Emissione di Ciclotrone Elettronica dai Tokamak Onofrio Tudisco

Emissione di Ciclotrone Elettronica dai Tokamak Onofrio Tudisco Ricercatore ENEA Frascati tudisco@frascati. enea. it 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II)

Cosa si misura? L’Emissione di Ciclotrone Elettronica (ECE), a certe frequenze, è di corpo nero. La misura del suo spettro permette di determinare i profili di temperatura elettronica. Intensità ECE Te(r) 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 2

Sommario l Cenni teorici n n l Sistema di misura n n l Trasporto della radiazione Coefficienti di emissione e assorbimento Emissione da un plasma termico ECE nei tokamak Antenna Guide d’onda Spettrometri : Michelson e Policromatore rivelatori Misure su FTU 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 3

Premessa I To T 1 1 2 3 f 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 4

Trasporto della radiazione Variazione d’intensità I(s)+d. I s (s), j(s) Io s=so s=0 Spessore ottico e Sorgente s - cammino ottico (s) - coefficiente d’assorbimento j(s) - coefficiente di emissione I(s) - intensità luminosa(W/m 2 Hz str) Equ. del trasporto dell’energia del fascio di luce al punto s Io - intensità luminosa entrante 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 5

Radiazione di Corpo Nero In un plasma in equilibrio termico, il termine sorgente è quello di un corpo nero: f =1 THz = 1012 Hz, T=10 e. V~105 K si ha hf/k. T~4 10 -5 (hf/k. T~1 T~4 K) Rayleigh-Jeans Se T è costante su tutto il percorso IBB Plank h /k. T 21/5/2007 Per o>>1 I=IBB Calcoleremo per individuare le condizione in cui l’ECE diventa di corpo nero Emissione di Ciclotrone (Roma II) 6

Calcolo dell’emissività l Se gli elettroni possono essere considerati indipendeti e non relativistici n Bassa densità n pe 2<< ce 2 n k. T<<mc 2 (no effetti relativistici) (no effetti collettivi) Dove v è l’emissività del singolo elettrone e f(v) è la funzione di distribuzione degli elettroni 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 7

Emissività singolo elettrone Per k. T<<mc 2 z Bo E(o) k E(x) v r dove: E(o) x E(x) y e : carica elettrone me : massa elettrone o : cost. dielettrica vuoto 21/5/2007 Risonanza : spettro a righe. Emissione di Ciclotrone (Roma II) 8

Coefficiente di assorbimento Sostituendo nell’integrale di j e assumendo f maxweliana E usando la relazione : , si può calcolare Dove e’ il profilo della riga : La cui larghezza e’ dovuta all’aumento relativistico della massa degli elettroni 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 9

Emissione nei tokamak ce 0 q=3 Nei tokamak il campo magnetico varia come 1/R. Per ogni R, il plasma emette ad una frequenza diversa. q=2 R(X) q=1 pe(O) -1 r UH(X) evitare sovrapposizione di armoniche (a/Ro<<1) r/a 1 Relazione tra e r: 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 10

Calcolo di per FTU (r) è molto stretto si approssima con un rettangolo. Per N[1020 m-3], Bo[T], R[m], T[ke. V] T=1 ke. V, N=1 x 1020 m-3 B=6 T Ro=1 m 1(o)=3 2(x)=6 3(x)=0. 06 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 11

Sommario teoria l Equazione trasporto radiazione in un mezzo attivo l Definizione di spessore ottico e sorgente l Condizioni per avere emissione di corpo nero ( >2) l Calcolo del coefficiente di assorbimento e di emissione per elettroni indipendenti l Emissione nei tokamak l Calcolo dello spessore ottico per alcune armoniche 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 12

Tecniche di misura di ECE l Spettoscopia nel lontano infrarosso n Raccolta e trasporto della radiazione n Spettrometri l Policromatore l Michelson n Rivelatori l Misure 21/5/2007 su FTU Emissione di Ciclotrone (Roma II) 13

Intervallo spettrale fce=28 B(T), B=6 T, fce=168 GHz, 2 fce=336 GHz In generale: 100 GHz < f < 600 GHz 3 mm > > 0. 5 mm (mm) 10 Micro. Onde f(Hz) 3 x 1010 Tecniche microondistiche 21/5/2007 1 ECE 0. 1 FIR 3 x 1011 3 x 1012 Tecniche quasi-ottiche 0. 01 MIR 0. 001 IR Vis 3 x 1013 3 x 1014 Tecniche ottiche Emissione di Ciclotrone (Roma II) 14

Raccolta e trasferimento della radiazione (antenna + guide) 1. Banda stretta Microondistico 2. techn. limitata a >2 mm 3. Poco luminoso d~ /2 f Ottico y=f d Difficile da realizzare per grandi d >> Quasi-ottico 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 15

L’antenna di FTU(Frascati Tokamak Upgraded) Port FTU: 8 x 40 x 150 cm Antenne ECE Specchio Parabolico(f) 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) Cornetti per riflettometria 16

Selettore di modi (FTU) Sorgenti BB Replica Guida Lente di campo Specchio ruotabile 2 f f Polarizzatore Finestra di vuoto Antenna Plasma 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 17

Guide di trasmissione (FTU) 17 m di guida d’onda che trasmettono ~7% 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 18

