EA040091B1 - NONDISTURBING MEASUREMENTS OF WEAK MAGNETIC FIELD AND NULL MAGNETIC FIELD IN HIGH-TEMPERATURE PLASMA - Google Patents
NONDISTURBING MEASUREMENTS OF WEAK MAGNETIC FIELD AND NULL MAGNETIC FIELD IN HIGH-TEMPERATURE PLASMA Download PDFInfo
- Publication number
- EA040091B1 EA040091B1 EA201892759 EA040091B1 EA 040091 B1 EA040091 B1 EA 040091B1 EA 201892759 EA201892759 EA 201892759 EA 040091 B1 EA040091 B1 EA 040091B1
- Authority
- EA
- Eurasian Patent Office
- Prior art keywords
- frc
- magnetic field
- plasma
- laser beams
- scattered radiation
- Prior art date
Links
Description
Область изобретенияField of invention
Описываемый здесь предмет изобретения относится в целом к магнитной диагностике, а конкретнее к системам и способам, которые облегчают невозмущающие измерения слабого магнитного поля и магнитного нуль-поля в высокотемпературных плазмах.The subject matter described herein relates generally to magnetic diagnostics, and more specifically to systems and methods that facilitate non-disturbing measurements of weak magnetic fields and magnetic null fields in high temperature plasmas.
Предпосылки изобретенияBackground of the invention
Высокотемпературная плазма существенна для достижения термоядерного синтеза, а значит и для генерирования энергии термоядерного синтеза (высокотемпературная определена как ионная температура свыше 100 эВ или 1 млн градусов; плазма, определена как ионизированный газ, состоящий из положительных ионов, свободных электронов и нейтральных атомов в пропорциях, приводящих к более или менее отсутствующему совокупному электрическому заряду, как правило, при очень высоких температурах (например, в звездах и реакторах термоядерного синтеза) и/или при низких давлениях (например, в верхних слоях атмосферы и во флуоресцентных лампах)). Высокая температура запрещает физический контакт любого твердого вещества, искусственного или природного, чтобы удерживать или даже зондировать такую плазму без повреждения самого вещества и серьезного снижения качества плазмы (включая собственно температуру). Высокотемпературные плазмы, как правило, удерживают с помощью конфигураций магнитных полей, создаваемых комбинацией внешних катушек магнитного поля и током, текущим в плазме. Магнитное удержание отдаляет высокотемпературную плазму от стенки. Это необходимо для минимизации загрязнения и снижения добротности высокотемпературной плазмы термоядерного синтеза. Ток, текущий в плазме, генерирует магнитные поля, следовательно, результирующие амплитуда и направление чисто магнитного поля внутри плазмы могут существенно отличаться от таковых для магнитного поля без плазмы (обуславливаемого лишь внешними катушкам и известного как вакуумное поле). Измерение внутреннего магнитного поля в высокотемпературной плазме термоядерного синтеза не только обеспечивает ценную информацию об удержании и качестве плазмы, но и может быть использовано также в качестве входного сигнала для активного управления с обратной связью при быстрой коррекции магнитного поля, генерируемого внешними катушками возбуждения, с целью управления положением и неустойчивостями плазмы.High-temperature plasma is essential for achieving thermonuclear fusion, and hence for generating fusion energy (high-temperature plasma is defined as an ion temperature above 100 eV or 1 million degrees; plasma, defined as an ionized gas consisting of positive ions, free electrons and neutral atoms in proportions resulting in more or less no net electrical charge, typically at very high temperatures (eg, in stars and fusion reactors) and/or at low pressures (eg, in the upper atmosphere and fluorescent lamps)). High temperature forbids physical contact of any solid substance, artificial or natural, to contain or even probe such plasma without damaging the substance itself and seriously reducing the quality of the plasma (including the actual temperature). High temperature plasmas are typically contained by magnetic field patterns created by a combination of external magnetic field coils and current flowing in the plasma. Magnetic confinement moves the high-temperature plasma away from the wall. This is necessary to minimize contamination and reduce the quality factor of high-temperature fusion plasma. The current flowing in the plasma generates magnetic fields, hence the resulting amplitude and direction of a purely magnetic field inside the plasma can differ significantly from those for a magnetic field without plasma (due only to external coils and known as the vacuum field). Measurement of the internal magnetic field in a high temperature fusion plasma not only provides valuable information about plasma confinement and quality, but can also be used as an input signal for active feedback control to quickly correct the magnetic field generated by external excitation coils for control purposes. plasma position and instabilities.
Высокая температура также создает проблемы экспериментальных диагнозов внутри плазмы (например, измерения локальных магнитных полей) ввиду того, что введение любого твердого зонда в плазму вызовет не только повреждение зонда, но и ухудшение свойств плазмы. Диагностика в этих плазмах должна быть невозмущающей. Как следствие, в экспериментальной физике плазмы популярны диагностические методы, основанные на изменениях свойств излучения, либо испускаемого самой плазмой, либо инжектируемого в плазму (например, лазером).The high temperature also poses problems for experimental diagnoses within the plasma (eg, measurements of local magnetic fields) due to the fact that the introduction of any solid probe into the plasma will not only damage the probe, but also degrade the properties of the plasma. Diagnostics in these plasmas must be nonperturbing. As a consequence, diagnostic methods based on changes in the properties of radiation, either emitted by the plasma itself or injected into the plasma (for example, by a laser), are popular in experimental plasma physics.
Величина бета (β), как правило, определяется в физике плазмы как отношение теплового давления плазмы к магнитному давлению, представляя равновесие сил благодаря температуре и магнитному полю. Установки высокотемпературной плазмы с низким значением бета (β~0,1), подобные токамакам и стеллараторам, работают в сильных магнитных полях (~1 Тл (~104 Гс)). В этих установках типичны внутренние магнитные поля с магнитной индукцией порядка 0,1 Тл (килогаусса) и выше, и поэтому используются диагностические способы, основанные на физических принципах, например эффекте Зеемана, фарадеевском вращении, динамическом эффекте Штарка и т.п. При этих диагностиках сигнал пропорционален напряженностями магнитного поля, и поэтому измерять сильные поля проще по сравнению со слабыми полями.The value of beta (β) is generally defined in plasma physics as the ratio of plasma thermal pressure to magnetic pressure, representing the balance of forces due to temperature and magnetic field. Low-beta (β~0.1) high-temperature plasma facilities, like tokamaks and stellarators, operate in strong magnetic fields (~1 T (~10 4 G)). In these installations, internal magnetic fields with a magnetic induction of the order of 0.1 T (kilogauss) and higher are typical, and therefore diagnostic methods based on physical principles, such as the Zeeman effect, Faraday rotation, dynamic Stark effect, etc. are used. With these diagnostics, the signal is proportional to the magnetic field strengths, and therefore it is easier to measure strong fields compared to weak fields.
Еще одним популярным подходом к исследованию плазмы термоядерного синтеза является использование плазмы с высоким значением бета, где отношение давления плазмы к магнитному давлению близко к единице (β~1), например, плазм, создаваемых в конфигурациях с обращенным полем (FRC) и с магнитным полем остроугольной геометрии. В конфигурациях, предусматривающих создание плазм с высоким значением бета, напряженность магнитного поля является низкой (составляя ~ несколько сотен гауссов) и становится нулевой внутри плазмы. Следовательно, для такой плазмы с низким значением бета вышеупомянутые диагностические способы дают ограниченную информацию или вообще не дают ее. Некоторые исследователи предложили расширить границы физики и технологии этих диагностических методов, что позволило достичь лишь ограниченного успеха. Надежные и проверенные система и способ измерения местоположения нуля, обращения поля или слабого магнитного поля в высокотемпературной плазме с высоким значением бета по-прежнему отсутствуют.Another popular approach to the study of fusion plasmas is the use of high beta plasmas, where the ratio of plasma pressure to magnetic pressure is close to unity (β~1), such as plasmas created in reversed field configurations (FRC) and with a magnetic field. acute geometry. In high beta plasma configurations, the magnetic field strength is low (~a few hundred gauss) and becomes zero inside the plasma. Therefore, for such low beta plasma, the aforementioned diagnostic methods provide limited or no information. Some researchers have proposed pushing the boundaries of the physics and technology of these diagnostic methods, with only limited success. A reliable and proven system and method for measuring zero location, field reversal, or weak magnetic field in a high-temperature, high-beta plasma is still lacking.
Плазма с высоким значением бета обеспечивает экономически эффективный подход к исследованию термоядерного синтеза благодаря существенно сниженным требованиям к магнитным полям. Совершенные недавно прорывы и появление высокотемпературных плазм усовершенствованных FRC с накачкой пучком (см., например, WO 2013/074666 и WO 2015/048092) сделали этот подход еще более привлекательным. Это также еще раз подчеркивает потребность в распространяемой на параметры термоядерного синтеза диагностике внутренних магнитных полей для FRC-плазмы (и других плазм с высоким значением бета).High-beta plasma provides a cost-effective approach to fusion research due to significantly reduced magnetic field requirements. Recent breakthroughs and the advent of high-temperature plasmas of advanced beam-pumped FRCs (see, for example, WO 2013/074666 and WO 2015/048092) have made this approach even more attractive. This also underscores the need for a fusion-extensible diagnostic of internal magnetic fields for FRC plasmas (and other high-beta plasmas).
Поэтому желательно разработать системы и способы, которые облегчают невозмущающие измерения слабого магнитного поля и магнитного нуль-поля в высокотемпературных плазмах.Therefore, it is desirable to develop systems and methods that facilitate nonperturbative measurements of weak magnetic fields and magnetic null fields in high temperature plasmas.
- 1 040091- 1 040091
Сущность изобретенияThe essence of the invention
Различные варианты осуществления, предлагаемые здесь, в целом направлены на создание систем и способов, которые облегчают невозмущающие измерения слабого магнитного поля и магнитного нульполя в высокотемпературных плазмах. Здесь представлен возможный диагностический метод измерения слабого магнитного поля в высокотемпературной плазме, включая такие конфигурации магнитных полей как FRC-конфигурации и конфигурации с магнитным полем остроугольной геометрии. Этот невозмущающий метод позволяет измерять обращение поля, амплитуду, пространственный профиль и направление магнитного поля, а также положение нулевого магнитного поля (нуля) и его форму. Для осуществляемого с обратной связью активного управления положением и неустойчивостями FRC можно использовать измерения магнитного поля в реальном масштабе времени.The various embodiments provided herein are generally directed towards providing systems and methods that facilitate non-disturbing measurements of weak magnetic field and magnetic null field in high temperature plasmas. Here, a possible diagnostic method for measuring a weak magnetic field in a high temperature plasma is presented, including magnetic field configurations such as FRC configurations and sharp-angled magnetic field configurations. This non-perturbing method allows you to measure the field reversal, amplitude, spatial profile and direction of the magnetic field, as well as the position of the zero magnetic field (zero) and its shape. Real-time magnetic field measurements can be used for active feedback control of the position and instabilities of the FRC.
Другие системы, способы, признаки и преимущества возможных вариантов осуществления будут очевидны или станут очевидными специалисту в данной области техники после изучения нижеследующих чертежей и подробного описания.Other systems, methods, features and advantages of possible embodiments will be apparent or become apparent to a person skilled in the art upon examination of the following drawings and detailed description.
