Diagnostics de spectroscopie visible et ultraviolet dans ITER
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Diagnostics de spectroscopie visible et ultraviolet
dans ITER
Y. Marandet
CNRS/ Université de Provence
Laboratoire de Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires
LRC CEA/Université – Fédération fusion
Salon Mesurexpo
26 septembre 2007
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 1
Un peu d’histoire !
Spectre du soleil (couronne) (J. N. Lockyer, 1898)
λ (nm) D3 @ 587.5 nm
Signature d’éléments connus (H,…) Kirchoff&Bunsen, 1860
1868 : observation d’une raie ne correspondant à aucun élément connu
« Helium »…
…découvert sur terre en 1895
P. Janssen J.N. Lockyer
W. Ramsay
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 2
Spectroscopie dans les plasmas de fusion terrestres
Plasmas optiquement fins rayonnement fortement hors d’équilibre
Spectre de raies en émission, continuum très riche !
- Identification d’impuretés
- Analyse des intensités
Quantification de concentrations des impuretés
Fluctuations (ELMs)
- Analyse des profils de raies : décalages et des largeurs
Caractérisation des paramètres plasma: T,u
Possibilité d’utiliser des méthodes de spectroscopie active
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 3
Spectroscopie dans les plasmas de fusion terrestres
ITER
107-4.108 K 2 spectromètres
X (0.05-10 nm)
106-107 K VUV 3 spectromètres
(1-100 nm)
104-106 K
Divertor Impurity
SOL UV
Point Monitor
Visible (200-1000 nm)
X
Divertor + Hα
(656 nm)
λ (nm)
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 4
Spectroscopie VUV (Vacuum UV)
- Identification des impuretés: dispositif de sécurité (Be,W,Fe,Al,…)
- Études de physique (Ar, Ne, Kr, N, Ti…)
- Transport des impuretés
- Refroidissement par rayonnement
Mesure de profils de concentration d’impuretés (tomographie)
W. Biel, Rev. Sci. Instrum. 2006
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 5
Spectroscopie VUV côté pratique
Difficulté principale: les spectromètres doivent être dans le vide d’ITER
- Assurer la compatibilité avec le présence de tritium
- Protection suffisante contre les neutrons/γ
FZ-Jülich&
Jobin-Yvon
W. Biel et al.,
Rev. Sci. Instrum
2006
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 6
Diagnostics de spectroscopie visible
Visible
Labyrinthe Hublot
Fibre optique
Plasma
Premier Miroir
Spectromètre
Écran biologique
Spectroscopie passive et active
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 7Difficultés propres à ITER
- Transmission des hublots dégradée: déposition d’impuretés
irradiation (γ/neutrons),
+ radioluminescence
- fibres optiques inutilisables, surtout pour λCaractérisation du rapport isotopique H/D/T
n=3 Hα λ=656.28 nm
Effet de masse du noyau Dα λ=656.104 nm
Tα λ=656.045 nm
n=2
Mesure de nD/nT…
Au bord du plasma
Spectroscopie haute résolution
D. Skinner et al., JNM 1997
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 9Du flux de photons au flux de particules
Mesure spectroscopique absolue du flux de deutérons D+ sur la paroi
e- D+
hν32
…
e-
I hν (Photons/s/m-3/sr)
…
D+ D hν32
Γ D+
Paroi
Quantité essentielle = nombre de photons produits avant l’ionisation
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 10Profil de raie Doppler
vz
∆λ = λ0 I N ( ∆ λ ) d∆ λ = f ( v ) dv
v c
m( v − u ) 2
1/ 2
m
f ( v) = exp
ez 2π kT 2kT
10 10
u
8 8
Intensité [u.a.]
Intensité [u.a.]
6 6
4 4 T
2 2
0 0
-6 -4 -2 0 2 4 6 -6 -4 -2 0 2 4 6
∆ λ (Å) ∆ λ (Å)
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 11Dispositif de surveillance d’impuretés dans le divertor
T. Sugie et al.
3 types de spectromètres: - spectromètres à filtres, 3 longueurs d’onde (x4)
18x18 canaux
- basse résolution 200-1000nm (x32)
- haute résolution (12 canaux) (x2)
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 12Partie 2 - Spectroscopie active
Principe de base Localisation de l’émission
D
qq cm
Faisceau de neutres
ITER:
Chauffage 0.4 -1 MeV Visée
Diagnostic 100 KeV
(v ~1000 km.s-1)
Bonne résolution spatiale et temporelle
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 13Différentes techniques de spectroscopie active
- Spectroscopie d’émission de faisceau (BES)
e- + D D* D+hν @ 656.01 nm
Mesures de champ magnétique
- Spectroscopie échange de charge (CXRS)
C6++ D C5+* + D+
C5+ + hν @ 529.05 nm
Domaine de recherche actif au CEA Cadarache
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 14Spectroscopie d’échange de charge
Le profil de raie émis par les ions C5+ renseigne sur le profil radial de
température ionique Ti et vitesse globale u (barrières de transport)
10
u
8
Intensité [u.a.]
