése a c illetve fázi­ sához képest tartalmazza a kívánt információt. Az interferometer konstrukciója folyamatban van, a kivi­ telezés a Kurchatov Intézettel koprodukcióban történik. 2

n

s D

n

g

l p I R

d e t e

t o r o k o n

n

l v I

l F I R

- 48 -

6. LÉZERPLASMA VIZSGÁLATOK /Földes István/ 6.1. Bevezetés Intenzív lézerimpulzust szilárd anyag felületére vagy gázba fókuszálva, magas hőmérsékletű, sürU plazma keletkezik. Ez a plazma sokkal sürübb, de ugyanakkor rövidebb élettartamú a tokárnak plazmánál. A lézerplazma vizsgálata éppen ezen az eltérő sajátságokért is érdekes, nem csupán jövőbeli lehetsé­ ges alkalmazásuk, a lézeres termonukleáris fúzió miatt. A lézerplazma vizsgálatok laboratóriumunkban az 1970-es évek végén kezdődtek, és f6képp egy érdekes nemlineáris folya­ mat tisztázására, a lézerfény plazmabeli önfókuszálása jelen­ ségének tanulmányozására irányultak. Az eredmények külföldi érdeklődést is kiváltottak, igy lehetővé vált közös kísérletek végzése a nálunk lévő kis lézereknél több nagyságrenddel inten­ zivebb lézerforrással rendelkező laboratóriumokban. Igen ered­ ményesnek bizonyultak a garchingi /NSZK/ Max-Planck-Institut für Quantenoptik jódlézerével végzett vizsgálatok, melyek a jódlézer 1,3 ym hullámhosszú fényét és annak 0,44 ym hullám­ hosszú harmonikus sugárzását használták lézerplazma kísérle­ tekre . Az ottani kísérletek célja intenzív, izotóp Planck-sugárzás keltése volt nagyteljesítményű lézerrel. Az energia inko­ herens röntgensugárzássá transzformálása lehetőséget ad arra, hogy egy objektumba egyenletesen pumpáljunk energiát, ami szá­ mos tudományos és technikai alkalmazás feltétele. Lehetőségek nyilnak a sugárzás magas hőmérsékleten való abszorpciójának és emissziójának vizsgálatára, sugárzási hidrodinamikai kísérle­ tek laboratóriumi elvégzésére és az anyag extrém nagy nyomáso­ kon való tanulmányozására. A 5.1 ábrán a Planck-sugárzás létrehozásának laboratóriumi sémája látható. A lézerfényt nagy rendszámú anyagból készült,

- 49 szilárd falu, mm méretű üreg belsejébe fókuszáljuk a falon lé­ vő lyuk/ak/on keresztül. A nagy energiájú sugárzás az üreg belső falát gyorsan felmelegíti és a fallal egyensúlyban lévő fekete­ test sugárzást hoz létre. A falról lepárolgó részecskék sebessé­ ge jóval kisebb a fotonokénál, igy lehetséges, hogy a sugárzási tér egy viszonylag üres üregben kialakuljon, még mielőtt a fal­ ról lepárolgó plazma megtöltené. Fontos, hogy ezen a magas hő­ mérsékleten a fal különböző elemei között az energiakicserélödés röntgen abszorpcióval és reemí.sszióval olyan nagy legyen, hogy az üreg belsejében a körülmények egyenletesek /szférikus/ legye­ nek még akkor is, ha az üveg falának kezdeti megvilágítása nem az. A falról való lepárolgást ablációnak nevezzük, a hő az úgy­ nevezett ablációs hőhullám formájában hatol be a falba, miközben a feketetest sugárzás az üreg belsejében létrejön. Hasonló folyamatok játszódnak le a Nap belsejében is, ahol a külső rétegek zárják be a sugárzás teret a központba. A napbeli sztatikus helyzettel ellentétben a laboratóriumi probléma erősen időfüggő. A Nappal való összehasonlítás egyúttal a leg­ fontosabb potenciális technikai alkalmazás, a lézeres termonuk­ leáris fúzió felé is mutat. A fúziós kapszulának közvetlenül a koherens lézer sugárzással való összenyomása nehézségekbe ütkö­ zik többek kőzött éppen az önfőkuszálás és más nemlineáris fo­ lyamatokban keltett forró elektronok okozta elöfütés miatt. A nehézségek elkerülésének egyik módja az, hogy a kapszulát közvetve, rövid hullámhosszú, inkoherens termikus röntgensugár­ zással nyomják össze.

6.2. Kísérletek A végzett kísérletek közül azokat emeljük ki, amelyekben a KFKI Plazmafizikai Osztály dolgozói is érdekelve voltak. Az egyik alapvető kérdés az, hogy az energiaelnyelés meny­ nyire egyenletes az üregben. A 0.2. ábra egy mindössze 2 \im falvastagságú üregből készített optikai árnyé4felvételeket mu­ tat. Az üreget 0,44 ym hullámhosszú fény fűti. Látható, hogy az üreg fala amelynek belsejét az ott keltett röntgensugárzás füti igen egyenletesen mozog kifelé. A szférikus alak és a belépőnyi:

-

6.1.

ábra.

50 -

Piának sugárzás keltése lézerrel üreg belsejében, A ma elérhetőnek tűnő hőmérséklet 5.10^ K, ami OT4 - 4.10l5 W/am^ energia fluxusnak felel meg. A Plánok spektrum maximuma ~0 6 nm-nél van. t

6.2.

ábra.

Optikai árnyképfelvételek a \ = 0,44 hosszú lézerimpulzussal fűtött 2 \im és 500 \im átmérőjű arany üregről a /-1 nsea/ és után /+7 neea/.

\\m hullám­ falvaetageágu lövés előtt

- 51 lás formája Л1ед 7 ns-mal a rövid, 300 ps hosszú lézerimpulzus be­ esése után is megmaradt. Az egyetlen eltérés a lézerrel közvetlenül megvilágított gyorsan mozgó felületeken van a belépő nyilassal szemben, amely egyúttal az üreget fűtő, kezdeti röntgensugárzás forrása is. A fal optikai és röntgen árnykápfelvételekkel mért sebessége megerősíti azt a feltevést, hogy a falat gyorsitó nyo­ mást a röntgensugárzás falba való diffúziója hozza létre. A kí­ sérletek 1 Tpa-nál is nagyobb nyomás-impulzus fellépését is igazolják. Az üreg plazmával való kitöltésének kellemetlen je­ lenségei akkor kerülnek előtérbe, ha a>. üreg méretét csökkent­ jük, pl. a nagyobb intenzitássürüség elérése érdekében. Külö­ nösen jelentős ez a hosszabb 1,3 ym hullámhosszú sugárzás al­ kalmazásakor. A hátsó falon a lézerrel fűtött rész itt nem kü­ lönböztethető meg sem röntgen, sem pedig optikai árnyfelvéte­ leken. Feltehetően az üreg és a belépő nyilas plezmával való kitöltődése erősen módositja a lézerfény terjedését. A megfi­ gyelhető kemény röntgensugárzást az üreg fala bocsátja ki, ame­ lyet az ezen esetben jelentős nemlineáris kölcsönhatásokban ke­ letkező gyors elektronok bombáznak. A lézerfény üregbeli abszorpciójának vizsgálata szintén megerősiti az üreg plazmával való kitöltődésének feltételezé­ sét az 1,3 ym hullámhosszú fénnyel végzett kísérletekben. A 6.3 ábrán látható, hogy a A = 1,3 ym fény abszorpciója egé­ szen 30%-ra esik, miközben az üreg átmérőjét 1 mm-ről 0,25 mmre csökkentjük. Ei;zel szemben az abszorpció igen nagy marad, még a legkisebb üreg esetén is X = 0,44 um fénnyel való besugár­ záskor, így megállapítható, hogy az infravörös, hosszú hullám­ hosszú fénnyel való fűtéskor nemcsak bonyolult fizikai jelensé­ gek játszódnak le, hanem a fűtés maga is kevéssé hatékony. Az üreg által kibocsátott lágy röntgensugárzást transz­ missziós rács spektrométerekkel vizsgáltuk. Az 1O00 vonal/mm-es rács egy 25 um átmérőjű lyukkamera aperturájára volt felvive, ami térbeli és spektrális felbontást tett egyszerre elérhetővé. Az időintegrált felvételeken a rács rudacskái egyik irányban felbontották a sugárzás spektrumát, a másik irányban pedig a térbeli eloszlás volt látható. A spektrumok alakja azt mutatja, hogy a lézerfluxust nö­ velve közelebb kerülünk a sugárzás és az anyag egyensúlyához,

-

02

ábra.