Краткое описание чертежейBrief description of the drawings
Подробности возможных вариантов осуществления, включая конструкцию и работу, можно почерпнуть, в частности, путем изучения прилагаемых чертежей, на которых одинаковые позиции обозначают одинаковые части. Компоненты на чертежах не обязательно представлены в масштабе, вместо этого акцент делается на иллюстрации принципов изобретения. Кроме того, все иллюстрации предназначены для передачи концепций, причем относительные размеры, форма и другие конкретизированные атрибуты могут быть проиллюстрированы скорее схематически, нежели буквально или точно.Details of possible embodiments, including construction and operation, can be gleaned, in particular, by examining the accompanying drawings, in which like numbers designate like parts. The components in the drawings are not necessarily drawn to scale, but instead emphasis is placed on illustrating the principles of the invention. In addition, all illustrations are intended to convey concepts, and relative size, shape, and other specific attributes may be illustrated schematically rather than literally or accurately.
На фиг. 1А иллюстрируется аксиальный вид аксиальных магнитных полей FRC, Bz.In FIG. 1A illustrates an axial view of the axial magnetic fields FRC, B z .
На фиг. 1В иллюстрируется теоретический профиль аксиального магнитного поля, Bz, для конфигурации магнитного поля FRC.In FIG. 1B illustrates the theoretical axial magnetic field profile, B z , for the FRC magnetic field configuration.
На фиг. 2 иллюстрируется аксиальный вид аксиального магнитного поля FRC Bz с источником излучения, освещающим снаружи.In FIG. 2 illustrates an axial view of an axial magnetic field FRC B z with a radiation source illuminating from the outside.
На фиг. 3 иллюстрируется аксиальный вид аксиального магнитного поля Bz FRC с самоосвещением.In FIG. 3 illustrates an axial view of an axial magnetic field B z FRC with self-illumination.
На фиг. 4 иллюстрируется примерная доля поляризации вследствие эффекта Ханле вдоль аксиальных полей FRC-плазм.In FIG. 4 illustrates the approximate proportion of polarization due to the Hanle effect along the axial fields of FRC plasmas.
На фиг. 5 иллюстрируется примерный радиальный вид аксиального магнитного поля Bz с освещением снаружи.In FIG. 5 illustrates an exemplary radial view of the axial magnetic field B z with illumination from outside.
На фиг. 6 иллюстрируется примерный радиальный вид аксиального магнитного поля Bz с самоосвещением.In FIG. 6 illustrates an exemplary radial view of an axial magnetic field B z with self-illumination.
На фиг. 7 иллюстрируется примерная доля поляризации с радиальным видом.In FIG. 7 illustrates an exemplary proportion of radial polarization.
На фиг. 8 иллюстрируется примерная схема измерительной системы для использования с вариантами осуществления настоящего раскрытия.In FIG. 8 illustrates an exemplary measurement system diagram for use with embodiments of the present disclosure.
На фиг. 9 иллюстрируется сравнение измеренного и теоретического сигналов векторов Стокса (Q и U) с изменением магнитного поля согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.In FIG. 9 illustrates a comparison of the measured and theoretical Stokes vector signals (Q and U) with a change in the magnetic field according to embodiments of the present invention.
На фиг. 10 иллюстрируется система, содержащая спектрополяриметр согласно вариантам осуществления настоящего изобретения с освещением снаружи.In FIG. 10 illustrates a system comprising a spectropolarimeter according to embodiments of the present invention with outside illumination.
На фиг. 11 иллюстрируется система, содержащая спектрополяриметр согласно вариантам осуществления данного изобретения с самоосвещением.In FIG. 11 illustrates a system comprising a spectropolarimeter according to embodiments of the present invention with self-illumination.
Следует отметить, что элементы аналогичных конструкций или функций обычно представлены на всех чертежах сходными позициями в целях иллюстрации. Следует также отметить, что чертежи предназначены лишь для облегчения описания предпочтительных вариантов осуществления.It should be noted that elements of similar construction or function are generally represented by like reference numerals throughout the drawings for purposes of illustration. It should also be noted that the drawings are only intended to facilitate the description of the preferred embodiments.
Подробное описаниеDetailed description
Каждый из дополнительных признаков и принципов, раскрываемых ниже, можно использовать отдельно или в сочетании с другими признаками и принципами для разработки систем и способов, которые облегчают невозмущающие измерения слабого магнитного поля и магнитного нуль-поля в высокотемпературных плазмах. Теперь, с дополнительными подробностями и ссылками н прилагаемые чертежи, будут описаны типичные примеры описываемых здесь вариантов осуществления, предусматривающие использование многих из этих дополнительных признаков и принципов, как в отдельности, так и в комбинации. Это подробное описание предназначено просто для того, чтобы специалист в данной области мог изучить дополнительные подробности для осуществления предпочтительных аспектов принципов данного изобретения на практике, а не для того, чтобы ограничить объем притязаний изобретения. Поэтому совокупности признаков и этапов, раскрываемые в нижеследующем подробном описании, могут и не оказаться необходимыми для практического осуществления изобретения в самом широком смысле, а вместо этого указаны лишь для того, чтобы описать типичные примеры принципов данного изобретения.Each of the additional features and principles disclosed below may be used alone or in combination with other features and principles to develop systems and methods that facilitate non-perturbative low magnetic field and magnetic null field measurements in high temperature plasmas. Now, with additional details and reference to the accompanying drawings, typical examples of the embodiments described herein will be described, involving the use of many of these additional features and principles, both individually and in combination. This detailed description is merely intended to enable one skilled in the art to learn additional details for practicing the preferred aspects of the principles of the present invention, and not to limit the scope of the invention. Therefore, the combination of features and steps disclosed in the following detailed description may not be necessary for the practice of the invention in the broadest sense, but instead are indicated only to describe typical examples of the principles of the present invention.
Помимо этого, различные признаки типичных примеров и зависимых пунктов формулы изобретения могут быть объединены способами, которые не перечислены конкретно и явно, чтобы обеспечить дополнительные полезные варианты осуществления принципов данного изобретения. Кроме того, специально отмечается, что все признаки, раскрытые в описании и/или формуле изобретения, намеренно раскрываются отдельно и независимо друг от друга с целью первоначального раскрытия, а также с цельюIn addition, various features of the exemplary examples and dependent claims may be combined in ways that are not specifically and explicitly listed to provide additional useful embodiments of the principles of the present invention. In addition, it is specifically noted that all features disclosed in the description and/or claims are intentionally disclosed separately and independently from each other for the purpose of the original disclosure, as well as for the purpose of
- 2 040091 ограничения заявляемого предмета изобретения независимо от составов признаков в вариантах осуществления и/или формуле изобретения. Также специально отмечается, что все диапазоны значений или указания групп объектов раскрывают каждое возможное промежуточное значение или промежуточный объект с целью оригинального раскрытия, а также с целью ограничения заявляемого предмета изобретения.- 2 040091 limitations of the claimed subject matter regardless of the composition of the features in the embodiments and/or the claims. It is also specifically noted that all ranges of values or indications of groups of objects disclose each possible intermediate value or intermediate object for the purpose of original disclosure, as well as for the purpose of limiting the claimed subject matter.
Различные варианты осуществления, представляемые здесь, в целом направлены на создание систем и способов, которые облегчают невозмущающие измерения слабого магнитного поля и магнитного нуль-поля в высокотемпературных плазмах. Здесь представлен возможный диагностический метод измерения слабого магнитного поля в высокотемпературной лабораторной плазме, включая FRC-плазмы и плазмы магнитного поля остроугольной геометрии. Этот невозмущающий метод позволяет измерять не только амплитуду, пространственный профиль и направление магнитного поля, но и положение нулевого магнитного поля (нуля) и его форму.The various embodiments presented herein are generally directed towards providing systems and methods that facilitate nonperturbative measurements of weak magnetic field and magnetic null field in high temperature plasmas. Here, a possible diagnostic method for measuring weak magnetic fields in high-temperature laboratory plasmas, including FRC plasmas and acute-angled magnetic field plasmas, is presented. This non-perturbing method makes it possible to measure not only the amplitude, spatial profile and direction of the magnetic field, but also the position of the zero magnetic field (zero) and its shape.
Физическое явление, известное как эффект Ханле, описывает модификацию линейной поляризации рассеянного излучения резонансной линии в присутствии магнитного поля. Падающее излучение линии, рассеиваемое из некоторого атома (с верхним уровнем J=1 и нижним уровнем J=0 полного момента количества движения), оказывается линейно поляризованным при отсутствии магнитного поля (например, если смотреть перпендикулярно углу падения). Однако с приложением магнитного поля рассеянное излучение преимущественно деполяризуется.A physical phenomenon known as the Hanle effect describes the modification of the linear polarization of the scattered radiation of a resonance line in the presence of a magnetic field. The incident line radiation scattered from some atom (with the upper level J=1 and the lower level J=0 of the total angular momentum) appears to be linearly polarized in the absence of a magnetic field (for example, when viewed perpendicular to the angle of incidence). However, with the application of a magnetic field, the scattered radiation is predominantly depolarized.
С точки зрения квантовой физики эффект Ханле представляет собой частный случай явления пересечения уровней в нулевых магнитных полях. Излучения, испускаемые с генерированных подуровней, когерентны и претерпевают деструктивную интерференцию в одном направлении, давая линейно поляризованное излучение. С приложением магнитных полей вырождение прерывается, что сопровождается разделением на подуровни Зеемана на величину, которая больше, чем их естественная ширина, что приводит к деполяризации рассеянного излучения.From the point of view of quantum physics, the Hanle effect is a special case of the phenomenon of level crossing in zero magnetic fields. The radiations emitted from the generated sublevels are coherent and undergo destructive interference in one direction, giving linearly polarized radiation. With the application of magnetic fields, the degeneracy is interrupted, which is accompanied by separation into Zeeman sublevels by an amount greater than their natural width, which leads to depolarization of the scattered radiation.
Присутствие поляризованного сигнала Ханле в магнитно-удерживаемых плазмах, например FRCплазме или плазме с магнитным полем остроугольной геометрии, может само предполагать присутствие положения почти нулевого магнитного поля или нуля. Посредством измерений с пространственным разрешением, например, отображений или многохордовых видов, можно получить радиальное местоположение нуля и его форму, наряду с профилем магнитного поля. Чтобы иметь подробности полной поляризации с пространственным разрешением, можно развернуть двумерное отображение вектора Стокса. Вектор Стокса - это решение, разработанное Стоксом в 1852, чтобы обеспечить математическую обработку и возможность непосредственного измерения поляризации излучения.The presence of a polarized Hanle signal in magnetically confined plasmas, such as FRC or acute-angled magnetic field plasmas, may itself suggest the presence of a near-zero magnetic field position or zero. Through measurements with spatial resolution, such as mappings or multi-chord views, the zero's radial location and shape can be obtained, along with the magnetic field profile. To have full polarization details with spatial resolution, the 2D Stokes vector mapping can be expanded. The Stokes vector is a solution developed by Stokes in 1852 to provide mathematical processing and the ability to directly measure the polarization of radiation.
