Bolometry

Bolometer (od starověkého řeckého balleinu, hodit, poslat) je zařízení pro měření intenzity dopadajícího elektromagnetického záření, které zahřívá materiál a tím mění jeho elektrický odpor závislý na teplotě. Sám o sobě je až překvapivě jednoduchý, ale je ho nutné přizpůsobit podmínkám, ve kterých bude měřit. Podmínky můžou být mechanické či tepelné namáhání, rozlišovací schopnost jak prostorová, tak časová atd. Bolometry jsou důležitým diagnostickým zařízením pro udržení rovnováhy výkonu tokamaku ITER.

V tokamaku ITER bude strategicky rozmístěno sto bolometrových senzorů s celkovým počtem přibližně 500 zorných paprsků, aby bylo možné nepřetržitě měřit jak celkovou radiaci, tak její profily, a aby poskytovaly regulačnímu systému plazmatu informace, které potřebuje k řízení, zejména poměr vstupního výkonu ohřevu a výstupního vyzařovaného výkonu, to vše na požadované rozlišovací úrovni.

Důležité je vědět, jak se ztrácí teplo

Pro udržení optimální energetické rovnováhy v tokamaku ITER musí regulační systém plazmatu vědět nejen, kolik tepla se ztrácí, ale také jakým způsobem: vodivostí (kondukcí) či prouděním (konvekcí), elektromagnetickým zářením, nebo neutrony. Cílem je snížit vedení a proudění tepla a zvýšit vyzařované teplo tak, že 90 procent energie (nepočítaje neutrony) se bude ztrácet elektromagnetickým zářením. Přenos tepla elektromagnetickým zářením má tu výhodu, že se stejně jako neutrony rozptyluje v širší oblasti tokamaku (přes 800 metrů čtverečních), na rozdíl od vodivého a konvekčního tepla, které se soustředí převážně na divertor (oblast menší) než 100 metrů čtverečních).

„Jedním z problémů při udržování správného procenta vyzařované energie je to, že čím blíže se k této 90% hranici dostanete, tím vyšší je riziko, že dosáhnete 100 %, což by vedlo k radiačnímu zhroucení plazmatu,“ říká Roger Reichle, vedoucí bývalé Sekce diagnostiky vakuové komory. „Bolometry nám umožňují neporušit touto jemnou hranici: měří nejen přesné množství celkového množství záření, ale také spektrum záření, které jednoznačně identifikuje různé provozní podmínky.“

Bolometry doručují „své“ pozorování do řídicího systému plazmatu, který pak může zahájit jakékoli potřebné úpravy či opravy. Pokud je radiační teplo pod 90 %, může řídicí systém vstřiknout do plazmatu více nečistot, aby se zvýšilo vyzařování. Pokud je vyšší než 90 %, může buď snížit nečistoty, nebo zvýšit přívod tepla externím ohřevem.

Složení a funkce bolometrů

Bolometry byly vynalezeny téměř před 150 lety a od té doby se používají v řadě oblastí - například v astronomii pro detekci velmi slabých změn v záření. Jednoduchý bolometr se skládá z tenkého kovového proužku, který pohlcuje záření, zahřívá se, a tím mění elektrický odpor. Odpor kovového pásku se pak měří, čímž se určí, kolik záření bylo absorbováno.

Bolometry, které bude ITER používat, jsou miniaturizované kovové odporové bolometry. Tenkovrstvé kovové absorbéry (pouhých 20 µm tenké), jsou nanesené na velmi jemné membrány (3 µm  - 25 µm silné, v závislosti na substrátech a výrobních technikách). Integrálně zachycují světlo emitované plazmatem ve většině přítomného spektrálního rozsahu (od blízkého infračerveného po měkké rentgenové záření). Kovový vodič ve tvaru meandru začerněného na zadní straně měří změny teploty prostřednictvím změn elektrického odporu. Aby se vykompenzovaly změny okolních podmínek, budou dva můstky pracovat společně v můstkovém obvodu, přičemž jeden z absorbérů bude chráněn před zářením plazmatu, aby sloužil jako referenční (zahřívaný okolním teplem, tj. kombinací jaderného záření a okolní teploty).

