Fúziós plazmák nyalábemmissziós diagnosztikáinak zajmodellezése
A fúziós plazmafizika jelenleg a nukleáris technika egyik aktívan kutatott tudományterülete.
A jelenleg zajló kutatások reményeink szerint nagyban hozzá fognak
járulni az atommagfúziós energiatermelés technológiájának kidolgozásához, és elterjedéséhez.
A fúziós kutatások fontos részét képezik a különféle plazmadiagnosztikai eljárások.
Egy széleskörben elterjedt diagnosztikai eljárás a nyalábemissziós spektroszkópia
(Beam Emission Spectroscopy - rövidítve: BES) [1]. Ezen eljárás lényege, hogy egy
semleges atomokból álló nyaláb kerül belövésre a plazmába, és a nyalábot alkotó
részecskék a plazmarészecskékkel való ütközésekkel gerjesztődnek, majd spontán
emittálnak karakterisztikus hullámhosszakon fotonokat. A gerjesztődés mellett ionizáció,
és töltéscsere reakciók is lezajlanak, ezekre a töltött részecskékre már
hatással van a mágneses tér, így a nyaláb intenzitása a plazma belseje felé egyre
csökken, ennek megfelelően a BES-t főként plazmaszél-diagnosztikaként alkalmazzák.
Egy megfigyelőrendszer detektálja az emissziót, melynek intenzitása és térbeli
eloszlása alapján következtethető a plazma sűrűségprofilja illetve annak fluktuációja.
BES modellezése elősegíti a detektált fizikai jelenségek értelmezését, illetve számszerűsíti
a diagnosztika képességének korlátait. [2]. A RENATE-OD (RENATE-Open
Diagnostics) egy, a BME NTI által fejlesztett kód, mely atomfizikai modellek segítségével
képes BES rendszerek szimulációjára [3].
A BES megfigyelési rendszer fontos eleme a detektorrendszer. Ez több detektorból,
és a hozzájuk kapcsolódó áramkörökből áll. A detektor feladata a plazmából érkező
fényjel elektromos jellé alakítása. Mivel kis intenzitású fényjelekkel dolgozunk, így
a detektorok kimeneti jelerőssége is igen alacsony, ezért ezt egy általában műveleti
erősítőkből álló áramkör erősíti. Az emisszió, és a detektálás során számos zajforrás
jelentkezhet [4], ezért lényeges egy BES diagnosztika-szimulációban a zajmodellezés
korrekt megvalósítása. A plazmasűrűség-fluktuációk vizsgálata során nagy mintavételi
frekvenciával dolgoznak, így kis fotonszámok jelentkeznek a mérések során.
Ennek okán a magas zajszint szignifikáns hatással lehet a mért jelre, esetlegesen
használhatatlanná is teheti azt. Ezért elsődleges fontosságú a megfelelő tervezési
paraméterek megválasztásával az ideális detektor- és áramköri paraméterek beállítása.
Ehhez a zajmodellezés egy kiváló módszer.
Munkám során a szakirodalom alapján kiválasztottam a modellezés szempontjából
releváns detektortípusokat. Ezek a fotoelektron-sokszorozó cső (photomultiplier tube
- rövidítve: PMT), és a lavina-fotodióda (avalanche photodiode - rövidítve: APD).
Ezen három eszközre a használatuk során felmerülő zajforrások figyelembevételével
elméleti zajmodelleket állítottam fel [5], és megvalósítottam a ezek implementálását
RENATE-OD-ben, és ezt a kódszegmenst használtam fel szintetikus BES jelek
zajosítására. A modellezés során különböző zajforrások jelre gyakorolt individuális
hatását vettem figyelembe. Ezt követően a kód által adott eredményeket összevetettem
korábbi diagnosztikai eljárások mérési eredményeivel, ezek alapján vizsgáltam
a kód és a zajmodell helyességét.
[1] DM Thomas, GR McKee, KH Burrell, F Levinton, EL Foley, and RK Fisher. Chapter
6: Active spectroscopy. Fusion science and technology, 53(2):487–527, 2008.
[2] David Guszejnov, Gergo Pokol, Istvan Pusztai, Dániel Imre Réfy, Sandor Zoletnik,
Mate Lampert, and Y.U. Nam. Three-dimensional modeling of beam emission
spectroscopy measurements in fusion plasmas. The Review of scientific instruments,
83:113501, 11 2012.
[3] G. Pokol et al. RENATE-OD. https://github.com/gergopokol/renate-od.
[4] D. Dunai, S. Zoletnik, J. Sárközi, and A. R. Field. Avalanche photodiode based detector
for beam emission spectroscopy. Review of Scientific Instruments, 81(10):103503,
2010.
[5] Hadobás János. Fúziós plazmafizika kísérletekben használt lavina-fotodióda detektorok
optimalizálása. TDK dolgozat, 2017.