Эффект Ханле модифицирует линейную поляризацию рассеянного излучения резонансной линии в присутствии магнитного поля. Для измерения можно использовать излучение линий у основных ионов плазмы или примесных ионов при условии, что оно удовлетворяет условиям перехода для эффекта Ханле.The Hanle effect modifies the linear polarization of the scattered radiation of a resonance line in the presence of a magnetic field. For measurements, one can use the emission of lines from the main plasma ions or impurity ions, provided that it satisfies the transition conditions for the Hanle effect.
В FRC-плазмах состояния зарядов разных элементов имеют разные радиальные профили из-за их зависимости от температуры электронов (Te) и радиальных профилей плотности (ne). Следует выбрать состояние заряда, которое присутствует в области слабого поля в нуле или в его окрестности, которое, как правило, находится в области высоких Te и ne. В дополнение к этому выбор уровня должен быть таким, чтобы линию флуоресценции можно было возбуждать с помощью внешнего источника излучения, в типичных случаях - лазера.In FRC plasmas, the charge states of different elements have different radial profiles due to their dependence on electron temperature (Te) and radial density profiles (ne). One should choose the state of charge that is present in the weak field region at zero or in its vicinity, which, as a rule, is in the region of high Te and ne. In addition, the choice of level should be such that the fluorescence line can be excited by an external source of radiation, typically a laser.
Чтобы обеспечить линию Ханле, которую можно возбуждать лазером как линию флуоресценции, в плазму можно добавлять известные примеси. Добавление примесей также может обеспечить возможность выбирать линию, для которой имеется лазер. Одним примером этого является инжекция неона или гелий-неоновой смеси, обеспечивающая уровни, которые можно возбуждать коммерчески доступными гелий-неоновыми лазерами.In order to provide a Hanle line that can be laser excited as a fluorescence line, known impurities can be added to the plasma. The addition of impurities can also make it possible to choose the line for which the laser is available. One example of this is the injection of neon or helium-neon mixture, providing levels that can be excited with commercially available helium-neon lasers.
В качестве конкретного применения FRC-плазм с целью измерения аксиального магнитного поля и положения местоположения нуля внешнее излучение (например, лазера) освещает плазму с радиального направления. Резонансный сигнал рассеянного излучения может наблюдаться при перпендикулярном обзоре в радиальном или аксиальном направлениях. Наблюдаемая линейная поляризация этого сигнала будет пиковой только в местоположениях, где падающее излучение пересекает местоположение нуля, обеспечивая положение для местоположения нуля. Аналогично вышеупомянутому примеру, доля поляризации обеспечит напряженность магнитного поля и т.д.As a specific application of FRC plasmas to measure the axial magnetic field and zero location position, external radiation (eg from a laser) illuminates the plasma from a radial direction. The resonant signal of scattered radiation can be observed with a perpendicular view in the radial or axial directions. The observed linear polarization of this signal will only peak at locations where the incident radiation crosses the null location, providing a position for the null location. Similar to the above example, the polarization fraction will provide the magnetic field strength, and so on.
В FRC-плазме местоположение нуля отстоит от центра, и поэтому световое излучение из FRC освещает нуль асимметрично. Чтобы обеспечить рассеянный резонансный сигнал в окрестности нуля и вследствие этого полностью исключить потребность во внешнем источнике освещения, может оказаться достаточным самоосвещение. В дополнение, визуализация пиковых рассеянных резонансных поляризованных сигналов с помощью этой схемы самоосвещения обеспечит форму (или изображение) нуль-поля, а следовательно, и информацию о режиме колебаний и вращательных неустойчивостях. С помощью радиального вида можно также измерить длину FRC-плазмы путем измерения расстояния между местоположениями поляризованного сигнала из точек X перегиба вдоль длины FRC-плазмы.In an FRC plasma, the location of the null is off center, and therefore the light from the FRC illuminates the null asymmetrically. In order to provide a diffuse resonant signal in the vicinity of zero and thereby completely eliminate the need for an external illumination source, self-illumination may be sufficient. In addition, imaging of peak scattered resonant polarized signals with this self-illuminating circuit will provide the shape (or image) of the null field, and hence information about the mode of oscillation and rotational instabilities. With the radial view, one can also measure the length of the FRC plasma by measuring the distance between polarized signal locations from the inflection points X along the length of the FRC plasma.
В одном примере рассеянный сигнал от атомов плазмы можно собирать в направлении, перпендикулярном излучению, падающему извне на плазму. Наблюдаемый рассеянный резонансный сигнал будетIn one example, the scattered signal from the plasma atoms can be collected in a direction perpendicular to radiation incident from the outside on the plasma. The observed scattered resonant signal will be
- 3 040091 полностью линейно поляризованным при отсутствии магнитного поля. Однако, с увеличением магнитного поля, доля поляризации будет уменьшаться и совершенно исчезнет при более сильном магнитном поле. Диапазон чувствительности магнитного поля будет зависеть от интенсивности излучения, выбранной линии атома плазмы. Изменение угла поляризации обеспечит направление магнитного поля. Пространственные измерения или отображение пиковой поляризации обеспечит местоположение нулевого магнитного поля (нуля) и его форму.- 3 040091 fully linearly polarized in the absence of a magnetic field. However, as the magnetic field increases, the polarization fraction will decrease and disappear completely at a stronger magnetic field. The sensitivity range of the magnetic field will depend on the intensity of the radiation, the chosen line of the plasma atom. Changing the angle of polarization will provide the direction of the magnetic field. Spatial measurements or peak polarization mapping will provide the location of the zero magnetic field (null) and its shape.
В области ядра плазмы, где магнитное поле, как правило, является слабым и существует нуль-поле, температура электронов является высокой, и поэтому присутствие нейтральных атомов водорода обычно невозможно в области высокой температуры электронов из-за их низкой энергии ионизации. Вместе с тем, недавно были созданы усовершенствованные FRC-плазмы с накачкой пучком, предусматривающие инжекцию пучков высокоэнергетических нейтральных частиц (атомов водорода) (см., например, WO 2013/074666 и WO 2015/048092). Пучки нейтральных частиц, инжектируемые в FRC-плазмы, обеспечивают не только пучок высокоэнергетических (7-20 кэВ) нейтральных атомов, но и имеющие температуру подогрева (~0,5-1 кэВ) нейтральные атомы водорода в области ядра плазмы благодаря обмену зарядами с ионами плазмы. Излучение от этих возбужденных нейтральных атомов (подогретых и высокоэнергетических) можно использовать для измерения эффекта Ханле.In the region of the plasma core, where the magnetic field is generally weak and a null field exists, the electron temperature is high, and therefore the presence of neutral hydrogen atoms is usually not possible in the region of high electron temperature due to their low ionization energy. However, improved beam-pumped FRC plasmas have recently been developed, involving the injection of beams of high-energy neutral particles (hydrogen atoms) (see, for example, WO 2013/074666 and WO 2015/048092). Beams of neutral particles injected into FRC plasmas provide not only a beam of high-energy (7–20 keV) neutral atoms, but also neutral hydrogen atoms with a heating temperature (~0.5–1 keV) in the region of the plasma core due to the exchange of charges with ions plasma. Radiation from these excited neutral atoms (heated and high energy) can be used to measure the Hanle effect.
Помимо этого, процессы обмена зарядами с полностью и частично ионизированными примесями также обеспечивают состояния и переходы зарядов, которые, как правило, имеют меньший шанс присутствовать или вовсе отсутствуют в высокотемпературной плазме. В качестве примера доступны лазерные диоды большой мощности, работающие на или в окрестности линии Бальмер-альфа (656,1 нм), которые можно использовать для возбуждения сигнала флуоресценции из нейтральных атомов водорода в высокотемпературном ядре. В дополнение к этому для дальнейшего управления измерениями и их улучшения можно также использовать модулированные пучки нейтральных атомов водорода.In addition, charge exchange processes with fully and partially ionized impurities also provide charge states and transitions, which, as a rule, have a lower chance of being present or not at all in a high-temperature plasma. As an example, high power laser diodes operating at or near the Balmer alpha line (656.1 nm) are available that can be used to excite a fluorescence signal from neutral hydrogen atoms in a high temperature core. In addition, modulated beams of neutral hydrogen atoms can also be used to further control and improve measurements.
В случаях когда помимо лазера также присутствует сильный сигнал на линии Ханле вследствие возбуждения столкновениями электронов, сигнал лазерного возбуждения может быть отделен от сильного фона посредством прерывания или модуляции лазерного пучка. Лазеры - это хороший выбор для источника освещения ввиду их направленности, малой дисперсии, малой спектральной ширины и доступной высокой интенсивности. Хотя на рынке доступен богатый ассортимент лазеров с фиксированной длиной волны и перестраиваемых лазеров, не всегда возможно или экономично иметь лазер, работающий на требуемой длине волны. В связи с этим выбор лазера и его линии, а также линии Ханле, следует делать одновременно. Для получения сигнала Ханле можно также рассмотреть двухфотонную флуоресценцию.In cases where, in addition to the laser, there is also a strong signal on the Hanle line due to excitation by electron collisions, the laser excitation signal can be separated from the strong background by interrupting or modulating the laser beam. Lasers are a good choice for an illumination source due to their directivity, low dispersion, small spectral width, and high intensity available. Although a wide range of fixed wavelength and tunable lasers are available on the market, it is not always possible or economical to have a laser operating at the desired wavelength. In this regard, the choice of the laser and its line, as well as the Hanle line, should be done simultaneously. Two-photon fluorescence can also be considered to obtain the Hanle signal.
С учетом столкновений при высоких энергиях процессы поглощения и излучения становятся некоррелированными, что приводит к деполяризации рассеянного излучения и уничтожает квантовую интерференцию при эффекте Ханле, даже если магнитное поле отсутствует. Для типичных FRC-плазм (при ne~1013 см-3, Te~100 эВ) частота электрон-ионных столкновений составляет ~105 с-1, что на несколько порядков величины меньше, чем значения, типичные для частоты излучения (или коэффициентов Эйнштейна), А~108 с-1, а это означает, что деполяризацией из-за столкновения можно пренебречь. Для высокоинтенсивной плазмы можно учесть столкновительное уширение сигнала Ханле для в целом точного измерения амплитуды слабого магнитного поля.Taking into account collisions at high energies, the processes of absorption and emission become uncorrelated, which leads to depolarization of the scattered radiation and annihilates quantum interference in the Hanle effect, even if there is no magnetic field. For typical FRC plasmas (at ne~10 13 cm -3 , Te~100 eV) the frequency of electron-ion collisions is ~10 5 s -1 , which is several orders of magnitude less than the values typical for the radiation frequency (or coefficients Einstein), A~10 8 s -1 , which means that the depolarization due to the collision can be neglected. For a high-intensity plasma, the collisional broadening of the Hanle signal can be taken into account for generally accurate measurements of the amplitude of a weak magnetic field.