Tenká nebo tlustá membrána?

Jedním z náročnějších požadavků na ITER bolometry je to, že musí odečíst data velmi rychle – během jedné milisekundy. Tomu by vyhovovaly tenké membrány mající menší hmotnost, tím také menší tepelnou kapacitu a proto kratší dobu přenosu tepla. Jinou podmínkou ovšem je, že bolometry pro ITER musí být dostatečně robustní, aby fungovaly ve vakuu s vysokými toky neutronů a okolními teplotami vyššími než 200 °C. Musí vydržet řadu zátěží, včetně seizmických, pronikání vlhkosti a páry v důsledku úniků vody, elektromagnetických zátěží a s tím spojených sil během disrupcí a tlakových pulzů z masivních plynových injekcí aplikovaných kvůli zmírnění disrupcí. Tyto požadavky na robustnost splňují však spíše silnější membrány.

Tomografická rekonstrukce plazmatu je umění

Pro získání úplného obrazu o radiačním profilu plazmatu je uspořádání bolometrů optimalizováno pro tomografickou rekonstrukci pomocí přibližně 500 zorných paprsků, které křižují plazma ve velmi promyšlené síti, aby se získal co nejlepší možný tomografický obraz záření.

Ve srovnání s jinými tomografickými aplikacemi (jako je lékařská rentgenová tomografie) je 500 paprsků malé číslo a bez předchozí znalosti vzorců může vytvořit pouze relativně hrubý tomografický obraz detekovaného záření. (Například tomografie prováděná na lidském mozku používá miliony řádků, protože pohybuje postupně po lebce kamerou s tisíci zornými paprsky). „To, co děláme, se nazývá řídká datová tomografie,“ říká Reichle. „Nám to stačí, protože chceme poznat jen čtyři nebo pět vlastností - a víme, jaké jsou stupně volnosti. Protože plazma proudí podél čar magnetického pole, víme, že dojde k relativně malé změně intenzity záření ve směru silokřivek, ale kolmo k silokřivkám mohou nastat změny výrazné. Podobně v divertorové oblasti mohou být lokální variace výrazně vyšší než v jádře plazmatu a musíme tam detekovat detaily, což je důvod, proč je nejvyšší koncentrace zorných tras v divertoru. S tak malým počtem zorných paprsků dělat tomografii je tak trochu umění.“

Základní kalibrační postupy

Řídká datová tomografie není jedinou oblastí, která vyžaduje „umělecký“ přístup. Udržování bolometrů v provozu během 30 minutového pulzu a jejich opětovná kalibrace pro další experiment bude také vyžadovat jemný a promyšlený přístup. „Jedním z problémů je to, že během provozu se teplem generovaným během experimentu zahřeje prostředí,“ říká Hans Meister z Institutu fyziky plazmatu Maxe Plancka, vedoucí projektu konsorcia, které navrhuje bolometry pro ITER. „Takže budeme muset před každým výbojem plazmatu určit kalibrační parametry závislé na teplotě, abychom se vyhnuli dlouhodobému pomalému zkreslování naměřených údajů. Naštěstí je kalibrační postup jednoduchý. Na odpory přikládáme určitou velikost elektrického napětí, což zahřívá absorbér. Výsledný exponenciální pokles teploty absorbéru, měřený uvnitř odporu, umožňuje stanovit kalibrační konstanty bolometrů.“

„Dlouhé doby výbojů v ITER také vedou ke změnám teploty prostředí mezi kalibracemi, a proto vyžadují další opatření,“ zdůrazňuje Meister. „Zaznamenávání nejen napětí, ale také proudu přes můstkový obvod nám umožňuje navrhnout potřebná schémata pro výpočet teplotních změn a kompenzací změn kalibračních parametrů.“

Volně podle Pata Branse.