52

-

04 Об ur*9 6*mfrr#

OB Imfnl

10

X = 1,3 \im /о/ és \ = 0.44 \im / • / hullámhosszú abszorpciója az üreg átmérőgének függvényében.

\

02 01

-1

1

abszorbeált litt

4. ábra.

_l

1

05

I

10 w

ÍXRDU [XRD2{*I Jl

X—L.X-

fény

l_

50 ?

flu*us (10 »rg $-'cm- )

Sugárzási hőmérséklet függvényében.

az abszorbeált

lézerfluxus

- 53 azaz a Planck-spektrumhoz. A spektrumot meghatározó paraméter az abszorbált lézerfluxus. Amint a 6.4.ábra is mutatja, sem az üreg mérete sem pedig a pumpáló fény hullámhossza nem lényeges. A mért sugárzási hőmérséklet az abszorbált lézerfluxust is meg­ határozza. A 6.4. ábrán a sugárzási hőmérséklet mért értékeit a sugárzási hidrodinamika jóslataival is összehasonlitottuk. A ta­ pasztalt egyezés jónak mondható /az a egy paraméter, ami azt mondja meg, hogy az abszorbált energia mely része csatolódik a sugárzási, ablációs hőhullámba/. A vékony, 2 um falu üregekből készitett röntgen árnykép­ felvételek különlegesen érdekesek. A megvllágitó röntgenforrás a jódlézer kicsatolt nyalábjával egy segédtargeten keltett lé­ zerplazma, ami néhány us késleltetéssel a fő nyalábhoz képest szintén egy rövid, mintegy 500 ps hosszúságú röntgenimpulzussal világította át az üreget. Első izben sikerült olyan megvilágító forrást létrehozni, amely intenziven bocsátott ki nagy, 8 keV energiájú fotonokat. Ezekre a fotonokra a 2 um falu üregek át­ látszóvá válnak, az üregek belsejébe is bepillantást nyerhetünk. Az üregen keresztülhatoló röntgensugárzás gyengülése mérhető, igy felhasználható azt a már emiitett megfigyelést, hogy az üregek tágulása alapvetően szférikus, a sűrűség eloszlás is meg­ határozható. A gyengülés ugyanis a sűrűség vonalintegráljától függ, igy a sűrűségeloszlás Abel-inverzió segítségével kapható meg. A 6.5, dbrdn láthatók a számitógéppel feldolgozott árnyképfel­ vétel azonos megvilágító intenzitás görbéi, a szaggatott vonal mentén a felső félgömbön számított sűrűségeloszlás. A felvétel 3 ns-mal a fűtő lézerimpulzus csúcsa után készült, A = 0,44 um volt. Látható, hogy a kifelé mozgó fal egy sürüségmaximumot je­ lent. Az üreg belseje nagymértékben tartalmaz a falról lepárolgott anyagot. Ilyen nagy ablációt csakis a sugárzási hővezetés okozhat. A külső falnál a sűrűség lecsengése korántsem derék­ szögű, igy megérthető, hogy a csak alacsonyabb sűrűségbe beha­ tolni képes látható fénnyel készült felvételek miért adnak a röntgenfelvételeken tapasztaltnál némileg nagyobb sebességet. Figyelemre méltó, hogy a mért sűrűség mintegy két nagy­ ságrenddel a szilárd test sűrűség alatt maradnak. Ez ellentét­ ben van a számitások és szimulációk jóslataival, amelyek azt

- 54 jósolták, hogy a fal külső, főképp lökéshullámmal fűtött része viszonylag hideg, kondenzált állapotú marad. A jelenséget a fragmentáclő jelenségével magyarázzuk. A kondenzált állapotú fal nem képes ellenállni a Tpa nagyságrendű nyomásnak. Nem tá­ gul, hanem apró darabokra roppanva repül szét. A fragmentálódó részek között az üreg belsejében lévő sugárzás egyre nagyobb felületet Is világíthat meg, igy a törmelékeket hatékonyabban fütheti. Ezt nevezzük fragmentáclő által megnövelt sugárzási előfütésnek. A vizsgálatok megmutatják, hogy a jelenlegi szi­ mulációk, hidrokődok még nem elegendők a lézerplazma jelenségek teljes megértéséhez, hisz a pontos állapotot, a fázismeneteket nem tartalmazzák megfelelően.

too

6.5.

ábra.

-loo

о

too

»oo

too

wo

Röntgen árnyképfelvétel izointenzitds görbéi /a/ és a szaggatott vonal mentén a felső félgömbön Bzdmitott sűrűség eloszlás \ - O 44 um At = 3 пвее és I = 2.10 W/cm mellett. t

1Ъ

2

- 55 -

6.3. összefoglalás és perspektívák A lézerrel keltett Planck-sugárzás lehetséges alkalmazásai igen széleskörűek, de ezen a téren mind ez ideig csupán néhány kísérletet ismerünk. Általános tapasztalat, hogy a hosszú hul­ lámhosszú lézerek nem alkalmasak röntgensugárzás keltésére, mivel a nemlineáris kölcsönhatásokban keletkező forró elektronok oly mélyen hatolnak a falba, hogy sugárzás hatékony keltése már nem lehetséges. Célszerű a rövid hullámhosszú /excimer/ lézerek vagy a nemlineáris kristályokkal megtöbbszörözött frekvenciájú lézer­ sugárzás alkalmazása hatékony röntgenkonverzióhoz és lézeres fúzióhoz egyaránt. A kisérletek megmutatták, hogy a sugárzási hővezetés való­ ban dominál nagy rendszámú anyagok esetén. A megfigyeléseket az elmélet alapvetően helyesen irja le. A röntgen árnyképfeJvételek megfigyelései arra figyelmeztetnek, hogy az egzakt állapotegyen­ letek figyelembevétele, ismerete kulcsfontosságú lehet a gyors lézerplazma folyamatodban is.