На фиг. 1А иллюстрируется аксиальный вид аксиального магнитного поля (Bz) 100 FRC. На фиг. 1В иллюстрируется теоретический профиль аксиального магнитного поля (Bz) FRC-плазмы. В FRC-плазме магнитное поле 100 вдоль радиального направления сильнее всего вблизи последней замкнутой поверхности потока (Rs), также известной как радиус 101 FRC-плазмы. Аксиальное магнитное поле (Bz) 100 постепенно уменьшается внутри FRC-плазмы и исчезает в местоположении (R0) 102 нуля. В пределах радиуса 102 нуля величина аксиального магнитного поля 100 увеличивается в противоположном направлении по сравнению с областью снаружи нуля и становится пиковой в центре FRC-плазмы. Линии противоположно направленных внутреннего и внешнего полей соединяются на некотором осевом расстоянии (называемом точкой X), определяя длину FRC-плазмы.In FIG. 1A illustrates an axial view of an axial magnetic field (B z ) 100 FRC. In FIG. 1B illustrates the theoretical axial magnetic field profile (B z ) of an FRC plasma. In an FRC plasma, the magnetic field 100 along the radial direction is strongest near the last closed flow surface (R s ), also known as the radius 101 of the FRC plasma. The axial magnetic field (B z ) 100 gradually decreases inside the FRC plasma and disappears at the location (R 0 ) 102 of zero. Within the null radius 102, the magnitude of the axial magnetic field 100 increases in the opposite direction compared to the area outside the null and peaks at the center of the FRC plasma. Lines of oppositely directed internal and external fields connect at some axial distance (called the X point), defining the length of the FRC plasma.
На фиг. 2 иллюстрируется аксиальный вид аксиального магнитного поля (Bz) 200 FRC с источником излучения, освещающим снаружи. В примерной диагностической установке источник 201 интенсивного излучения, например лазер с выбранной длиной волны, осуществляет радиальную инжекцию в магнитные поля FRC с пересечением радиально изменяющегося аксиального магнитного поля 200, включая местоположения 202, 203 нулей. Рассеянное излучение резонансной линии собирают с помощью аксиального вида. Благодаря эффекту Ханле линейно поляризованные сигналы будут наблюдаться только в местоположении нуля и в его окрестности, обеспечивая радиальные положения 202, 203 нуля. Для этой простой геометрии испускания и сбора излучения уравнение степени поляризации можно записать следующим образом:In FIG. 2 illustrates an axial view of an axial magnetic field (B z ) 200 FRC with a radiation source illuminating from the outside. In an exemplary diagnostic setup, an intense source 201, such as a laser of selected wavelength, radially injects into the FRC magnetic fields traversing the radially varying axial magnetic field 200, including zero locations 202, 203. The scattered radiation of the resonant line is collected using an axial view. Due to the Hanle effect, linearly polarized signals will only be observed at and around the null location, providing radial null positions 202, 203. For this simple emission and collection geometry, the equation for the degree of polarization can be written as follows:
Pl = ί 2 Pl = t2
J1 + 4Я , Q)J1 + 4I , Q)
Где Η - ωρ/Α - соотношение ларморовской частоты связанного электрона и коэффициента ЭйнWhere Η - ωρ/Α is the ratio of the Larmor frequency of the bound electron and the Ein coefficient
- 4 040091 штейна или частоты излучения иона. Измерение степени поляризации обеспечивает значение ларморовской частоты, которая тоже является функцией магнитного поля. Величина H, по существу, пропорциональна отношению магнитного поля к эйнштейновскому коэффициенту излучения. Это делает возможным измерение слабого магнитного поля.- 4 040091 matte or ion emission frequencies. The measurement of the degree of polarization provides a value for the Larmor frequency, which is also a function of the magnetic field. The value of H is essentially proportional to the ratio of the magnetic field to the Einstein emissivity. This makes it possible to measure a weak magnetic field.
На фиг. 4 иллюстрируется примерная доля поляризации благодаря Эффекту Ханле вдоль аксиальных полей FRC-плазм. На фиг. 4 показано изменение доли поляризации вдоль радиуса аксиального магнитного поля 100 FRC, данного на фиг. 1В. Сигнал поляризации достигает пика только в местоположении магнитного нуля. Это может обеспечить локализацию нуль-поля для измерений с пространственным разрешением. На фиг. 4 показана доля поляризации для BH=0,02 Тл (20 Гс) 401, и BH=0,1 Тл (100) Гс 402.In FIG. 4 illustrates the approximate proportion of polarization due to the Hanle Effect along the axial fields of FRC plasmas. In FIG. 4 shows the change in the polarization fraction along the radius of the 100 FRC axial magnetic field given in FIG. 1B. The polarization signal peaks only at the magnetic null location. This can provide null field localization for measurements with spatial resolution. In FIG. 4 shows the polarization fraction for B H =0.02 T (20 G) 401, and BH=0.1 T (100) G 402.
В дополнение к этому направление поляризации также повернуто относительно поляризации нульполя на угол α _ OAtg (2Н), который обеспечивает направление магнитного поля. Направление магнитного поля может быть измерено даже в сильных полях, где сигнал Ханле, заданный уравнением (1) насыщается. Это придает способу уникальную возможность, в соответствии с которой существование обращения поля можно подтвердить путем проведения измерений в двух пространственных местоположениях, т.е. с каждой из сторон от ориентировочного местоположения нуля, независимо от напряженности поля в местоположениях, где проводятся измерения. В магнитном поле FRC измерение в окрестности центра установки и другое измерение в окрестности края могут обеспечить подтверждение об обращении поля.In addition to this, the direction of polarization is also rotated with respect to the zero-field polarization by an angle α _ OAtg (2H), which provides the direction of the magnetic field. The direction of the magnetic field can be measured even in strong fields where the Hanle signal given by equation (1) saturates. This gives the method a unique capability whereby the existence of a field reversal can be confirmed by making measurements at two spatial locations, i.e. on either side of the reference zero location, regardless of the field strength at the measurement locations. In an FRC magnetic field, a measurement near the center of the setup and another measurement near the edge can provide confirmation of field reversal.
На фиг. 3 иллюстрируется аксиальный вид аксиального магнитного поля Bz FRC 300 с самоосвещением. Что касается аксиального вида, то это отображение порта наблюдения или сбора сигналов вдоль аксиального направления аксиального магнитного поля 300 FRC, и поэтому аксиальное магнитное поле 300 FRC можно рассматривать как круговую структуру, что и показано на фиг. 3.In FIG. 3 illustrates an axial view of an axial magnetic field B z FRC 300 with self-illumination. As for the axial view, this is a display of the observation or signal collection port along the axial direction of the axial magnetic field 300 FRC, and therefore the axial magnetic field 300 FRC can be considered as a circular structure, as shown in FIG. 3.
В магнитных полях FRC с круговой симметрией каждое местоположение за исключением центра магнитного поля FRC принимает анизотропическое падающее излучение из самой FRC-плазмы. Этот вывод справедлив для линейчатого излучения ионов всех примесей и основного газа благодаря своему азимутально симметричному распределению. Это асимметрично освещение может оказаться достаточным для наблюдения эффекта Ханле без необходимости источника освещения снаружи. Помимо этого, вместо всего двух местоположений нуля, наблюдаемых с помощью внешнего источника, сигналы поляризации будут пиковыми по всей окружности местоположения нуля, причем поляризация будет происходить в азимутальном направлении. Это обеспечивает возможность отображения всей окружности местоположения нуля одновременно, а значит и непосредственное измерение местоположения формы центра FRCплазмы на основе внутренней магнитной структуры. С изменением сигналов во времени это обеспечит значимую информацию о режиме колебаний при n=1 и вращательных неустойчивостях при n=2.In FRC magnetic fields with circular symmetry, every location except the center of the FRC magnetic field receives anisotropic incident radiation from the FRC plasma itself. This conclusion is valid for the line radiation of ions of all impurities and the main gas due to its azimuthally symmetric distribution. This asymmetrical illumination may be sufficient to observe the Hanle effect without the need for an external illumination source. In addition, instead of only two zero locations observed with an external source, the polarization signals will peak around the entire circumference of the zero location, with polarization occurring in the azimuthal direction. This makes it possible to display the entire circle of the zero location at the same time, and hence directly measure the location of the shape of the center of the FRC plasma based on the internal magnetic structure. As the signals change over time, this will provide meaningful information about the oscillation mode at n=1 and rotational instabilities at n=2.
Для осевой геометрии сбора излучения уравнение степени поляризации можно записать как вышеупомянутое уравнение (1). Измерение степени поляризации дает значение ларморовской частоты, которая тоже является функцией магнитного поля. Величина H, по существу, пропорциональна отношению магнитного поля к эйнштейновскому коэффициенту излучения. Это делает возможным измерение слабого магнитного поля. На фиг. 4 показано изменение доли поляризации вдоль радиуса аксиального магнитного поля 100 FRC, заданного на фиг. 1В. Сигнал поляризации достигает пика только в местоположении магнитного нуля. Это может обеспечить локализацию нуль-поля для измерения с пространственным разрешением.For an axial collection geometry, the equation for the degree of polarization can be written as the above equation (1). Measuring the degree of polarization gives the value of the Larmor frequency, which is also a function of the magnetic field. The value of H is essentially proportional to the ratio of the magnetic field to the Einstein emissivity. This makes it possible to measure a weak magnetic field. In FIG. 4 shows the change in the polarization fraction along the radius of the 100 FRC axial magnetic field given in FIG. 1B. The polarization signal peaks only at the magnetic null location. This can provide localization of the null field for measurements with spatial resolution.
В дополнение к этому направление поляризации также повернуто относительно поляризации нульIOC = 0,5’tg4(2H), ~ ОО О ОО О О О 000 I—I О О О О О О , о \ >> который обеспечивает направление магнитного поля. Направление магнитного поля может быть измерено даже в сильных полях, где сигнал Ханле, заданный уравнением (1), насыщается. Это придает способу уникальную возможность, в соответствии с которой существование обращения поля можно подтвердить путем проведения измерений в двух пространственных местоположениях, т.е. с каждой из сторон от ориентировочного местоположения нуля, независимо от напряженности поля в местоположениях, где проводятся измерения. В магнитном поле FRC измерение в окрестности центра установки и другое измерение в окрестности края могут обеспечить подтверждение об обращении поля.In addition to this, the direction of polarization is also rotated with respect to the polarization zero IOC = 0.5'tg 4 (2H), ~ 0000000000000 I-I000000, o \ >> which provides the direction of the magnetic field. The direction of the magnetic field can be measured even in strong fields where the Hanle signal given by equation (1) saturates. This gives the method a unique capability whereby the existence of a field reversal can be confirmed by making measurements at two spatial locations, i.e. on either side of the reference zero location, regardless of the field strength at the measurement locations. In an FRC magnetic field, a measurement near the center of the setup and another measurement near the edge can provide confirmation of field reversal.
