Физики из Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН создали и протестировали систему обнаружения малых концентраций веществ в газовых смесях. Работа нацелена на обеспечение безопасности термоядерного реактора ИТЭР, однако спектр возможных применений разработанного метода невероятно широк: от экологического контроля до диагностики заболеваний. Результаты исследования опубликованы в журнале Laser Physics Letters.
ИТЭР – проект по созданию международного экспериментального термоядерного реактора, задачей которого станет демонстрация возможности коммерческого использования термоядерной энергии[1]. Запуск реактора, сооружаемого во французском исследовательском центре Кадараш, намечен на 2025 год. Для отвода избытков тепла реактор необходимо оснастить водяной системой охлаждения, что приводит к дополнительным трудностям: если водяные пары проникнут в плазменную камеру через микротрещины, это может привести к катастрофическим последствиям. Чтобы контролировать концентрацию водяного пара в плазме, сотрудниками Отдела оптики низкотемпературной плазмы ФИАН был предложен и успешно протестирован метод мультиспектральной актинометрии плазмы.
В ходе эксперимента ученые фиксировали интенсивность излучения, испускаемого двумя видами частиц: концентрация которых была известна (так называемых актинометров) и концентрация которых изучалась. Соотношение измеренных интенсивностей дало возможность сделать вывод о концентрации изучаемого вещества. В качестве актинометра учеными был выбран инертный газ ксенон, а концентрация воды определялась по излучению гидроксила OH, появляющегося при распаде молекул воды. Подобный подход позволил достигнуть рекордной чувствительности к натеканию водяных паров в реактор без существенного вмешательства в его конструкцию. Однако точность метода сначала вызывала некоторые сомнения, так как концентрация воды измерялась не напрямую, а рассчитывалась с использованием значений некоторых физических величин, не всегда известных точно в реальных условиях.
Результаты эксперимента по измерению концентраций различных веществ в плазме инертных газов.
Измеренные величины отмечены символами, а результаты моделирования – сплошными линиями.
Можно заметить, что экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами моделирования
Чтобы проверить результаты оптической актинометрии, ученые ФИАНа определили концентрацию воды другим методом, позволяющим провести прямые измерения, пусть и с использованием более сложной установки. Таким методом стала лазерная спектроскопия: физики наблюдали за поглощением излучения лазера с длиной волны, соответствующей энергетическим переходам в молекулах воды. Чем больше была концентрация молекул, тем сильнее ослаблялся свет, проходящий через газовый разряд.
Чтобы повысить чувствительность к малым концентрациям воды, было необходимо увеличить путь, проходимый лазерным излучением в исследуемой области. Это было реализовано благодаря оптическому резонатору, состоящему из двух зеркал с очень высоким коэффициентом отражения (99,99 %) – прежде чем покинуть резонатор, свет проходил путь длиной в несколько километров. По итогам эксперимента оказалось, что результаты актинометрии и спектроскопии совпали в пределах погрешностей.
Слева фотография экспериментальной установки «Течь», справа – установка для совместных лазерных и актинометрических измерений.
Таким образом, ученые подтвердили, что актинометрия может быть успешно использована для контроля концентрации водяных паров в плазме. Возможным препятствием на пути метода пока что является использование ультрафиолетовой области спектра, в которой излучает исследуемый гидроксил OH. Дело в том, что при продолжительном воздействии ультрафиолета многие оптические элементы могут разрушаться. Решением проблемы может стать переход к измерению концентрации молекул водорода, однако в таком случае для начала придется связать концентрацию водорода и концентрацию водяного пара теоретически.
В то же время примененная для проверки актинометрии лазерная спектроскопия с использованием резонаторов также имеет широкий спектр возможных применений. Одно из них – измерение концентраций вредных веществ в атмосфере для контроля экологической ситуации. Подобная технология может быть использована в медицине: анализ состава выдоха человека способен выявить около 20 различных заболеваний. Наконец, метод может применяться в геологии: исследования атмосферы дадут людям возможность предсказывать поведение вулканов.