- 56 -

7. AZ MT-1 TOKAMAK MODERNIZÄCIÖJA - TERVEZÉS - FEJLESZTÉS /Bürger Gábor/ 7.1. Előzmények. A modernizáció célkitűzése és időbeli szakaszai Az MT-1 tokamakot a leningrádi "Jefremov" Elektrofizikai Eszközök Intézetével és a moszkvai "Kurcsatov* Atomenergia In­ tézettel együttműködésben 1979-ben helyeztük üzembe a KFKI-ban, аг első plazmafizikai, diagnosztikai mérőberendezésekkel pedig 1980-ban kezdődött el a fizikai kisérleti munka. A következő években megtörtént a tokamakon való kisérleti munka megtanulása, az alapvető plazmafizikai mérések elvégzése az adott tokamak-plazmán. Ezzel párhuzamosan technikai fejlesztések is történ­ tek: a vákuumrendszer korszerűsítése, a transzformátor-vasmag cseréje, a toroidális tekercs nagyáramú kontaktusainak átszer­ kesztése és átépitése, a piezoszelepes gázbeeresztő rendszer elkészitése. Ezek a technikai fejlesztések növelték az adott tulajdonságokkal rendelkező tokárnak használhatóságát és meg­ erősítették üzembiztonságát. Az első évek fi2ikai kisérleti munkái során kialakult és megerősödött az a felismerés, hogy a nemzetközi plazmafizikai kutatásokba való hatékony bekapcsolódás állandó követelménye szükségessé teszi a magyar tokamak-berendezés modernizációját, azaz a mai és várható jövőbeli követelményekhez való hozzáiga­ zítást a tokárnak alapvető paraméterei tekintetében is. Ez azt jelenti, hogy a modernizációnak a következőkre kell irányulnia: - lehetővé kell tenni jóval nagyobb számú plazmadiagnosz­ tikai berendezés egyidejű hozzácsatolását a tokamakhoz, különös tekintettel a vízszintes diagnosztikai csator­ nák számának növelésére, - a plazmakisülés időtartamát körülbelül a kétszeresére kell növelni.

- 57 A gazdasági lehetőségek és a gyakorlati kivitelezhetőség korlátai szükségessé tették a tervezett munka két szakaszra való dőbeli ütemezését. Ez a két szakasz tartalmilag megegye­ zik a célkitűzések fenti két pontjával. Az első szakasz az 1986-1988 évekre szóló munkát jelenti, a második szakasz 1989ben kezdődhet. Ezt a célkitűzést és időbeli ütemezést 1985-86-ban fogal­ maztuk meg, gyakorlati megvalósítása pedig része lett a moszk­ vai Kurcsatov Intézettel és a leningrádi Jefremov Intézettel az 1986-1990 évekre szóló együttműködésünknek a plazmafizikai ku­ tatások és ezek mérésautomatizálása terén. Л következőkben összefoglaljuk az MT-1 tokárnak jelenlegi és a modernizációval tervezett főbb paramétereit: A kisülési kamra nagy sugara kis sugara limitersugara

R r a

0,4m 0,1 m 0,O9 m

0,4 m 0,135 m 0,125 m

12 db

24 db

1 db

5 db

Plazmakisülés időtartama " " platója

8,5 ms 3,5 ms

20 ms 12 ms

Toroidális mágneses tér időtartama

30 ms 10 ms

46 ms 18 ms

Diagnosztikai csatlakozónyilások száma ezen belül a nagyméretű vízszintes csatlakozási lehetőségek száma

platója

7.2, A modernizáció első szakasza feladatainak részletezése Az első szakasz fő célkitűzése a kisülési kamra cseréje. Az ebből adódó részletes feladatok onnan erednek, hogy a több és nagyobbméretü diagnosztikai nyilas csak akkor helyezhető el az uj kamrán, - ha elhagyjuk a plazmafonál egyensúlyban tartására szol­ gáló vörösréz köpenyt, amely eddig körülvette a kamrát, - ha változtatunk a toroidális tekercs egyes íreneteit öszszefogó sinezésen,

- 58 - ha «sédositjuk néhány helyen a toroidális tekercs mene­ teinek vastagsági méretét. A faladatok további nagy hányada magának a vörösréz kö­ penynek az elhagyásából adódik. Ugyanis az általa létrehozott plazma-egyensulyozó hatást külső mágneses terek alkalmazásával kell biztosítani és ez azt jelenti, hogy - érzékelő tekercseket kell elhelyezni a kamrán a plazma mindenkori helyzetének követésére, - nagyáramú tekercseket kell szerelni a tokamakra a szük­ séges irányú mágneses terek létrehozására, - a különböző áramokhoz megfelelő kondenzátortelepek, töTt5- éz tápegységek szükségesek, - a változó irányú mágneses teret létrehozó tekercs áramirányának gyo^'s átkapcsolásához nagyteljesítményű és gyorsműködésű tirisztoros kapcsolórendszert kell épí­ teni, - gyorsműködésű elektronikát kell épiteni az egész vissza­ csatolt folyamat szabályozására. E feladatok l.özül részletesebben a plazmahelyzet vezérlé­ sére szolgáló mágneses terek rendszerét ismertetjük: Л plazmagyürü egyensúlyának, azaz a plazma helyzete hatá­ rok között tartásának az az alapproblémája, hogy két hatás is elősegíti a plazmagyürü tágulását, tehát R sugarának növekedé­ sét. Az egyik a plazma kinetikus gáznyo.nása, a másik az, hogy az elektrodinamika törvényei szerint az áramtól átjárt vezetőre /és a plazma ilyen vazetőközeg/ mindig olyan erő hat, ami önin­ dukcióját növelni, azaz a plazmagyürü esetében sugarát növelni igyekszik. Ezen hatások ellenében olyan erőhatást kell alkal­ mazni, amely egy megfelelően megválasztott külső mágneses tér és a plazmában folyó áram kölcsönhatásában keletkezik. Ezt a külső mágneses teret létrehozhatják a plazmát körülvevő rézkö­ penyben а plazmaáiam mozgásának hatására keletkező örvényáramok, de ha rézköpeny alkalmazására nincs lehetoseg, akkor külön kül­ ső tekercsekkel kell előállítani a plazmegyiirU síkjára merőleges irányú mágneses teret. Ez történik аз МТ-1 tokárnak modernizáció­ ja esetéten is.

- 59 -

VT HVT KVT KT

kaara toroid. tekercs iap#transzf.

Tekercs* Jole:

VT KVT HVT KT

7. J.

dbva.

Menete zárna:

36 16 16 16

A x>laama-vez
шах Зоо loo 3o 3o

Gs Ge Gs Gs

elek tromáqnesee

max 26oo 15oo 37o 35o

A A A A

rendezere.

- 60 Az alkalmazandó külső tekercsek elrendezését és azok ada­ tait a 7.1. ábra mutatja. A plazmát egyensúlyban tartó mágneses tér két tekercs te­ rének eredőjeként jön létre: a "VT" vezérlő tekercs a merőle­ ges mágneses tér fő. összetevőjét adja, mig a "KVT" korrekciós tekercs a plazmagyürü pillanatnyi mozgásának megfelelően módo­ sítja az eredő mágneses tér pillanatnyi nagyságát. A másik két külső tekercs közül a "HVT" jelű a plazma síkjába eső, horizon­ tális mágneses teret állit elő a függőleges irányú helybentar­ tásra, a "KT" jelű viszont a tokárnak impulzus-transzformátora szórt mágneses terének kompenzálására szolgál. Ezen mágneses tekercsek összehangolt üzemének szabályozá­ sára szükséges elektronikus áramkörök blokksémáját mutatja a 7.2. ábra. A plazmagyürü pillanatnyi helyzetét detektáló mérő­ tekercsek jelét feldolgozó egységek végül egy tirisztoros kapcsolóhidat vezérelnek, amely а "КУТ" korrekciós vezérlő tekercs­ ben állit elő változó irányú gerjesztőáramot. A többi tekercs áramát is megfelelően idozitett tápáramkörök hozzák létre.