На фиг. 5 иллюстрируется возможный радиальный вид аксиального магнитного поля Bz 500 FRC с освещением снаружи. Аксиальные виды в установке для получения линейной FRC-плазмы не всегда доступны или, по меньшей мере, легко доступны. Во многих случаях (или единственно) предпочтительной опцией для диагностики является наблюдение сигнала с радиального вида. При таких ситуациях (с освещением 501 снаружи, например лазерным излучением, падающим с радиального направления), можно выбрать виды, которые перпендикулярны направлению падающего излучения в той же радиальной плоскости, как показано на фиг. 5. При этом расположении магнитное поле направлено перпендикулярно плоскости рассеяния (или наблюдения). При этой диагностической геометрии вместо уравнения (1) частичную линейную поляризацию задает следующее уравнение:In FIG. 5 illustrates a possible radial view of an axial magnetic field B z 500 FRC with illumination from outside. Axial views in a linear FRC plasma setup are not always available, or at least not readily available. In many cases (or only) the preferred option for diagnosis is to observe the signal from a radial view. In such situations (with illumination 501 from the outside, such as laser light incident from a radial direction), views can be selected that are perpendicular to the direction of the incident light in the same radial plane, as shown in FIG. 5. With this arrangement, the magnetic field is directed perpendicular to the scattering (or observation) plane. With this diagnostic geometry, instead of equation (1), partial linear polarization is given by the following equation:
- 5 040091 + 2H2 - 5 040091 + 2H 2
Pl= ------?Pl=------?
+ 6Я (2)+ 6I (2)
В данном случае диапазон изменения поляризации составляет лишь 2/3 по сравнению со случаями наблюдения с аксиального вида (уравнение (1)). Вместе с тем, изменение направления линейной поляризации не происходит, а положение нуля 502, 503 нулевого поля можно найти со столь же приемлемым пространственным разрешением.In this case, the range of polarization change is only 2/3 compared with cases of observation from the axial view (equation (1)). At the same time, there is no change in the direction of linear polarization, and the position of zero 502, 503 of the zero field can be found with an equally acceptable spatial resolution.
На фиг. 6 иллюстрируется примерный радиальный вид аксиального магнитного поля Bz 600 с самоосвещением. Аксиальные виды в установке для получения линейной FRC-плазмы не всегда доступны или, по меньшей мере, легко доступны. Во многих случаях (или единственно) предпочтительной опцией для диагностики является наблюдение сигнала с радиального вида. При таких ситуациях можно выбрать виды наблюдения в радиальной плоскости. Для этого вида диапазон изменения поляризации мал по сравнению со случаями наблюдения с аксиального вида (уравнение (1)). Вместе с тем, изменение направления линейной поляризации не происходит, а сигнал остается пиковым в местоположениях 601, 602 нуля. Положение нуля нулевого поля можно найти с приемлемым пространственным разрешением.In FIG. 6 illustrates an exemplary radial view of an axial magnetic field B z 600 with self-illumination. Axial views in a linear FRC plasma setup are not always available, or at least not readily available. In many cases (or only) the preferred option for diagnosis is to observe the signal from a radial view. In such situations, you can choose the types of observation in the radial plane. For this view, the range of polarization change is small compared to cases of observation from the axial view (equation (1)). However, there is no change in the direction of linear polarization, and the signal remains peaked at zero locations 601, 602. The zero field position can be found with an acceptable spatial resolution.
На фиг. 7 показан примерный профиль сигнала поляризации для примерного случая радиального вида с освещением снаружи. Показаны доли поляризации для BH=0,02 Тл (20 Гс) 701 и BH=0,1 ТЛ (100 Гс) 702, а также магнитное поле 703.In FIG. 7 shows an exemplary polarization signal profile for an exemplary radial view with outside illumination. The polarization fractions are shown for BH=0.02 T (20 G) 701 and BH=0.1 T (100 G) 702, as well as the magnetic field 703.
Для теоретической оценки сигнала Ханле при данной геометрии освещения источником излучения, сбора рассеянного излучения и магнитного поля вычисляют фазовую матрицу Ханле. Впоследствии эту фазовую матрицу можно использовать для оценки векторов Стокса, которые, в свою очередь, обеспечивают теоретическую оценку частичной поляризации, угла поворота и других параметров. Осуществляемое экспериментальным путем измерение различных составляющих поляризованного излучения и сложение этих составляющих может обеспечить векторы Стокса, которые можно использовать для сравнения с теоретическими выводами и обеспечить требуемую информацию о магнитное поле. Как правило, различные составляющие поляризации собирают, используя двоякопреломляющий кристалл или поляризационные пластины.For a theoretical evaluation of the Hanle signal for a given geometry of illumination by the radiation source, collection of scattered radiation and magnetic field, the Hanle phase matrix is calculated. Subsequently, this phase matrix can be used to estimate the Stokes vectors, which in turn provide a theoretical estimate of partial polarization, rotation angle, and other parameters. Experimentally measuring the various components of the polarized radiation and adding these components can provide Stokes vectors that can be used to compare with theoretical findings and provide the required information about the magnetic field. Typically, the various polarization components are collected using a birefringent crystal or polarizing plates.
На фиг. 8 иллюстрируется возможная схема измерительной системы 800 для использования с вариантами осуществления данного изобретения. Как показано на фиг. 8, в разрядной трубке 801, имеющей находящийся на проксимальном конце электрод 810А и находящийся на дистальном конце электрод 801В и длину около 508 мм (20 дюймов), создают плазму 810 постоянного тока. Плазму 810 создают, используя газообразный неон при давлении около 266,64 Па (2 торр). Катушку 802А, 802В Гельмгольца, находящуюся вблизи одного конца (например, дистального конца 801В) трубки 801, используют для создания магнитного поля в направлении, показанном стрелкой 803. Из малого объема плазмы 811, находящегося под катушкой 802А, 802В Гельмгольца, собирают сигнал излучения и подвергают воздействию магнитного поля. Остаток плазмы 810 в трубке служит в качестве источника для освещения плазмы 811 под катушкой 802А, 802В Гельмгольца. Хотя имеются множество линий, излучаемых из неона, что свидетельствует о наличии эффекта Ханле, для выделения линии 626,6 нм с целью измерений используют монохроматор 807. Линия 626,6 нм излучается непосредственно из плазмы (благодаря электронному возбуждению), а также имеет сигнал Ханле благодаря резонансному рассеянию. Имея рассеянное излучение той же длины волны, сигнал Ханле наряду с большим фоном непосредственно от плазмы делает обнаружение сигнала Ханле сложным. Разделение сигналов достигается путем использования усилителя 806 с фазовой автоматической подстройкой частоты совместно с вращающимся поляризатором 809. Излучение из плазмы 811 проходит через вращающийся поляризатор 809 перед тем, как попадает в монохроматор 807. Монохроматор 807 измеряет векторы Стокса или составляющие поляризации. Сигналы из усилителя 806 с фазовой автоматической подстройкой частоты оцифровываются для дальнейшего анализа и построения графиков.In FIG. 8 illustrates a possible measurement system 800 for use with embodiments of the present invention. As shown in FIG. 8, in a discharge tube 801 having a proximal end electrode 810A and a distal end electrode 801B and a length of about 508 mm (20 inches), DC plasma 810 is generated. Plasma 810 is created using gaseous neon at a pressure of about 266.64 Pa (2 Torr). A Helmholtz coil 802A, 802B located near one end (e.g., distal end 801B) of tube 801 is used to generate a magnetic field in the direction indicated by arrow 803. subjected to a magnetic field. The remainder of the plasma 810 in the tube serves as a source for illuminating the plasma 811 under the Helmholtz coil 802A, 802B. Although there are many lines emitted from neon, indicating the presence of the Hanle effect, an 807 monochromator is used to isolate the 626.6 nm line for measurements. The 626.6 nm line is emitted directly from the plasma (due to electronic excitation) and also has a Hanle signal due to resonant scattering. Having scattered radiation of the same wavelength, the Hanle signal, along with a large background directly from the plasma, makes it difficult to detect the Hanle signal. Signal separation is achieved by using a phase locked amplifier 806 in conjunction with a rotating polarizer 809. Radiation from the plasma 811 passes through the rotating polarizer 809 before entering the monochromator 807. The monochromator 807 measures the Stokes vectors or polarization components. The signals from the phase locked amplifier 806 are digitized for further analysis and plotting.
Используемая в данном случае совокупность аппаратных средств эффективно работает как спектрополяриметр 804, который может выдавать составляющие поляризации или вектор Стокса некоторой спектрально разрешенной линии. Есть множество путей построения спектрополяриметра 804 в зависимости от требований. Спектрополяриметр 804 также содержит модуль 808 фотоумножителя и генератор 805 программных функций.The set of hardware used here effectively operates as a spectropolarimeter 804 that can output polarization components or a Stokes vector of some spectrally resolved line. There are many ways to build the 804 spectropolarimeter, depending on the requirements. The spectropolarimeter 804 also includes a photomultiplier module 808 and a program function generator 805.
На фиг. 9 иллюстрируется сравнение измеренного и теоретического сигналов векторов Стокса (Q и U) с изменением магнитного поля согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. В вариантах осуществления отдельный источник освещения (например, лазер) не используется для освещения части плазмы в процессе исследования. Излучение, испускаемое плазмой вдоль длины трубки, само освещает часть плазмы под катушкой Гельмгольца, откуда собирают сигнал. Следовательно, геометрия (или длина) трубки относительно направления поля обеспечивает направление освещения. На фиг. 9 показаны два параметра Стокса, Q и U, нормализованные по интенсивности сигнала I, для случая магнитного поля, где магнитное поле ориентировано вдоль направления обзора и перпендикулярно направлению освещения (или длине трубки). Для сбора сигналов направление магнитного поля изменяют с полоIn FIG. 9 illustrates a comparison of the measured and theoretical Stokes vector signals (Q and U) with a change in the magnetic field according to embodiments of the present invention. In embodiments, a separate illumination source (eg, a laser) is not used to illuminate a portion of the plasma during the examination. The radiation emitted by the plasma along the length of the tube itself illuminates the part of the plasma under the Helmholtz coil from which the signal is collected. Therefore, the geometry (or length) of the tube relative to the direction of the field provides the direction of illumination. In FIG. 9 shows two Stokes parameters, Q and U, normalized to signal intensity I, for the case of a magnetic field, where the magnetic field is oriented along the direction of view and perpendicular to the direction of illumination (or the length of the tube). To collect signals, the direction of the magnetic field is changed from
- 6 040091 жительного на отрицательное. На фиг. 9 также показаны теоретические данные, построенные поверх экспериментальной кривой, демонстрируя приемлемое согласование между ними. Как можно заметить, составляющая Q вектора приобретает пик, а вектор стремится к нулю при нулевом магнитном поле, следовательно, это демонстрирует способность обеспечивать информацию о местоположении нуля поля в магнитном поле FRC. Для слабого поля, например - 0,02 Тл (20 Гаусс) или менее, с помощью этих векторов также можно оценить напряженность поля. Асимметрия вектора U для направления магнитного поля допускает измерения направления магнитного поля. Отношение векторов U и Q задается изменением угла поляризации, что, в свою очередь, задает направление магнитного поля.- 6 040091 negative. In FIG. 9 also shows the theoretical data plotted over the experimental curve, demonstrating an acceptable agreement between them. As can be seen, the Q component of the vector peaks and the vector tends to zero at zero magnetic field, therefore, this demonstrates the ability to provide information about the location of the zero field in the FRC magnetic field. For a weak field, such as -0.02 T (20 Gauss) or less, these vectors can also be used to estimate the field strength. The asymmetry of the vector U for the direction of the magnetic field allows measurements of the direction of the magnetic field. The ratio of the U and Q vectors is set by changing the polarization angle, which, in turn, sets the direction of the magnetic field.
