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| Reflexionsmessungen an Metallspiegeln vom Fusionsreaktor Tokamak JET | |
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Hr. de Temmerman von der Universität Basel und seine Kollegen analysierten die Reflexion von metallischen Spiegeln, die im Fusionreaktor Tokamak JET beschichtet wurden. Für die Messungen wurden zwei Spektrometer (getSpec-2048 und getSpec-NIR-1.7), eine Wolfram-Halogenlichtquelle (getLight-Hal-S) sowie eine Ulbrichtkugel (getSphere-50) verwendet.
Motivation:
Die Kernfusion ist eine der interessantesten Möglichkeiten für Basisenergie in der Zukunft. Bis jetzt kann allerdings keine der vorhandenen experimentellen Maschinen eine ausreichende Energieerzeugungsrate erreichen. Vor kurzem wurde die Entscheidung getroffen, den Internationalen Thermonuklearen Experimentellen Reaktor (ITER) in Frankreich zu bauen. Das wesentliche Ziel des ITER besteht darin, die wissenschaftliche und technische Umsetzbarkeit von Energieerzeugung durch Fusionsreaktionen zu demonstrieren.
ITER ist ein riesiges experimentelles System mit ca. 40 individuellen Messsystemen und diagnostischen Systemen, die genutzt werden, um das Plasmaverhalten und die zugrunde liegenden physikalischen Vorgänge zu verstehen. Der hohe erwartete Strahlungslevel im ITER wird zu einer verstärkten Absorption in strahlenbrechenden Komponenten, wie beispielsweise optischen Fenstern, führen. Deswegen wird geplant, metallische Spiegel als Plasmabetrachtungskomponenten in allen optischen Plasmadiagnosesystemen einzusetzen. Spiegel werden die Plasmastrahlen vom Vakuumbehälter zu den Detektoren hinter dem biologischen Panzer leiten. Deswegen müssen sie ihren anfänglichen Reflexionsgrad trotz der rauhen Bedingungen an der Oberfläche (hoher Level an Strahlung, Neutronenbeschuss, Sputtern durch Partikel mit hoher Energie) beibehalten. Um entscheiden zu können, welches Material für die Herstellung der Spiegel im ITER am geeignetsten ist, sind Experimente in Tokamaks nötig. Der JET-Tokamak (Joint European Torus) in Großbritannien ist der größte Tokamak der Welt. Hier wurde ein umfassender „Erst-Spiegel-Test“ veranlasst, um sich mit der Frage des Materials zu befassen. Die Tatsache, dass einige plasmakonfrontierende Komponenten aus berylliumbeschichtetem Karbon bestehen, verlangt nach einem spezifischen Messaufbau. Dieser muss kompatibel mit dem Umgang von Materialien sein, die mit Beryllium oder Tritium kontaminiert sind (niedriger Level).
Blick in den Innenraum des JET Vakuumkessels - hier wurden die Proben an verschiedenen Stellen platziert
Experimenteller Aufbau:
Das Messsystem wurde entwickelt und sollte folgende Anforderungen erfüllen: (i) die Nutzung einer Ulbrichtkugel zur Messung der totalen und diffusen Reflexion; (ii) Wellenlängenbereich 350-1700 nm zur Abdeckung des sichtbaren und nahinfraroten Spektralbereichs; (iii) physische Trennung von Ulbrichtkugel und Spektrometer zur Minimierung der Größe einer Glove Box, welche konstruiert werden muss zur Abgrenzung der kontaminierten Spiegel.
Schematische Zeichnung des Messsystems
Mit Hinblick auf den besten Kompromiß zwischen Sicherheit, Kosteneffizienz und Messanforderungen (Wellenlängenbereich und Messgenauigkeit) konnten die folgenden Geräte ausgewählt werden:
- getSpec-2048 Spektrometer mit einem 2048 Pixel CCD-Detektor (charge coupled device), 200 µm Eingangsspalt, 350-1100 nm ;
- getSpec NIR-1.7 256 PC Spektrometerr mit einem Peltier- gekühlten 256-Element InGaAs-Diodenarraydetektor, 900-1700 nm ;
- Ulbrichtkugel beschichtet mit PTFE (PolyTetra-Fluoro Ethylene, i.e. Teflon®), 50 mm Durchmesser. Eine mit aborbierendem Material beschichtete Glanzfalle wurde zur Abgrenzung der gerichteten Reflexion benutzt. Somit wurde nur die diffuse Reflexion ermittelt.
- Glasfasern mit 400 µm Kerndurchmesser.
Das Messsystem wurde mit definierten Proben kalibiriert, deren Reflexion mit einem UV/VIS/NIR-Spektrophotometer und einem Spektral-Ellipsometer bestimmt wurde. Die erhaltenen Messergebnisse, siehe Abbildung 3, stimmten im gesamten Wellenlängenbereich sehr gut überein.
Vergleich zwischen totalen Reflexionsmessungen einer Molybdän-beschichteten Probe,
a) gemessen mit dem Messaufbau von JET und
b) gemessen mit einem Spektrofotometer in Basel (Varian Cary 5).
Der finale Messaufbau im Labor ist in Abb. 4 ersichtlich. Die hoch-empfindlichen Proben wurden in einer Glove Box analysiert. Aus diesem Grund wurde nur die Eingangsoptik des Messaufbaus (Ulbrichtkugel und Transmissionssonde) in der Box installiert. Spektrometer, Rechner und Lichtquelle befanden sich außerhalb. Die Verbindung der Spektrometer mit Lichtquelle und Eingangsoptik erfolgte über Lichtleitfasern.
Endgültiger Aufbau des Messequipements im Labor,
Ulbrichtkugel und Transmissionsmesssonde wurden in eine Glove Box integiert
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Letzte Änderung 08/13/2007 01:40 PM
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