7.3. A modernizáció első szakaszában elvégzett munkák 1986 márciusa és 1987 szeptembere között a szovjet partner 7 egyeztető tárgyalás keretében egyrészt átadta a KFKI-ban ki­ vitelezendő részegységek részletes specifikációját, tervezési éa kivitelezési követelményeit, másrészt egyeztette a magyar partnerrel az uj kisülési kamra tervezési követelményeit. Ezek alapján - a magyar partner megtervezte és kivitelezte a plazmohelyzetvezérlés elektronikus áramkörei döntő részét je­ lentő analóg jelfeldolgozó és digitális vezérlőegységeket, - a szovjet partner elkészítette és átadta az uj kisülési kamra konstrukciós tervdokumentációját, amely tartalmaz­ za a kamra összes föméretét és minden lényeges szerke­ zeti megoldását. /A kamra elrendezését és főbb méreteit a 7.3. dbva mutatja./

HVT

г»

» ч

re э з rfr* )» 1 --*

ппыьа: .»_к>1. h e l y i é t értékel?

ük

teszt

h

i

r - időzít*lelek

7.2. ábra. A plazma-vezérlés

elektronikus

szábályzisánaV.

blokksémája.

- 62 -

, diagn.nyilasok

Valamennyi függőleges diagnosztikai cs5 végén ceeppalaku nyilas van, a rendelkezésre álló hely teljes ki­ használására.

7.3,

ábra.

A tervezeti u,j kieiXléni és fő méretet.

kamra

elrendezésié

- 63 1988-ban a munka folytatódik - a magyar partner részéről az erősáramú és elektronikus áramkörÖK folytatólagos tervezésével, kivitelezésével és bemérésével, - a szovjet partner részéről a kamra elkészítésének meg­ kezdésével. 7,z elrészitett és még elkészítendő egységek birtokában az MT-1 tokárnak ácszerelését 1988 végétol 1989 közepéig tervezzük.

- 64 -

8. AZ MT-1 TOKAMAK MÉRŐ ÉS ADATGYŰJTŐ RENDSZERE /Giese Piroska/ Az Mt-1 tokárnak mérő és adatgyűjtő rendszer jelenlegi kiépitésben funkcionálisan két részből áll: - adatgyűjtő rendszer, - adatfeldolgozó rendszer.

8.1. Adatgyűjtő rendszer Az adatgyűjtő rendszer feladata a mérések vezérlése, az adatgyűjtés, napló? - és a nyers feldolgozatlan adatok megje­ lenítése, amit egy 3 CAMAC keretből álló brancli-os ICC rendszer hajt végre. Az ICC rendszer az intelligens keretvezérlőn kivül tároló modulokat /56 К RAM, 8 К APROM/, egy floppy diszk inter­ face-t, egy "ITOH" matrix printer interface-t és egy soros input/output interface-t tartalmaz mint a rendszer "intelligen­ ciája" és periféria illesztői. Maga az adatgyűjtő rendszer különböző tipusu A/D converterből /10 íjsec-os, 1 ysec-os és nukleáris ADC/, 16 csatornás mul­ tiplexerből és órajel generátor CAMAC modulokból áll. A mérésvezérlési feladatok ellátásához a tokárnak vezérlő asztalában elhelyezett fő idozitőrendszer és a mérésvezérlő időzitő rendszer közötti kapcsolatra optoleválasztással ellá­ tott CAMAC parallel input regiszter szolgál. A naplózás elősegitésére egy naptár és óra modul áll ren­ delkezésre /8.1. ábra/. A mérőprogram az ICC DOS-80 floppy diszkes operációs rend­ szere alatt működő BASIC interpreter nyelven készült, ami kellő rugalmasságot biztosit, azonban relativ laosu. Az ebből adódó problémákat egyrészt az un. gyors mérések hardware vezérlésű autonom lefolytatásával, valamint gépi kódú szubrutinok beik­ tatásával oldottuk meg. 5

ADATFELDOLGOZÓ RENDSZER (ТРА 11-48) --

ТРА 11-440

IW5—

FRONT

- 65 -

Q

Sz TFO

_ ETHEPINET

ТРА 11-440

1

Q

ó

и о TT(adU)

PCßidb.)

6 три 3 input 8 nput ?4 nput

AOATGrÜJTÖ RENDSZER (ICC,)

B-1. C-2 crotehez

MT-1 VEZÉRLŐASZTAL

в. f.

ábra.

Tokárnak

mi'vor enden

er

- 66 -

Bevczetb párbeszéd

szegmens

Mérés

Mérés utáni párbeszéd

С

Naplózási és mérés eMelmezÄ információ

Mérési odatok

Kisülés száma, időpontja displayre Megjegyzés Naplózás printeren

szegmens Adatátvitel

Információk átvitele a TPA 11-48 discjére

—e

Display 3. szegmens

8.2.

ábra.

ICC mérőprogram

funkcionális

felépítése

és

működése

- 67 A mérőprogram funkcionálisan 5 fő részből áll, amelyek há­ rom egymáshoz láncolt szegmensben helyezkednek el /8.2. ábra/: -

mérés előtti párbeszéd mérés előkészités, mérés mérés utáni párbeszéd adatátvitel display csomag

1. szegmens 2. szegmens 3. szegmens

Egy-egy mérési sorozatot az adatok értelmezéséhez szüksé­ ges mérés előtti párbeszéd előz meg, ennek során rögzitésre kerül a mérő személyek neve, az ADC-k csatorna kiosztása, lövés száma. Emellett előkészítésre kerül a naplózás is. A mérés előkészítése a mérőmodulok programozott méréskész állapotba helyezéséből áll. Maga a mérés három fázisból tevődik össze. Az első fázisban a tokárnak vezérlő asztaltól kapott "-3 sec" jel hatására a lassú mérőrendszer 8 csatornában meg­ méri a kisülés paramétereit, valamint egyes diagnosztikai para­ métereket közvetlenül a kisülés előtt és az eredményeket egy array-ben tárolja. A második fázis alatt zajlanak le a kisülés alatti méré­ sek. A mérésvezérlő időzitő rendszer a beállított időportban mintegy 20 msec időtartamra feloldja a mérő keret letiltott /"inhibit"/ állapotát, igy a CAM 4.31-11 modul ismenetein azon­ nal megjelennek a 10 usee ismétlődési idejű mintavevő jelek. A beállított késleltetési idő elteltével az 1 psec ismétlődési idejű mintavevő jelek a 3 csatornás gyors ADC megfelelő bemene­ teire kerülnek. A mérési eredmények még a mintavételi ciklusidő alatt tá­ rolódnak a CAM 4.31-11-ek csatornánként 8 kbyte kapacitású beépitett pufíermemóriáiban,- illetve a 3 csatornás gyors ADC-hez csatlakozó, csatornánként 4 kbyte kapacitású CAM 2.20-2 memóriá­ ban. A mintavétellel eqyidőben a statisztikus jelek amplitudóanaiizisére is чог kerül а САМ 4.31-11 modullal, melynek ered­ ménye a modul memória szektoraiban tárolódik előre programozott időablakoknak megfeleloen. Az időzitési viszonyok а 8.Л. dbvdn láthatók.

- bb

& ksulés f'ó\b lassú ~ mérések *r> ~2sec 1—

I

:i.:q.

-

V

ksülés utáni lassú mérések

so

-2 sec

3sec

-2 -30 msec

i/" о jo

l

t

4 csúcsmérő ADC ídoablakai

i—»-

.

:

-« 1/üsec-os ADC mérése UOSG adót /esc torna)

tyjsec-os ADC késleltetése

/jsec-os ADC к tárolásra kerülő

(max 9999 jfjsec)^ I ~ юдл: Késleltetés 6msf B'-l

'adatainak (1080/csatorna) rögzítése C-1

inhibit

-8

óüopot ( e l o l d v a : mérés ~?Qms T

10

,íi>

7Y,/'„,,,,/.

