방출 및 흡수 분광학을 이용한 중수소 플라즈마의 광학적 진단

Abstract

수소 및 그 동위원소를 포함하는 핵융합 플라즈마에서 플라즈마의 기본적인 특성인 전자온도, 전자밀도를 포함한 플라즈마의 특성(plasma parameters)은 플라즈마의 안정적인 동작과 효율적인 제어를 위한 매우 중요한 인자이다. 특히 디버터 영역에서의 에너지 수송 및 PWI(Plasma-Wall Interaction), 에지 집중 모드(Edge Localized Mode, ELM)의 특성과 제어에 연관된 무거운 입자들의 동역학적 수송 에너지(kinetic translation energy)와 진동 여기 분자 밀도 분포(vibrational excited population density)는 핵융합 플라즈마의 안정적인 제어에 매우 중요하다. 본 연구에서는 몇 가지 광학적인 진단 방법을 통해 플라즈마의 특성(, , 분자기체온도, 분자진동온도, 원자기체온도)을 진단하였다. 중수소 원자 방출광 스펙트럼(Optical Emission Spectroscopy, OES)을 이용한 플라즈마의 진단에서는 중수소 원자의 Balmer 계열 전이선의 세기비(intensity ratio)와 충돌-방사 모델(Collisional-Radiative model, CR model)을 이용하여 플라즈마의 전자온도와 전자밀도를 진단하였다. CR 모델에는 기본적인 원자-전자 상호작용에 무거운 입자들(분자 및 이온)의 상호작용을 추가하여 모델을 개선함으로서 진단의 정확성을 높였다. 필라멘트 챔버에서 중수소 플라즈마의 전자온도 및 전자밀도는 , 로 진단되었으며, 전기탐침 진단 결과(, )와 유사한 진단 결과를 얻었다. 중수소 분자 OES에 의한 플라즈마의 진단에서는 중수소 분자의 Fulcher- 밴드 전이선 방출광과 볼츠만 플롯(Boltzmann plot), 분자 코로나 모델(corona model)을 이용하여 분자의 기체온도 및 진동온도를 진단하였다. 분자 기체온도는 필라멘트 챔버에서 300~400K, 중공음극방전챔버(Hollow Cathode Discharge, HCD)에서 350~500K의 진단 결과를 얻었으며, 분자 진동온도는 필라멘트 챔버에서 3500~5000K, HCD 챔버에서 4000~5000K로 진단되었다. 다이오드 레이저를 이용한 원자의 흡수 스펙트럼(Absorption Spectroscopy)을 이용한 플라즈마의 진단에서는 중수소 원자의 Balmer- 전이선의 공진파장의 레이저를 플라즈마에 입사시켜 플라즈마에서 흡수되는 스펙트럼의 도플러 선폭 확대를 이용함으로써 원자 기체온도를 진단하였으며 350K로 진단되었다. Fulcher- 전이선으로부터 진단된 분자 기체 온도와 비교할 때 비슷한 결과이고, 이는 여기 원자 생성이 주로 분자 재결합에 의해 이루어지며, 생성된 여기 원자의 평균 에너지가 낮기 때문이다.