В магнитных полях FRC может присутствовать малое азимутальное магнитное поле (ВД. Знать это азимутальное поле также весьма желательно. Вышеописанные способы можно распространить на составляющие трехмерного вектора магнитного поля. Этого можно достичь (i) путем использования нескольких почти ортогональных видов для одного и того же объема плазмы (ii) или путем использования двух или более резонансных линий излучения с разными чувствительностями (например, H~1 и H>>1). Первый способ использования нескольких видов трудно реализовать на практике из-за дефицита доступности надлежащих видов в устройстве, масштаб которого позволяет получить термоядерную плазму. Последние способы в дополнение к этому требуют нахождения нескольких линий Ханле, несколько усложняя теоретическое рассмотрение результатов. Однако теоретическая проблема упрощается, если поляризацией освещающего излучения можно управлять. Такие методы могут обеспечить измерение обоих, т.е. и азимутального, и аксиального магнитных полей в FRC-плазме одновременно.In FRC magnetic fields, a small azimuthal magnetic field (VD) may be present. Knowing this azimuthal field is also highly desirable. The above methods can be extended to components of a three-dimensional magnetic field vector. This can be achieved (i) by using several almost orthogonal views for the same volume plasma (ii) or by using two or more resonant emission lines with different sensitivities (e.g. H~1 and H>>1) The first way of using multiple views is difficult to implement in practice due to the lack of availability of proper views in a device whose scale allows you to get thermonuclear plasma.The latter methods in addition require finding several Hanle lines, somewhat complicating the theoretical consideration of the results.However, the theoretical problem is simplified if the polarization of the illuminating radiation can be controlled.Such methods can provide a measurement of both, i.e., both azimuth and axial magnetic field and in FRC plasma simultaneously.
В вариантах осуществления аппаратура для высокотемпературной FRC-плазмы содержит инструмент для обеспечения следующих измерений применительно к высокотемпературной FRC-плазме:In embodiments, the high temperature FRC plasma instrumentation includes a tool to provide the following measurements for high temperature FRC plasma:
доказательство существования обращения поля и его эволюции во времени;proof of the existence of field reversal and its evolution in time;
радиальное местоположение нуля поля и его эволюция во времени;radial location of the field zero and its evolution in time;
пространственный профиль вектора направления поля для чисто магнитного поля внутри плазмы и его эволюция во времени.spatial profile of the field direction vector for a purely magnetic field inside the plasma and its evolution in time.
Каждое из этих измерений и большее их количество могут быть достигнуты посредством описываемых здесь системы и способов. На фиг. 10 и 11 иллюстрируется конструкция спектрополяриметра и его целевого воплощения на установках, работающих с FRC-плазмой.Each of these dimensions and more can be achieved through the systems and methods described here. In FIG. 10 and 11 illustrate the design of the spectropolarimeter and its target implementation in facilities operating with FRC plasma.
На фиг. 10 иллюстрируется система, содержащая спектрополяриметр, соответствующая вариантам осуществления настоящего изобретения, предусматривающим освещение снаружи. Спектрометр с высокоскоростной ПЗС-камерой модифицирован так, чтобы сделать спектрополяриметр. Как обычно, длина волны отображается вдоль направления горизонтальной оси ПЗС. Спектральный диапазон достаточно широк, чтобы включать множество длины волн, которые следует измерять одновременно для измерений векторного поля. Радиальная протяженность плазмы, которая включает в себя нуль поля, отображается вдоль вертикального направления ПЗС. Излучение в вертикальном направлении далее расщепляется на ортогональные поляризации с помощью двоякопреломляющего кристалла, либо материала или компонента, обладающего аналогичными свойствами.In FIG. 10 illustrates a system incorporating a spectropolarimeter in accordance with embodiments of the present invention involving outdoor illumination. A spectrometer with a high-speed CCD camera is modified to make a spectropolarimeter. As usual, the wavelength is displayed along the direction of the horizontal axis of the CCD. The spectral range is wide enough to include many wavelengths that must be measured simultaneously for vector field measurements. The radial extent of the plasma, which includes the zero field, is displayed along the vertical direction of the CCD. The radiation in the vertical direction is further split into orthogonal polarizations using a birefringent crystal, or a material or component having similar properties.
В FRC-плазму радиально инжектируют, например сбоку, три лазерных пучка с разной поляризацией, отделенные малым расстоянием друг от друга, а в противном случае - с одинаковой длиной волны и другими свойствами. Спектрополяриметр также может иметь три щели для отображения этих трех лазерных пучков. Каждая комбинация щели и лазера обеспечит ее собственную спектральную линию, отстоящую от двух других. Инжектируемые лазерные пучки пересекают местоположение нуля в магнитном поле FRC в двух местоположениях. Траектории этих пучков вдоль радиального направления отображаются в вертикальном направлении ПЗС с требуемым пространственным разрешением. Спектрополяриметр обеспечивает комбинацию трех входных поляризаций: двух ортогональных поляризаций и трех или более спектральных линий при одномерном пространственном разрешении вдоль радиального направления. Скоростная камера обеспечивает измерения с требуемым временным разрешением.Three laser beams with different polarizations, separated by a small distance from each other, and otherwise with the same wavelength and other properties, are radially injected into the FRC plasma, for example from the side. The spectropolarimeter can also have three slits to display these three laser beams. Each combination of slit and laser will provide its own spectral line, separated from the other two. The injected laser beams cross the zero location in the FRC magnetic field at two locations. The trajectories of these beams along the radial direction are displayed in the vertical direction of the CCD with the required spatial resolution. The spectropolarimeter provides a combination of three input polarizations: two orthogonal polarizations and three or more spectral lines at one-dimensional spatial resolution along the radial direction. The high-speed camera provides measurements with the required time resolution.
В дополнение к местонахождению нуля другой точкой, где магнитное поле исчезает в FRC-плазме, является точка X в окрестности краев FRC вдоль аксиального направления. Расстояние между точкой X и нулем задает длину FRC. Представляемые здесь способы предусматривают измерение местоположений точки X и длины FRC. Длина в FRC может сокращаться со временем. Это затрудняет использование одного лазерного пучка, инжектируемого радиально и находящегося в фиксированном осевом положении, для освещения точки X. В вариантах осуществления лазерный пучок инжектируют аксиально, так что он может освещать обе точки X одновременно, и их освещение продолжается во время сжатия магнитного поля FRC. Альтернативный подход к освещению может предусматривать использование множества лазеров или уровней лазера, предусматривающих радиальную инжекцию. В любом случае для сбора сигнала можно использовать радиальный вид, перпендикулярный инжектирующему лазеру и аналогичный радиальному виду, описанному выше.In addition to the zero location, another point where the magnetic field disappears in the FRC plasma is the X point in the vicinity of the FRC edges along the axial direction. The distance between point X and zero defines the length of the FRC. The methods presented here involve measuring X-point locations and FRC lengths. The length in the FRC may shrink over time. This makes it difficult to use a single laser beam, injected radially and in a fixed axial position, to illuminate the X point. In embodiments, the laser beam is injected axially so that it can illuminate both X points at the same time, and their illumination continues during the contraction of the FRC magnetic field. An alternative approach to illumination may involve the use of multiple lasers or laser levels providing for radial injection. In either case, a radial view perpendicular to the injection laser and similar to the radial view described above can be used to collect the signal.
На фиг. 11 иллюстрируется система, содержащая спектрополяриметр, соответствующая вариантам осуществления настоящего изобретения, предусматривающим самоосвещение. Спектрометр с высокоскоростной ПЗС-камерой модифицирован так, чтобы получить спектрополяриметр. Как обычно, длина волны отображается вдоль направления горизонтальной оси ПЗС. Спектральный диапазон достаточноIn FIG. 11 illustrates a system comprising a spectropolarimeter in accordance with self-illuminating embodiments of the present invention. A spectrometer with a high speed CCD camera is modified to form a spectropolarimeter. As usual, the wavelength is displayed along the direction of the horizontal axis of the CCD. Spectral range is enough
- 7 040091 широк, чтобы в него входили длины волн, которые следует измерять одновременно для измерений векторного поля. Радиальная протяженность плазмы, которая включает в себя нуль поля, отображается вдоль вертикального направления ПЗС. Излучение в вертикальном направлении дополнительно расщепляется на ортогональные поляризации с помощью двоякопреломляющего кристалла, либо материала или компонента, обладающего аналогичными свойствами. Прибор может обеспечить комбинацию двух ортогональных поляризаций и нескольких спектральных линий при одномерном пространственном разрешении вдоль радиального направления. Скоростная ламера обеспечивает измерения с требуемым временным разрешением. Сигнал можно собирать с аксиального или радиального вида магнитного поля FRC. Для сбора сигнала щель спектрополяриметра должна отображаться на плазме в подходящем местоположении и направлении. Для аксиального вида щель 1101 будет выставлена радиально, покрывая все возможные местоположения нуля. Для радиального вида щель 1102 также будет выставлена вдоль радиального направления.- 7 040091 is wide to include wavelengths that should be measured simultaneously for vector field measurements. The radial extent of the plasma, which includes the zero field, is displayed along the vertical direction of the CCD. The radiation in the vertical direction is further split into orthogonal polarizations using a birefringent crystal, or a material or component having similar properties. The instrument can provide a combination of two orthogonal polarizations and several spectral lines with one-dimensional spatial resolution along the radial direction. The high-speed lamer provides measurements with the required time resolution. The signal can be collected from the axial or radial view of the FRC magnetic field. To collect the signal, the slit of the spectropolarimeter must be imaged on the plasma in a suitable location and direction. For an axial view, slot 1101 will be exposed radially, covering all possible zero locations. For a radial view, slot 1102 will also be exposed along the radial direction.
В дополнение к местоположению нуля другими точками, где магнитное поле исчезает в FRCплазме, являются точки X в окрестности краев FRC вдоль аксиального направления. Расстояние между точками X определяет длину FRC-плазмы. Представляемые в изобретении способы можно также использовать для измерения местоположений точек X и длины FRC-плазмы. Радиальный вид обеспечивает простейшую геометрию для наблюдения точки X. Можно использовать спектрополяриметр, аналогичный уже описанному здесь. Направление одномерного пространственного разрешения (т.е. длину вида, где отображается щель 1103) следует выставлять в аксиальном направлении FRC-плазмы, которая включает в себя область точек X. Поскольку длина FRC-плазмы сокращается со временем, точка X будет двигаться к срединной плоскости FRC-плазмы. Один спектрополяриметр обеспечит измерение местоположения одной точки X, следовательно, для измерения расстояния между двумя точками X, а значит и длины FRC-плазмы, необходимо проводить два одновременных измерения.In addition to the zero location, other points where the magnetic field disappears in the FRC plasma are the X points in the vicinity of the FRC edges along the axial direction. The distance between the X points determines the length of the FRC plasma. The methods of the invention can also be used to measure X-point locations and FRC plasma lengths. The radial view provides the simplest geometry for observing the X point. A spectropolarimeter similar to the one already described here can be used. The direction of the 1D spatial resolution (i.e., the length of the view where the slit 1103 is displayed) should be set to the axial direction of the FRC plasma, which includes the X point region. As the length of the FRC plasma shortens with time, the X point will move towards the median plane FRC plasma. One spectropolarimeter will measure the location of one X point, therefore, to measure the distance between two X points, and hence the length of the FRC plasma, two simultaneous measurements are necessary.