Micheson e Policromatore Michelson (sistema a scansione) t = 5 ms Banda : 100 -900 GHz Policromatore f ~ 9 GHz ( R~± 1. 5 cm) z ~ ± 3 cm f ~ 9 -15 GHz ( R ~ ± 1. 5 -2. 5 cm) z ~ ± 3 cm Vista perpendicolare 3 reticoli. Frequenze sintonizzabili col campo magnetico (12 frequenze fisse) t ≥ 10 s Banda ~ 100 GHz Vista perpendicolare 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 19

Spettrometri (Michelson) Schema di principio : specchio mobile Per un onda monocromatica M REo BS Eo RTEo M: Mirror BS: Beam Splitter M lo lo+x Se l’onda ha uno spettro S( ) : Se si definisce S(- )= S( ) allora la parte variabile v(x) di V(x) è la trasformata di Fourier dello spettro dell’onda incidente. v(-x)= v(x) 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 20

Spettrometri : polarizzatori Nel lontano infrarosso, è difficile fare dei “buoni” beam splitter dielettrici (a larga banda, R=T=0. 5). l Esistono buoni polarizzatori fatti da fili sottili (10 m) avvolti attorno ad un telaio con passo d<< (d=25 m, =1 mm). l Martin e Puplett hanno modificato lo schema di Michelson per usare dei polarizzatori al posto dei beam splitter l 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) Eo ET ER 21

Spettrometri : Martin-Puplett y M lo z x Eo 3’ 1 4 1. (1, 1, 0) 2. (0, 1, 0), (1, 0, 0) 3. (0, ei , 0), (1, 0, 0) 21/5/2007 5 =2 kx 2’ 3 2 M lo+x 4. (1, ei , 0) V~1 -cos 2 kx 5. (1+ ei , 1 - ei , 0)/√ 2 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 22

Movimento veloce dello specchio Uno specchio elicoidale in rotazione simula uno specchio piano in avanzamento lineare freq. ruota: 3000 rpm (50 Hz) periodo scan : 5 ms Salto di 20 mm corrispondenti a 40 mm di differenza di cammino ottico l=20 mm 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 23

Michelson di FTU(martin- paplett) guida ingresso guida uscita Polarizzatori lenti Specchio fisso ruota 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 24

Michelson : Calibrazione Il Michelson è molto luminoso (multiplexer) e quindi può essere calibrato Tcal ~ 900 K~10 -2 e. V Tplasma > 100 e. V ~104 Tcal - emissione ambiente V = IBB(T)+R(ambiente) Due sorgenti a diversa temperatura T=77 K, T=900 K V 2 -V 1=IBB(T 2)-IBB(T 1)~T 2 -T 1 - rumore termico Segnale immerso nel rumore: occorre fare 106 medie. 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 25

Spettrometri: Policromatore Diffrazione di un’onda piana da un reticolo piano o Specchio i -1 n =0 -2 1 d reticolo d sin i - d sin o = n 21/5/2007 rivelatori Emissione di Ciclotrone (Roma II) reticolo fenditura 26

Policromatore FTU Specchio uscita out 4 reticoli intercambiabili in Specchio ingresso 12 guide in uscita 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 27

Rivelatori I fotoni nel lontano infrarosso sono di bassissima energia. Questo rende difficile la loro rivelazione. Hot-electron bolometer : Bolometri criogenici (4. 2 K) con assorbimento elettronico. ( ~ 10 s) Materiale : In. Sb Antimoniuro di Indio 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 28

Michelson: Interferogrammi e spettri II IV 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 29

Michelson: Profili Te (ke. V) #17386 OH 21/5/2007 r (m) Emissione di Ciclotrone (Roma II) 30

Policromatore : riscaldamento ECRH 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 31

Policromatore: Instabilità a dente di sega 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 32

Policromatore: iniezione pellet 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 33

Canali Michelson § E-C-EM. RUOTA $ECMSVF § Canali %E. ECMxxx § %E. ECMTVR(t, t) %E. ECMTVRM(t, t) %E. ECMTVT(R, t) %E. ECMINTF(t) %E. ECMSVT(t) 21/5/2007 (segnale interferenza) (spettri, pre-elaborati) (Te(R) a tempo fissato) (Te(R-Ro) a t fissato) (Te(t) a Raggio fissato) (interferog. al tempo t) (Te(freq), a t fissato) (Te(t) a freq, fissata) Emissione di Ciclotrone (Roma II) 34

Canali Policromatore E-C-PC. CHnn/M l E-C-PC. CHnn/1 l l nn=01, …, 12 Canali %E. ECPxxxx n %E. ECPOLY(nn, t, tcal) n %E: ECPFAST(nn, t, tcal) n %E. ECPSTVRE(t, t, tcal) n %E. ECPFTVRE(t, t, tcal) n %E. ECPSTVF(t, t, tcal) n %E. ECPFTVF(t t, tcal) 21/5/2007 (canale lento nn in volt) (canale veloce nn in volt) (can. lento nn in ke. V) (can. Veloce nn in ke. V) (prof lento a t fissato) (prof veloce a t fissato) (spettro lento a t fissato) (spettro veloce a t fissato) Emissione di Ciclotrone (Roma II) 35

Sommario tecniche sperimentali Raccolta e trasferimento della radiazione l Interferometro a trasformata di Fourier(Michelson) l Teoria n Sistema a polarizzatori (Martin-Puplett) n Calibrazione n Policromatore a reticolo l Rivelatori l Misure spermentali su FTU l 21/5/2007 Emissione di Ciclotrone (Roma II) 36