/:•/.://•/.

idi":'. í f.dr. í

V ír,

г.опцаъ

20 msec

- 69 A harmadik fázis mintegy 1 másodperccel az "inhibit" ál­ lapot elérése után kezdődik. Ennek során a rendszer megismétli az első fázis "lassú" méréseit és az eredményeket ismét tárolja. A mérés utáni párbeszéd során megjegyzés fűzhető a lezaj­ lott kisülés adataihoz, majd a program az aktuális kisülésre vonatkozó információkat a mérési naplóra kinyomtatja és el6késziti az adatátvitelt. Az adatátvitel során egyrészt a naplózáshoz és a tényleges mérési eredmények értelmezéséhez szükséges ínformáció, másrészt a mérési eredmények kerülnek át a TPA 11-48-ba és tárolódnak a diszken. A kétféle információ külön-külön file-ba kerül; a file neve egyértelműen meghatározza, hogy melyik kisüléshez tartozó milyen információt tartalmaz. A DISPLAY programcsomag az egész mérőprogramnak nem része, csak kiegészítése; hivása csak kívánatra történik. Segítségével a mérőrendszer CAMAC alrendszerében aktuálisan tárolt informá­ ciók numerikus, illetve grafikus formában megjeleníthetők.

8.2. Adatfeldolgozó rendszer Az adatok tárolása, feldolgozása és a nyers vagy feldol­ gozott adatok szükség szerinti megjelenítése a TPA 11-48-as számitógépen történik. A TPA li-48 512 К szó memóriával és összesen 60 Mbyte diszk háttértárral /1 db PERTEC 3481 - 20 Mbyte, ami az operá­ ciós rendszert tartalmazza és 40 Mbyte Winchester tipusu diszk a felhasználók számára/ rendelkezik. A konfigurációhoz tarto­ zik még: -

2 db CM 5400-s diszk, 2 db CM 5303 tipusu mágnesszalag egység, 1 db CALCOMP 84 tipusu plotter, 1 db VIDEOTON sornyomtató, 1 db 16 csatornás aszinkron multiplexer terminál csatlakozásra.

A terminálok két csoportját különböztetjük meg: - passzív terminál /VT52, VT]00, VT240/, - intelligens terminál, azaz személyi számitógép.

- 70 A terminálok, helyi elrendezés szempontjából lokálisak, közvetlenül a számitógép mellett vannak elhelyezve ill. távo­ liak, a dolgozó szobákban kihelyezett terminálok. A TPA Il-48-on az RSX llM-plus V 2.1 operációd rendszer fut. Az adatfeldolgozó és megjelenitő ill. rajzoló programok PASCAL programnyelven készültek. A nyers adatok hosszutávu tárolása mágnesszalagon történik.

8.3. ICC-TPA kapcsolat Az ICC és TPA 11-43 számitógép közötti összeköttetés biná­ ris és ASCII formátumú adatok átvitelét teszi lehetővé. A ré­ gebbi változatban az átvitel soros vonalon tőrtént, ami a mint­ egy 60 Kbyte átviendő mért adatmennyiség esetén nagymértékben lelassította /max. 180 sec/ a mérőrendszer működését. Ezért a LOCHNESS intézeti hálózat installálása után a mérőrendszerben is áttértünk a LOCHNESS használatára. Az adatátvitel időtartama igy a jelenlegi maximális adatgyűjtés esetén mintegy 40 sec-ra csökkent. Az ICC-ben az LNCC /Local Network Communication Control/ modul kiszolgálását az alapmonitor bővitett változata VER 8.3-L valósitja meg, ahol a file átvitel az LNCC modulon keresztül, mig az RSX terminál üzemmód a soros vonalon CAM 3.04-1 keresz­ tül történik. A TPA-ban az RSX M+ operációs rendszer alá egy hálózati taszk került kifejlesztésre a file átvitel megvalósítására, mig a terminál üzemmód esetén az ICC az RSX rendszer MCR /monitor consol routine/ taszkjával áll kapcsolatban. A LOCHNESS üzembe helyezése ezen túlmenően lehetővé teszi a TPA felhasználók számára az intézeti hálózatba bekapcsolt egyéb számitöyápek erőforrásainak is a használatát, az R45-s géphez ill. az ETHERNET hálózatba bekapcsolt VAX gépekhez való hozzáférését is ugy a passziv mint az intelligens terminálok­ ról. A személyi számitógépek TPA-val való kapcsolata a terminál üzemmód mellett egy a TPA-n keresztül történő adatforgalmat is biztosit a KERMIT programcsomag segítségével.

- 71 8.4. Tervek A következő időkben a számítógépek és PC-k közti kapcsolat és háttérroemória fejlesztése szükséges, tekintettel a nagy informáciöhozamu mátrix detektorok üzembehelyezésére. A nagymeny­ nyi ségü adat feldolgozása nagyobb teljesítményű géphez való hozzáférést /VAX/ is szükségessé teszi.

- 72 -

9. NEMZETKuLl KAPCSOLATOK, EGYÜTTMŰKÖDÉSEK /Bakos József/ 9.1. A legkiterjedtebb kapcsolat a Szovjetunió Állami Atomenergia Bizottságával megkötött szerződés alapján a Kurchatcv Atomenergia Intézettel és a leningrádi Jefremovr Intézettel van, mely szerződés 1980-1990 periódusra érvényes. Az ötéves r.mnkaterv lebontásával éves tervek alapján - közös mérések folynak Moszkvában a Kurchatov Intézetben a T-13 és Budapesten az MT-1 tokamakon, - két diagnosztikai berendezéssel /távoli infravörös interfero;iietria és lágyröntgen diagnosztika/ veszünk részt a jövőben meginduló T-15 tokárnak mérési program­ jában, - a leningrádi Jeíremov Intézettel közösen modemi-íül-juk az MT-1 tokamakot, - ö Kvrchatov Intézetben és a Jefremov Intézetben besu­ gárzott jelanyag mintákat analizáljuk Budapesten mayfizikai módszerekkel. 9.2. Nagy tradiciókkal rendelkező kapcsolat füz bennün­ ket a moszkvai Általános Fizikai Intézethez, amellyel MTA-SZUTA megállapotás alapján - rezonancia fluoreszcenciós közös mérések folynak Moszk­ vában, - közös mérések vannak a lézerplazma fizikája területén, - együi-tmüködés van a távoli infravörös lézerek fizikája és alkalmazása területén. 9.3. Ugyancsak MT/\-S2UTA megállapodás alapján együttmű­ ködés van a leningrádi Joffe Intézettel - a rezonancia fluoreszcencia diagnosztika területén, - valamint a plazma stabilitás vizsgálatok területén.