Предлагаемые здесь системы и способы обеспечивают входы для управления FRC-плазмой в реальном масштабе времени и с обратной связью. Рассматриваемые здесь система и способы обеспечивают радиальное, а также аксиальное позиционирование FRC-плазмы в реальном масштабе времени, что можно использовать непосредственно для управления с обратной связью. Например, высокоскоростная камера, используемая с вышеупомянутой конфигурацией, может выдавать местоположения магнитного нуля в двух точках на некоторой хорде, скажем, вдоль диаметра. С помощью простой алгебры эту информацию можно использовать для задания радиуса и центра FRC-плазмы в реальном масштабе времени посредством компьютера или даже обработки аналоговых или цифровых сигналов. (Например, центр этих нулей будет задавать центр плазмы.) Эту информацию в реальном масштабе времени можно выдавать в систему управления с обратной связью для управления радиальным местоположением и размером FRC-плазмы посредством управления магнитным полем, прикладываемым извне. Если имеются в наличии замеры точек X или длины FRC-плазмы, их можно также выдавать в систему с обратной связью для управления аксиальным местоположением FRC-плазмы.The systems and methods provided herein provide inputs for FRC plasma control in real time and with feedback. The system and methods discussed here provide real-time radial as well as axial FRC plasma positioning that can be used directly for feedback control. For example, a high speed camera used with the above configuration can provide magnetic zero locations at two points along some chord, say along a diameter. With simple algebra, this information can be used to set the radius and center of an FRC plasma in real time via a computer or even analog or digital signal processing. (For example, the center of these zeros will define the center of the plasma.) This real-time information can be provided to a feedback control system to control the radial location and size of the FRC plasma by controlling an externally applied magnetic field. If X-point measurements or FRC length measurements are available, they can also be output to a feedback system to control the axial location of the FRC plasma.
В эту систему с обратной связью можно непосредственно подавать векторы Стокса - Q, U и V. Это может обеспечить способность принимать решение по автоматическому управлению, основанное на существовании обращения поля, местоположения нуля поля и даже направления или составляющей магнитного поля в FRC-плазме.The Stokes vectors Q, U and V can be directly fed into this feedback system. This can provide the ability to make an automatic control decision based on the existence of a field reversal, the location of the field zero, and even the direction or component of the magnetic field in the FRC plasma.
В реакторе термоядерного синтеза на основе плазмы критично иметь возможности базовых измерений параметров плазмы и управления ею для нормальной работы и безопасности. Описываемые здесь системы и способы обеспечивают невозмущающие измерения конфигурации и положений магнитного поля и могут быть использованы для активного управления в реакторе термоядерного синтеза на основе FRC-плазмы.In a plasma-based fusion reactor, it is critical to have basic plasma measurement and control capabilities for normal operation and safety. The systems and methods described herein provide non-disturbing measurements of magnetic field configuration and positions and can be used for active control in an FRC plasma fusion reactor.
Варианты осуществления настоящего изобретения направлены на создание невозмущающего способа измерения магнитных полей в высокотемпературных плазмах, содержащего радиальную инжекцию первого множества лазерных пучков в FRC-плазму, причем каждый из лазерных пучков имеет отличающуюся поляризацию, пересечение местоположения нуля в магнитном поле FRC упомянутой FRC-плазмы в двух местоположениях; отображение траекторий упомянутого первого множества лазерных пучков в вертикальном направлении ПЗС; расщепление излучения в вертикальном направлении с дополнительным расщеплением на ортогональные поляризации с помощью двоякопреломляющего кристалла; измерение местоположения нуля магнитного поля FRC.Embodiments of the present invention are directed to a non-disturbing method for measuring magnetic fields in high temperature plasmas, comprising radially injecting a first plurality of laser beams into an FRC plasma, each of the laser beams having a different polarization, crossing zero locations in the FRC magnetic field of said FRC plasma in two locations; displaying the paths of said first plurality of laser beams in the vertical direction of the CCD; splitting of radiation in the vertical direction with additional splitting into orthogonal polarizations using a birefringent crystal; measurement of the location of zero magnetic field FRC.
В вариантах осуществления способ дополнительно содержит аксиальную инжекцию лазерного пучка в магнитное поле FRC; освещение каждой из двух точек X магнитного поля FRC; измерение расстояния между этими двумя точками X для получения длины магнитного поля FRC.In embodiments, the method further comprises axially injecting a laser beam into a magnetic field FRC; illumination of each of the two points X of the magnetic field FRC; measure the distance between these two X points to obtain the length of the magnetic field FRC.
В вариантах осуществления способ дополнительно содержит радиальную инжекцию второго множества лазерных пучков в магнитное поле FRC; освещение каждой из двух точек X магнитного поля FRC; измерение расстояния между упомянутыми двумя точками X для получения длины магнитного поля FRC.In embodiments, the method further comprises radially injecting a second plurality of laser beams into a magnetic field FRC; illumination of each of the two points X of the magnetic field FRC; measuring the distance between said two points X to obtain the length of the magnetic field FRC.
В вариантах осуществления способ дополнительно содержит выдачу местоположений для местоположения нуля магнитного поля FRC в двух точках вдоль диаметра FRC-плазмы; вычисление радиуса иIn embodiments, the method further comprises providing locations for the FRC magnetic field zero location at two points along the FRC plasma diameter; radius calculation and
- 8 040091 центра FRC-плазмы с использованием локализаций местоположения нуля; выдачу упомянутых радиуса и центра в систему управления с обратной связью.- 8 040091 FRC plasma center using zero location localizations; issuing said radius and center to the feedback control system.
В некоторых вариантах осуществления система управления с обратной связью управляет радиальным местоположением и размером FRC-плазмы посредством управления магнитным полем, прикладываемым извне.In some embodiments, the feedback control system controls the radial location and size of the FRC plasma by controlling an externally applied magnetic field.
Варианты осуществления настоящего раскрытия также направлены на создание невозмущающего способа измерения магнитных полей в высокотемпературных плазмах, содержащего отображение длины волны FRC-плазмы вдоль направления горизонтальной оси ПЗС; отображение радиальной протяженности FRC-плазмы вдоль направления вертикальной оси ПЗС; расщепление излучения в вертикальном направлении на ортогональные поляризации с использованием двоякопреломляющего кристалла; измерение местоположения нуля магнитного поля FRC упомянутой FRC-плазмы.Embodiments of the present disclosure are also directed to a non-disturbing method for measuring magnetic fields in high temperature plasmas, comprising displaying the FRC plasma wavelength along the direction of the horizontal axis of the CCD; displaying the radial extent of the FRC plasma along the direction of the vertical axis of the CCD; splitting of radiation in the vertical direction into orthogonal polarizations using a birefringent crystal; measuring the location of the null of the FRC magnetic field of said FRC plasma.
В вариантах осуществления способ дополнительно содержит выставление щели первого спектрополяриметра в аксиальном направлении FRC-плазмы; измерение местоположения первой точки X магнитного поля FRC.In embodiments, the method further comprises aligning the slit of the first spectropolarimeter in the axial direction of the FRC plasma; measuring the location of the first X point of the FRC magnetic field.
В вариантах осуществления способ дополнительно содержит одновременное выставление щели второго спектрополяриметра в аксиальном направлении FRC-плазмы; измерение местоположения второй точки X магнитного поля FRC; измерение расстояния между первой точкой X и второй точкой X для получения длины магнитного поля FRC.In embodiments, the method further comprises simultaneously aligning the slit of the second spectropolarimeter in the axial direction of the FRC plasma; measuring the location of the second point X of the magnetic field FRC; measuring the distance between the first X point and the second X point to obtain the length of the magnetic field FRC.
В вариантах осуществления способ дополнительно содержит выдачу местоположений для местоположения нуля магнитного поля FRC в двух точках вдоль диаметра FRC-плазмы; вычисление радиуса и центра FRC-плазмы с использованием упомянутых местоположений для местоположения нуля; выдачу упомянутых радиуса и центра в систему управления с обратной связью.In embodiments, the method further comprises providing locations for the FRC magnetic field zero location at two points along the FRC plasma diameter; calculating the radius and center of the FRC plasma using said locations for the zero location; issuing said radius and center to the feedback control system.
В вариантах осуществления система управления с обратной связью управляет радиальным местоположением и размером FRC-плазмы посредством управления магнитным полем, прикладываемым извне.In embodiments, the feedback control system controls the radial location and size of the FRC plasma by controlling an externally applied magnetic field.
Варианты осуществления настоящего раскрытия направлены на спектрополяриметр для невозмущающего измерения магнитных полей в высокотемпературных плазмах, содержащий спектрометр; высокоскоростную ПЗС-камеру; три лазерных пучка; двоякопреломляющий кристалл.Embodiments of the present disclosure are directed to a spectropolarimeter for non-perturbing measurement of magnetic fields in high temperature plasmas, comprising a spectrometer; high speed CCD camera; three laser beams; birefringent crystal.
В вариантах осуществления упомянутые три лазерных пучка имеют разные поляризации, одинаковые длины волн и малое расстояние друг от друга.In embodiments, said three laser beams have different polarizations, the same wavelengths, and are close to each other.
В вариантах осуществления спектрополяриметр дополнительно содержит три щели для визуализации упомянутых трех лазерных пучков.In embodiments, the spectropolarimeter further comprises three slits for visualizing said three laser beams.
В вариантах осуществления спектрополяриметр выполнен с возможностью радиальной инжекции упомянутых трех лазерных пучков в FRC-плазму; пересечения местоположения нуля в магнитном поле FRC упомянутой FRC-плазмы в двух местоположениях; отображения траекторий упомянутого первого множества лазерных пучков в вертикальном направлении ПЗС; расщепления излучения в вертикальном направлении, с дополнительным расщеплением на ортогональные поляризации с использованием двоякопреломляющего кристалла; измерения с использованием ПЗС местоположения нуля магнитного поля FRC.In embodiments, the spectropolarimeter is configured to radially inject said three laser beams into the FRC plasma; crossing zero locations in the FRC magnetic field of said FRC plasma at two locations; displaying paths of said first plurality of laser beams in the vertical direction of the CCD; splitting radiation in the vertical direction, with additional splitting into orthogonal polarizations using a birefringent crystal; measurements using the CCD location of zero magnetic field FRC.
В вариантах осуществления спектрополяриметр дополнительно выполнен с возможностью аксиальной инжекции лазерного пучка в магнитное поле FRC; освещения каждой из двух точек X магнитного поля FRC; измерения расстояния между этими двумя точками X для получения длины магнитного поля FRC.In embodiments, the spectropolarimeter is further configured to axially inject the laser beam into the magnetic field FRC; illuminating each of the two points X of the magnetic field FRC; measure the distance between these two points X to obtain the length of the magnetic field FRC.