6
4 T
2
0
-6 -4 -2 0 2 4 6 =6.7 cm
∆ λ (Å)
a=2 m
M. Von Hellerman, Rev. Sci. Instrum. 2006
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 15Mesure de concentrations relatives d’impuretés
C6++ D C5+* + D+
L’intensité de la raie donne en principe accès à nD x nC6+
Mais:
- incertitudes sur l’atténuation du faisceau, donc sur nD
- problèmes de calibration en intensité
Une solution possible: combinaison BES/CXRS
e- + D D* L’intensité de la raie donne ne x nD
I CXRS nC 6+
= k Profil radial de nC6+
I BES ne
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 16Conclusion
La spectroscopie (visible, VUV, X) est un outil important pour:
- Le fonctionnement d’ITER (sécurité)
- La caractérisation des décharges et leur compréhension
Les techniques utilisées s’appuient sur l ’expérience acquise dans
la communauté fusion, en particulier sur les mesures actives.
Les objectifs fixés en termes de résolution spatiales, temporelle (etc…)
sont en principe atteints… Mais:
Effort important de R&D pour rendre ces techniques fiables dans ITER
Miroirs, hublots, fibres optiques
Techniques de calibration in-situ
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 17Transparents supplémentaires 26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 18
Fibres optiques – Absorption induite par irradiation
NBOHC (Non Bridging Oxygen Hole Center) Si-O- Bande absorption à 2 eV
POR (PerOxy Radicals)
Surtout rayons γ
Réduction importante par dopage
à l’hydrogène
KU1,KS4V,KU-H2G
FORC, Moscou
KU1 800-900 ppm OH
KS4VFibres optiques – Emission induite par irradiation
Emission induite: effet Cherenkov lié aux rayons γ
Dopage à l’hydrogène inefficace pour réduire la luminescence…
P. Brichard et al., J. Nucl. Matter. 2004
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 20Premier miroir – Comparaison entre différents métaux
Al Cu Mo W
Z 13 29 42 74
Tfus(°C) 660 1084 2623 3422
κ 237 401 138 174
(W/mK)
R (nm) 200-1000 500-1000 200-500
Y [u.a.] 1 1 1/40
T. Sugie et al., Rev. Sci. Instrum. 1999.
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 21Premier miroir – quelques chiffres
Flux de neutres d’échange de charge au bord d’ITER:
1023m2/s @ 350 eV
Durée de vie d’un mirroir monocristallin de Mo ou W :
104 décharges de 1000s
Diamètre maximum actuellement réalisable:
10 cm pour Mo et 5 cm pour W
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 22Premier miroir – résultats principaux Les métaux monocristallins conservent mieux les propriétés optiques dans des conditions d’érosion (rugosité moindre) Mais difficultés technologiques (taille requise pour ITER…), coût Autres voies explorées (couches protectives sur métaux PC, autres métaux comme le Rhodium, bonne stabilité à long terme) Déposition d’impuretés peut être limité par chauffage du miroir (450°C) Les expériences Tore-Supra ont montré l’importance de protéger les miroirs pendant les décharges de conditionnement (glows). (mais autres techniques de conditionnement sur ITER à cause de B) 26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 23
Hublots – choix de matériaux
Problème de thermique + irradiation
Hartfuss et al., PPCF 2006
Permet de travailler sans refroidissement actif mais très cher
et pas encore produit avec la taille requise
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 24Hublots – problèmes de thermique Chauffage par rayonnement
Dispositif de mesure pour la CXRS
M. Von Hellerman, Rev. Sci. Instrum. 2006
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 26Principe de la mesure par MSE
Référentiel laboratoire Référentiel émetteur
v E' = v × B
B Effet Stark Motionnel
B' = Β
Spectre MSE
B=3 T
Y. Marandet et al., EPS 2003.
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 27Système de mesure MSE
Bθ BT
Quantité mesurée Bθ θ
Bφ Champ Toroïdal
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 28Dispositif de mesure Hα
T. Sugie et al., 2003
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 29Spectromètres à filtres pour le DIM Douze raies sélectionnées: - Hα,Dα,Tα - He I @ 667.nm - He I @ 706.5 nm et 706.6 nm - He I @ 728.1 nm 1 ligne de visée - He II @ 468.6 nm - Be II @ 313.0 nm et 313.1 nm 4 fibres - Be III @ 372.0 nm, 372.1 nm et 373.3 nm - Be IV @ 465.9 nm 4 spectromètres - C II @ 657.8 nm (3 longueurs d’ondes) - C V @ 227.1 nm = 12 raies par visée - Cu I @ 521.8 nm et 522 nm - Ne I @ 640.2 et 640.1 nm T. Sugie et al., Rev. Sci. Instrum. 1999. 26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 30
DIM – Spectromètres à filtres UV/Visible
visible
UV
H. Ogawa et al., JAEA report 2006
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 31DIM - Spectromètre visible basse résolution UV H. Ogawa et al., JAEA report 2006 26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 32
DIM - Spectromètre visible haute résolution UV
Type Littrow
H. Ogawa et al., JAEA report 2006
26 septembre 2007 Y. Marandet Salon Mesurexpo 33Vous pouvez aussi lire