- 73 9.4. Az MTA - szocialista akadémiák többoldalú együttműkö­ dése az "Energetika fizikai és műszaki problémái" közös problémabizottság keretében együttműködés és közös mérések vannak a moszkvai Magashőmérsékletek Intézetével - a szubmiIliméteres lézerek fejlesztése, felhasználása és optikai anyagainak területén. 9.5. MTA megállapodás keretében együttműködés van CsSzK Plazmafizikai Intézetével /Prága/ - tokárnak plazma kezdeti szakaszának vizsgálatára, valamint - lágyröntgen diagnosztika területén. 9.6. Igen jelentős az együttműködésünk és közös méréseink vannak az MT-1 tokamakon a Zentralinstitut für Elektronenphysik munkatársaival - a plazma periféria vizsgálata területén depoziciós és eróziós problémákkal, - valamint a plazma periféria detektor mátrix-os spektrosz­ kópiai d.ragnos7tikája területén. 9.7. A garchingi Max-Planck-Institute für Plasmaphysik /t'iünchen NSZK/ Intézettel két témában működünk együtt államkö­ zi megállapodás alapján, mégpedig: - tokárnak plazma, lézeres diagnosztikája, - plazma konfigurációk elméleti számolása. 9.8. A garchingi Max-Planck-Institut für Quantenoptik In­ tézettel már sok éves tradicionális MTA DFG megállapodás alap­ ján van közös munkánk - lézerplazma-lézerfény kölcsönhatása, illetve lézerplazma diagnosztikája témában. 9.10. A TU Wien egyetemmel államközi megállapodással sza­ bályozott együtl működésünk vas. - az atomsugár diagnosztika területén. 9.11. Az insbrucki egyetemmel államközi megállapodatban rögzített együttműködésünk van és kutatókat fogadunk •• a tokárnak plazma vizsgálata területén.

- 74 9.12. A bécsi Nemzetközi Atomenergia ügynökség megbizást adott résziinkre - lithium lézer gyorsított atomsugár diagnosztika vizsgá­ latára és kidolgozására. 9.13. A bukaresti Laser és Sugárzások és azok alkalmazása Intézettel több évre visszamenő közös publikációkat eredményező együttműködésünk van - a lézerek alkalmazása a plazmadiagnosztikában, valamint - a lézerfény-lézerplazma témában. 9.14. Együttműködésünk van az NDK rossendorfi ZfK Intézettel - szilárd anyagok nukleáris analízise témában. Együttműködéseink jó része közös munka végzését jelenti, amely az együttműködések legmagasabb foka. A még viszonylag passzív információk kicserélésére szorítkozó együttműködés is sokszor válik hirtelen aktivvá, közös munkává, ahogyan azt eddigi tapasztalataink mutatták.

- 75 -

10. TERVEINK /Bakos József/ A 2. fejezetben elmondottak szerint au MT-1 tokamakon - legalábbis a közeljövőben - a plazma perifériájának vizsgá­ lata az, amely leginkább perspektivikus. Ezért ezen vizsgála­ taink egyre kiterjedtebb folytatását tervezzük. Ezen vizsgála­ tokhoz uj eszközök és diagnosztikai módszereket fogunk hasz­ nálni. Ezek közül a legfontosabbak a következők: - A látható spektrumtartományban CCD tipusu detektorokkal és detektormátrixokkal fogjuk tanulmányozni a neutrális atomok és az ionok spektrumvonalainak térbeli és idő­ beli eloszlását a plazma periféria tartományában. - Hangolható festéklézerek segítségével tanulmányozni fog­ juk a neutrális részecskék áramlását a plazma periféria lecsengő részében /SOL/. - Részecske transzport folyamatokat fogunk vizsgálni léze­ res blow-off módszerrel, gáz befujással bejuttatott jel­ ző atomok segítségével és CCD kétdimenziós /kép/ mérési technikával /lásd 1. pont/. - Mérni fogjuk a határplazma szerkezetét Langmuire pró­ báknál, Mach próbával, neutralízáló lemezekkel a torusz különböző helyein térben és időben. - Vizsgálni fogjuk az intrinsic és extrinsic szennyező atomok áramát depoziciós próbákkal tér és időfelbon­ tásban. - Vizsgálni fogjuk a plazma periféria szerkezetét lágy­ röntgen és látható tomográfia módszereivel. - Vizsgálni fogjuk a tokárnak plazma szerkezetét limiter közelben különféle mérőszondákkal felszerelt limiterrel, spektroszkópiával és lézeres módszerekkel.

- 76 - Tanulmányozzuk az edény fala szerkezetének változását a plazma-fal kölcsönhatás eredményeként nukleáris módsze­ rekkel . - Különféle terekkel /mágneses, elektromos/ perturbáljuk a plazmát, hogy viselkedését megismerhessük illetve be­ folyásolni tudjuk. - Szimuláló kísérleteket végzünk gyorsító felhasználásával az energetikus sugárzás anyag kölcsönhatás tanulmányozá­ sára. Mindezen fent felsorolt mérésekhez uj diagnosztikai esz­ közöket és eljárásokat, módszereket dolgozunk ki, éspedig - Folytatjuk a távoli infravörös lézerek fejlesztését és tanulmányozását. - Uj interferometriás elrendezéseket dolgozunk ki a távoli infravörös tartományban. - Uj lézeres anyagösszetétel meghatározó módszert dolgozunk ki /rezonancia ionizációs spektroszkópia/, mely lényege­ sen érzékenyebb az eddig használt nukleáris módszereknél egyes meghatározott «соток detektálása esetén. - Fejlesztjük a nukleáris részecske gyorsitó felhasználá­ sával

dolgozó anyagvizsgáló módszereket.

- Fejlesztjük tokamakunkat, hogy lehetővé váljon a fenti mérések végrehajtása. Első lépésben a vákuumkamrát cseréljük ki, hogy megfelelő mennyiségű diagnosztikai nyilasunk legyen. Második lépésben meghosszabbítjuk a tokamik kisülésének idejét, hogy a plazma egyensúly kialakulhasson. - Fejlesztjük számológépes adatgyűjtő rendszerünket, hogy képes legyen fogadni a többcsatornás mérőrendszerek /CCD mátrix, röntgen tomográf, Langmuire probe array/ nagy információáramat és kellő sebességgel digitalizálni tudja a jeleket /gyors hullámalak analizátorok/. Ez meg­ követeli az adatok gyors átvitelét és megfelelő tároló­ kapacitás meglétét. Az adatok feldolgozásából gyorsabb számológépre is van szükség /VAX/ illetve hozzáférési lehetőségre gyors vonalon. A mérés és adatfeldolgozáshoz

- 77 egymással és nagyobb számitógéppel kommunikáló személyi számitógépek rendszerét dolgozzuk ki és használjuk fel. Mindezen munkánk eredményeként azt várjuk, hogy megismer­ jük a plazma határrétegének szerkezetét és a benne lezajló fizikai folyamatokat. Ennek az ismeretnek birtokában olyan kon­ figuráció megtervezésére nyilik lehetőség, mely a plazma ener­ giatárolási idejének meghosszabbítását teszi lehetővé. Mindezen ismeretek alapján jobban megértjük a plazma és szilárd anyag kölcsönhatását. Ezen ismeretek mindenhol felhasz­ nálhatók lesznek, ahol ilyen kölcsönhatás fellép, azaz a plazma gyakorlati felhasználásainál is. Kísérleteket fogunk végezni továbbá fontosabb plazmafizi­ kai alapjelenségek tanulmányozására, megismerésére külön labo­ ratóriumi összeállításokban, hogy pl. a tokárnak méréseinket ér­ telmezni tudjuk.