В вариантах осуществления спектрополяриметр дополнительно выполнен с возможностью радиальной инжекции второго множества лазерных пучков в магнитное поле FRC; освещения каждой из двух точек X магнитного поля FRC; измерения расстояния между этими двумя точками X для получения длины магнитного поля FRC.In embodiments, the spectropolarimeter is further configured to radially inject a second plurality of laser beams into the magnetic field FRC; illuminating each of the two points X of the magnetic field FRC; measure the distance between these two points X to obtain the length of the magnetic field FRC.
В вариантах осуществления спектрополяриметр выполнен с возможностью отображения длины волны FRC-плазмы вдоль направления горизонтальной оси ПЗС; отображения радиальной протяженности FRC-плазмы вдоль направления вертикальной оси ПЗС; расщепления излучения в вертикальном направлении на ортогональные поляризации с использованием двоякопреломляющего кристалла; измерения с использованием ПЗС местоположения нуля магнитного поля FRC упомянутой FRC-плазмы.In embodiments, the spectropolarimeter is configured to display the wavelength of the FRC plasma along the direction of the horizontal axis of the CCD; displaying the radial extent of the FRC plasma along the direction of the vertical axis of the CCD; splitting radiation in the vertical direction into orthogonal polarizations using a birefringent crystal; measuring, using a CCD, the location of the FRC magnetic field zero of said FRC plasma.
В вариантах осуществления спектрополяриметр дополнительно выполнен с возможностью выдачи местоположения для местоположения нуля магнитного поля FRC в двух точках вдоль диаметра FRCплазмы; вычисления радиуса и центра FRC-плазмы с использованием упомянутых местоположений для местоположения нуля; выдачи упомянутых радиуса и центра в систему управления с обратной связью.In embodiments, the spectropolarimeter is further configured to provide a location for the FRC magnetic field zero location at two points along the FRC plasma diameter; calculating the radius and center of the FRC plasma using said locations for the zero location; issuing said radius and center to the feedback control system.
В вариантах осуществления система управления с обратной связью управляет радиальным местоположением и размером FRC-плазмы посредством управления магнитным полем, прикладываемым извне.In embodiments, the feedback control system controls the radial location and size of the FRC plasma by controlling an externally applied magnetic field.
Варианты осуществления данного изобретения направлены на систему для невозмущающего измерения магнитных полей в высокотемпературных плазмах, содержащую первый спектрополяриметр и второй спектрополяриметр, причем первый спектрополяриметр выполнен с возможностью выставленияEmbodiments of the present invention are directed to a system for non-disturbing measurement of magnetic fields in high temperature plasmas, comprising a first spectropolarimeter and a second spectropolarimeter, wherein the first spectropolarimeter is configured to set
- 9 040091 щели первого спектрополяриметра в аксиальном направлении FRC-плазмы; и измерения местоположения первой точки X магнитного поля FRC; при этом второй спектрополяриметр выполнен с возможностью одновременного выставления щели второго спектрополяриметра в аксиальном направлении FRCплазмы; измерения местоположения второй точки X магнитного поля FRC; и измерения расстояния между первой точкой X и второй точкой X для получения длины магнитного поля FRC.- 9 040091 slots of the first spectropolarimeter in the axial direction of the FRC plasma; and measuring the location of the first point X of the magnetic field FRC; wherein the second spectropolarimeter is configured to simultaneously expose the slit of the second spectropolarimeter in the axial direction of the FRC plasma; measuring the location of the second point X of the magnetic field FRC; and measuring the distance between the first point X and the second point X to obtain the length of the magnetic field FRC.
Все признаки, элементы, компоненты, функции и этапы, описанные применительно к любому представленному здесь варианту осуществления, следует считать объединяемыми и взаимозаменяемыми без ограничений с признаками, элементами, компонентами, функциями и этапами из любого другого варианта осуществления. Если некоторый признак, элемент, компоненты, функция или этап описывается применительно лишь к одному варианту осуществления, то должно быть ясно что этот признак, элемент, компонент, функцию или этап можно использовать со всеми остальными описанными здесь вариантами осуществления, если явно не указано иное. Следовательно, этот абзац служит в качестве априорного базиса и письменного обоснования для введения формулы изобретения всякий раз, когда объединяют признаки, элементы, компоненты, функции и этапы из разных вариантов осуществления или когда заменяют признаки, элементы, компоненты, функции и этапы из одного варианта осуществления признаками, элементами, компонентами, функциями и этапами из другого, даже если в последующем описании не явного изложения в конкретном примере, что такие объединения и замены возможны. Выражение формулировок каждой возможной комбинации и замены слишком обременительно, особенно при условии допущения того, что специалисты в данной области техники по прочтении этого описания легко распознают всякую без исключения объединительную совокупность и замену.All features, elements, components, functions, and steps described in connection with any embodiment presented herein are to be considered mergerable and interchangeable, without limitation, with features, elements, components, functions, and steps from any other embodiment. If a feature, element, component, function, or step is described in relation to only one embodiment, then it should be clear that this feature, element, component, function, or step can be used with all other embodiments described here, unless otherwise explicitly stated. Therefore, this paragraph serves as an a priori basis and written justification for the introduction of claims whenever features, elements, components, functions, and steps from different embodiments are combined or when features, elements, components, functions, and steps are substituted from one embodiment. features, elements, components, functions, and steps from another, even though the following description does not expressly state in a specific example that such combinations and substitutions are possible. Expressing the wording of every possible combination and substitution is too cumbersome, especially assuming that those skilled in the art, upon reading this description, will readily recognize any and all combinations and substitutions.
Во многих случаях объекты описываются здесь как связанные с другими объектами. Следует понять, что термины связанный (связанная, связанное, связанные) и соединенный (соединенная, соединенное, соединенные) или любые из форм употребляются здесь взаимозаменяемо и в обоих случаях являются родовыми для непосредственной связи двух объектов без каких-либо существенных, например паразитных промежуточных, объектов и косвенной связи двух объектов с одним или более промежуточными объектами. Если объекты показаны как непосредственно связанные воедино или описаны как связанные воедино без описания какого-либо промежуточного объекта, следует понять, что эти объекты тоже могут быть непосредственно связаны воедино, если в контексте явно не диктует иное.In many cases, objects are described here as related to other objects. It should be understood that the terms connected (connected, connected, connected) and connected (connected, connected, connected) or any of the forms are used interchangeably here and in both cases are generic for the direct connection of two objects without any significant, for example parasitic intermediates, objects and the indirect connection of two objects with one or more intermediate objects. If objects are shown as being directly linked together, or described as being linked together without describing any intermediate object, it should be understood that these objects can also be directly linked together unless the context clearly dictates otherwise.
Хотя варианты осуществления могут быть подвергнуты внесению различных модификаций и альтернативных форм, их конкретные примеры показаны на чертежах и описаны здесь подробно. Однако должно быть ясно, что эти варианты осуществления не ограничиваются раскрытой конкретной формой, а наоборот, эти варианты осуществления следует считать охватывающими все модификации, эквиваленты и альтернативы, находящиеся в рамках сущности изобретения. Помимо этого, приводить в формуле изобретения или вносить в нее можно любые признаки, функции, этапы или элементы согласно вариантам осуществления, а также отрицательные ограничения, которые определяют объем притязаний согласно изобретению признаками, функциями, этапами или элементами, находящимися вне этого объема.Although the embodiments may be subject to various modifications and alternative forms, their specific examples are shown in the drawings and described in detail here. However, it should be clear that these embodiments are not limited to the specific form disclosed, but rather, these embodiments should be considered to cover all modifications, equivalents, and alternatives that are within the spirit of the invention. In addition, any features, functions, steps or elements according to the embodiments, as well as negative limitations that define the scope of claims according to the invention by features, functions, steps or elements that are outside this scope, can be given in or introduced into the claims.
Claims (19)
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US62/345,571 | 2016-06-03 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| EA040091B1 true EA040091B1 (en) | 2022-04-19 |
Family
ID=
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US20220013340A1 (en) | Non-pertubative measurements of low and null magnetic field in high temperature plasmas | |
| Hubele et al. | Electron and recoil ion momentum imaging with a magneto-optically trapped target | |
| Fouquet et al. | Thermal energy He3 spin-echo spectrometer for ultrahigh resolution surface dynamics measurements | |
| Sharples et al. | Rotationally inelastic scattering of NO (A2Σ+)+ Ar: Differential cross sections and rotational angular momentum polarization | |
| Thompson et al. | Confocal laser induced fluorescence with comparable spatial localization to the conventional method | |
| Fang et al. | Design and characterization of a velocity-map imaging apparatus for low-energy photo-ion spectroscopy using magneto-optically trapped atoms | |
| EA040091B1 (en) | NONDISTURBING MEASUREMENTS OF WEAK MAGNETIC FIELD AND NULL MAGNETIC FIELD IN HIGH-TEMPERATURE PLASMA | |
| Patel et al. | Zeeman spectroscopy as a method for determining the magnetic field distribution in self-magnetic-pinch diodes | |
| An et al. | Laser-induced fluorescence-dip spectroscopy of Rydberg states of xenon for electric field measurement in plasma | |
| Kostic et al. | Development of a spectroscopic diagnostic tool for electric field measurements in IShTAR (Ion cyclotron Sheath Test ARrangement) | |
| Tsang et al. | Optical beam profile monitor and residual gas fluorescence at the relativistic heavy ion collider polarized hydrogen jet | |
| Han et al. | Data processing and analysis of the imaging Thomson scattering diagnostic system on HT-7 tokamak | |
| Etchessahar et al. | Experimental study of self magnetic pinch diode as flash radiography source at 4 megavolt | |
| NZ788680A (en) | Non-pertubative measurements of low and null magnetic field in high temperature plasmas | |
| Cortázar et al. | The relationship between visible light emission and species fraction of the hydrogen ion beams extracted from 2.45 GHz microwave discharge | |
| Den Hartog et al. | Radiative lifetimes of neutral samarium | |
| Denham et al. | High energy electron diffraction instrument with tunable camera length | |
| Wu et al. | A potential optical approach for diagnosis of the local magnetic field near the surface of the first wall/divertor tiles by Zeeman effect using polarization-resolved laser-induced breakdown spectroscopy | |
| Xu et al. | The study of Eu 4 f 7 6 p 6 d autoionizing states with RIS and VMI techniques | |
| Stopper et al. | Three-dimensional analysis of microwave generated plasmas with extended planar laser-induced fluorescence | |
| Casasús et al. | Stark control of multiphoton ionization through Freeman resonances in alkyl iodides | |
| Ström | Measurements of electric fields in a plasma by Stark mixing induced Lyman-α radiation | |
| Allen et al. | Implementation of coherence imaging spectroscopy for ion flow measurements in the Compact Toroidal Hybrid experiment | |
| Kim et al. | Spectroscopic interferometer for coherence length spectroscopy of pulsed discharge plasma | |
| Huang et al. | Using Nonlinear Zeeman Spectroscopy to obtain In-Situ Magnetic Field Measurement in a Hall Thruster |