- 78 -

11. PUBLIKÁCIÓK JEGYZÉKE V.N. Bunin, M.I. Guseva, S.M. Hjukaleykij, Yu.V. Stepantskov, I». Varga, E. Kótai, G. Mezey, F. Pászti: Osobennosty raspülenija Ft-Cr-Ni splavov, soderzasih primes! tjazelüh eleroentov /in luspUn/. /Sputtering Studies of Fe-Cr-Ni alloyes due Heavy Ion Implantation./ Proc. of the 3 All-Üniuon Conference on Re­ search ?rd Working out of Construction Materials for Nuclear Fus;.on Reactors, Leningrad, 20-22 Nov. /1984/. Atomnaia. Ejieroia. 60 /1986/ 210. F. laszti, E. Kótai, G. Mezey, A. Manuaba, L. Poes, 0. :i.'.ldebrandt, H. Strusny: Hydrogen and Deuterium Measurements bv elastic Recoil Detection Using Alpha Particles. Nucl. Instr. and Meth. B15. 486 /1986/. G. Vizkelethy, M. Fried, G. Mezey, F. Pászti and J. Gyulai: Simulation of energetic ions in solids by Monte-Carlo method /SEISM/ and its comparision with experiments, physica status solidi /a/, 94 /1986/, p. 413. M.I. Guseva, S.M. Ivanov, F. Pászti, G. V.lzkelethy, A. Manuaba: Issledovanie selektivnovo raspilenia i radiatsionno-indutsirovannoi segregatsii primesei v aluminievih splavah, legirovannih skandiem /in russian/. /Study of sputtering and surface segrega­ tion of elements of aluminium alloys induced by Sc implanta­ tion./ Aromnaia Energia, 60/3 /1986/, p. 193. L. Varga: Nucl. Inst, and Meth. B17 /1986/ 260. G. Mezey: Wall Erosion in Fusion Device. Plasma Phys. and Controlled Fusion 2_8 /1986/ 147. Cs. Hajdu, F. Pászti, G. Mezey, I. Lovas: Stress Model for the Formation of Wawe-like Structures or. High-dose Ion implanted materials phys. stat. sol. /a/ 9_4 /1986/ 351.

- 79 G. Mezey: Physics of Ion Implantion in Plasma-surface Interactions, phys. stat. sol. /a/ 9£ /1986/ 797. Vizkelethy Gy.: Ion-szilárdtest kölcsönhatás modellezése Monte-Carlo módszerrel. Egyetemi doktori értekezés, ELTE 1986. G. Mezey, F. Pászti, L. Pogány, M. Fried, A. Manuaba, G. Vizkelethy, Cs. Hajdú, E. Kótai: Surface Deformation due to High Fluence Helium Irradiation. Vacuum ЗГ7 /1987/ 41. Cs. Hajdu, F. Pászti, M. Fried, I. Lovas: Periodic Surface Deformations Caused by High Dose Ion Bombardment Induced Lateral Stresses. Nucl. Instr. and Meth. B19/20 /1987/ 607. Szilágyi E.: Hidrogén koncentráció meghatározása MeV-es ener­ giájú He ionok által kilökött magok mérésével. /ERD/. KLTE Dip­ lomamunka 1987. Nguyen Trong My: A plazma-fal kölcsönhatás elemi folyamatainak kísérleti vizsgálata alumíniumon valamint AlMgSi és AlMg ötvö­ zeteken hélium és argon ion bombázással. Kandidátusi értekezés. Gy. Vizkelethy, F. Pászti, G. Mezey: Computer Simulation of Reflection of and Sputtering by Plasma Particles. Fusion Technology/Plasma engineering in print. P. Hermann, R. Pakula, I.B. Földes, R. Sigel, G.D. Tsakiris, S. Witkowski: Z. Naturforsch. 41ai, 767 /1986/. I.B. Földes, К. Koyama, R. Sigel, G.D. Tsakiris, A. Böswald, Chen Shi-Sheng, A.G.M. Maaswinkel, R.F. Schmalz, S. Witkowski: Europhys. Lett. 2, 221 /1986/. I.B. Földes, R. Pakula, S. Sakabe and R. Sigel: Appl. Phys. В 43, 117 /1987/.

- 80 I.В. Földes, R. Sigel, Chen Shi-Sheng, K. Eidirann, R.F. Schmalz, G.D. Tsakiris, S. Nitkowski: Europhys. Conf. Abstracts, 14th European Conference on Controlled Fusion and Flasma Physics, /kiadók: Engelmann, I.L. Alvarez Rivas/, EPS, Madrid 1987. IIP, Part II., p. 589-592. G.P. Djotjan, J.S. Bakos, G.N. Karayian, T. Juhász: Theory of Nonstationary Phase Conjugation by Four-Wave Mixing. KFKI 1986-25/E. G.P. Djotjan, G.N. Karadjan, J.S. Bakos, Т. Juhász: Obraszcsenyija volnovogo fronta v polja nestacionarnoj opornoj volni. Obraszcsenije volnovogo fronta pri csetirehvolnovom vzaitrode jtsvii. Izd. Erevanskogo Universiteta T.M. Aresidza, 1986. sztr. 143. J.S. Bakos: Optically Pumped FIR Lasers and their Application in Plasma Diagnostics. KFKI preprint KFKI 1986-31/D. Proc. II. Int. Conf. on Trends in Qu. El. p. 481. Cs. Kuti, J. Bakos, Т. Juhász, L. Vanny: KDP Q-Switch with De­ creased Piezooptic Influences. Proc. IV. Int. Conf. on Crystal Growth 1986. p. 58 Budapest. J.S. Bakos, G. Bürger, P.N. Ignácz, J. Kovács, J. Szigeti: Measuring Laser Blow-Off of Thin Sodium Films. KFKI-1986-57/D. J.S. Bakos: Spectroscopic Investigation Connected to FIR Lasers 1st Symposium on Laser Spectroscopy, Invited Lecture. Pécs, 1986, p. G/l. S. Zoletnik, A. Montvai: Determination of the Centre of Gravity of the Current Distribution in the MT-1 Tokamak. Preprint KFKI-1986-10/D.

- 81 -

Т. Juhász, J.S. Bakos, Cs. Kúti: Direct Lifetime 'feasurement of A, Phonon Mode in Calcite. Institute of Physics Technical ig University, Budapest Preprint. Physica Status Solidi /b/ 135, K99 /1986/. J.S. Bakos, P. Lásztity: Flux measurement of sputtered atoms with LIF method in one laser shot. 3ME preprint 1986. J.S. Bakos: Thermal Self-Focusing in Laser Plasmas. Proc. SASP '86, 1986. p. 73. Invited lecture. R.S. Post, K. Brau, J. Casey, J. Coleman, S. Golovato, W. Guss, S.F. H o m e , J. Irby, J. Kesner, B. Lane, M. Mauel, L. Pocs, E. Sevillano, D. Smith, J. Sullivan, R. Torti: Gas Pressure Measurements and Control in the Tara Tandem Mirror Experiment Invited paper. Seventh International Conference on Plasma-Surface Interactions. May 5-9 1986, Princeton. MIT Report, PCF/CP-86-17. Journal of Nuclear Materials, Vol. 145-147, /1987/ p. 81-86. R.P. Torti, S.F. H o m e , L. Pocs, K. Brau, J.A. Casey, J. Coleman, M. Gaudreau, S.N. Golovato, W.C. Guss, J. Irby, J. Kesner, B. Lane, R.S. Post, E. Sevillano, D.K. Smith, J. Sullivan, X.Z. Yao: Gas effects on Tara Axiceli Operation. Annual Meeting of the American Physical Society Division of Plasma Physics, November 3-7 1986, Baltimore. E. Sevillano, K. Brau, J. Casey, J. Coleman, M. Gerver, S. Golovato, W. Guss, G. Hallock, S. Hiroe, S. Hörne, J. Irby, J. Кезпег, В. Lane, Т. Moran, R. Myer, L. Pocs, R.S. Post, G. Shuy, D.K. Smith, J.D. Sullivan, R. Torti, X.Z. íao: Tara Tandem Mirror Startup and Plugging Results. Invited paper. Annual Meeting of the American Physical Society Division of Plasms Physics, November 3-7 1986, Baltimore.

- 82 S.F. Home, R.P. Torti, K. Brau, J.A. Casey, J. Coleman, M. Gaudreau, S.N. Golovato, W.C. Guss, J. Irby, J. Kesner, B. Lane, J. Machuzak, L. Pocs, R.S. Post, E. Sevillano, D.K. Smith, J.D. Sullivan, X.Z. Yao: Tara Neutral Beam Injection Results. Annual Meeting of the American Physical Society Div­ ision of Plasma Physics, November 3-7 1986, Baltimore. R. Mahon, L. Pocs: Atomic Hydrogen Density Measurements in the Tara Tandem Mirror Experiment. Annual Meeting of the American Physical Society Division of Plasma Physics, November 3-7 1986, Baltimore. R.S. Post, K. Brau, J. Casey, X. Chen, J. Coleman, R. Garner, M. Gerver, S. Aovato, D. Goodman, P. Goodrich, W. Guss, S. Hokin, S. H o m e , J. Irby, J. Kesner, B. Lane, R. Mahon, R. Myer, L. Pocs, E. Sevillano, G. Shuy, D. Smatlak, D. Smith, J. Sullivan, R. Torti: Results from the Tara Tandem Mirror and Constance Quadrupole Mirror. Eleventh International Conference on Plasma Physics and Controlled Nuclear Fusion Research, Kyoto, 13-20 November 1986, IAEA-CN-47, C-I-3, p.81. r

R.S. Post, P. Goddrich, L. Pocs, G. Shuy, K. Brau, S. Home, J. Irby, S. Golovato, E. Sevillano, D.K. Smith, R.P. Torti: Problems of Gas Controll and Fueling in the TARA Tandem Mirror. Invited paper. 10th international Vacuum Congres, Baltimore, 27-31 October 1986. JS4-WeM6. Sörlei Zsuzsa: Molekulalézerek a közép és a távoli infravörös tartományban. Téli Iskola, 1986. p. 125-148. J.S. Bakos, P.N. Ignácz, J. Kovács, J. Szigeti: Measurement of the Velocity Distribution of Neutrals in Laser Blow-off. Plasmas 8th Escampig Greisswald, 1986. Proceedings p. 282« J.S. Bakos, T. Kárpáti, Zsuzsa Sörlei: Influence of Buffer Gases on the Amplification Line of the Molecules Optically Pumped. 11th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Wave, Pisa 1У86. p. 32.

- 83 J.S. Bakos, Zs. Sörlei: Investigations Connected to CH,OH Optically Pumped Lasers. 11th Int. Conf. on Infrared and Mil­ limeter Waves, Pisa 1966. p. 95. F. Krausz, T. Juhász, J.S. Bakos, Cs. Kuti: Microprocessor Based System for Measurement of the Characteristics of ílltra-short Laser Pulses. J. Phys. E. Sei. Instr. _19, 1027, 1986. H. Hildebrandt, J.S. Bakos, G. Bürger, F. Pászti, G. Petravich: Impurity Injection into Tokamak Plasmas by Erosion Probes. KFKI-1987-51/D. T. Juhász, F. Krausz, J.S. Bakos, Cs. Kuti: Computer Processing of Picosecond Laser Pulses Ultrafast Phenomena ed's P.G. Kryukov, Yu.M. Popov, Moscow 1987. p. 142. P. Kostka, E. Klopfer, G. Bürger, J. Roósz: On the experience with a Poly-C belt. VII. Tandem Accelerator Conference, Berlin, 1987. IV. 6-10. J.S. Bakos, P.N. Ignácz, J. Kovács, J. Szigeti: Plasma Ball Plying with High Velocity. XVII. Int. Conf. Phen. Ion. Gases Contributed Papers Swansea, ed. T. Williams 1987. p. 728. J.S. Bakos, Т. Kárpáti, Zsuzsa Sörlei: Amplification Line of 119 цт Wavelength of Methanol Molecules at the Presence of He Buffer Gas. Int. Journ. of Millimeter and Submillimeter Waves, 3 /6/ 1987. J.S. Bakos: Gas Laser Research in Hungary. Proc. cf 9th Int. Conf. on Lasers and Application Society of Optical and Quantum Electronics 1987. KFKI 1987-62/D. J.S. Bakos, P.N. Ignácz, J. Szigeti, vT. Kovács: Laser Blow-off Plasma Propagating in Low Pressure Gas. Appl. Phys. Lett., 51 /10/ 734 /1987/

- 84 P.E. Giese, P.H. Giese, A.V. Alfimenkov: A Lan Concept for a Physical Laboratory. Proc. of IFIP TC6 Working Conference Comnet'85 Budapest, 1985. North Holland L986, /pp. 379-382./ /In English/ P.E. Giese, P.H. Giese et al.: Local Area Network of the Neutron Physics Laboratory of the JINR Working Conference Locset'86 Riga, 1986. Riga Ievt Anlatssr, 1986 /pp. 61-62/ /In Russian/ G.G. Csuka, P.E. Giese, P.H. Giese: Test System for the Lochness. Problemseminar "Lokale netze" - Gaussig 5-9. Jan. 1987.

- 85 Megjelenés alatt

J.S. Bakos, V.A. Batanov, A.Yu. Volkov: FTR Laser Pumped by Two IR VJaves. Digest of 12th Int. Conf. on Infrared and Millimeter Waves 1987. Goosvenor Florida. J.S. Bakos, Т. Kárpáti, Zs. Sörlei, A. Yundev: Izmerenie pogloscsenyija u prelomlenia templena v szubmillimetrovim oblasztye spekra. Pribori i Technika Eksperintenta 1987. F. Krausz, P. Lántity, J.S. Bakos, E. Winther, G. Leising: The influence of photoinduced structural distortions on interband absorption in polyacetylene. Applied. Phys. 1987. J.S. Bakos, Т. Kárpáti, Zs. Sörlei: Dvukcsasztotnij Lazernik interferometr dija T-15. KGST szeminárium Neubrandenburg 1987. J.S. Bakos, G. Bürger, P.N. Ignácz, J. Szigeti: Measurements on Flying Sodium Plasma Ball Geated by Blow-off Seminar on Plasma Physics and Technology, 1987. Liblice.

The issues of the KFKI preprint/report series are classified as follows: A.

Particle and Nuclear Physics

B.

General Relativity and Gravitation

C.

Cosmic Rays and Space Research

D.

Fusion and Plasma Physics

E.

Solid State Physicn

Laboratory, Biomedical and Nuclear Reactor Electronics Mechanical, Precision Mechanical and Nuclear Engineering J.

Analytical and Physical Chemistry

K.

Health Physics

L.

Vibration Analysis, CAD, CAM

F.

Semiconductor and Bubble Memory Physics and Technology

M.

Hardware ana Software Development, Computer Applications, Programming

G.

Nuclear Reactor Physics and Technology

N.

Computer Design, CAMAC, Computer Controlled Measurements

The complete series or issues discussing one or more of the subjects can be ordered; institutions are kindly requested to contact the KFKI Library, individuals the authors. Title and classification of the issues published this year: KFKI-1988-01/A L. Diösi

On the motion of solids in modified quantum mechanics

KFKI-1988-02/D Bakos J.

Thermonuclear plasmaphysical research in th Research Institute for Physics (1986-1987) (in Hungarian)

.'nntral

Kiadja a Központi Fizikai Kutató Intézet Felelős kiadó: Szegő Károly Példányszám: 127 Törzsszám: 88-101 Készült a KFKI sokszorosító üzemében Felelős vezető: Töreki Béláné Budapest, 1988. január hó