Revision 0d27d5d221a67fc532828aa4c5beab7bc063ce7b

TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/index

Changes from 0d27d5d221a67fc532828aa4c5beab7bc063ce7b to ea96fd4125822d718f7c8c86edeedcd179ccf293

---
format:markdown
...

$E=mc^2$

# **Wall conditioning metody na tokamaku GOLEM - Spektrometrie doutnavého výboje**

## **Motivace**
Reziduální plyny mají velký vliv na kvalitu výboje, ohřívají se zároveň s hlavním výbojovým plynem a tuto energii odvádějí přes rekombinační záření pryč z plazmatu. Na hlavní plyn tak zbývá méně cenných Ws pro jeho ohřev, díky tomu se dosahuje nižší elektronové teploty i kratší doby udržení.
Zároveň navazuji na výsledky předešlého průzkumu výbojů před a po GD na tokamaku GOLEM. [],[]

<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/Prezentace_mezivysledku_250916.pdf" target="_blank"> Prezentace mezivýsledků </a>

## **Úvodní prezentace**
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/Prezentace_zameru.pdf" target="_blank"> Úvodní prezentace </a>

### **Cíle**
Na základě pozorování pozitivní změny v parametrech plazmatu po čištění komory od nežádoucích příměsí pomocí doutnavého výboje (dále jen GD - glow discharge) bude provedeno měření spektra GD na tokamaku GOLEM. 
Nejprve informativní, později, v případě pozitivních výsledků, bude diagnostika integrována do systému. 
Zároveň, pokud bude v provozu hmotnostní spektrometr, budeme moci hrubě (bez absolutní kalibrace) odhadnout vliv GD na vbytkové nežádoucí plyny v komoře tokamaku GOLEM.

Jelikož spektrum doutnavého výboje nebylo na tokamaku GOLEM dosud měřeno, má toto měření jednak informační charakter - zjistit jak se chovají čáry výbojového plynu v čase
a zároveň zjistit, zda záření příměsí není dostatečně silé, abychom detekovali změnu intenzity záření v průběhu doutnavého výboje a mohli tak částečně, hraje zde roli i tlak apod,
potvrdit, že dochází k omezení nečistot a zda toto měření není zajímavé pro stanovení vhodné délky čištění komory při kontinuálním měření během doutnavého výboje a tím
zvýšit využití tokamaku.

Cíle praktika jsou:

 1. adaptovat skripty určené pro měření spektra pomocí optického spektrometru HR2000+ k samostatnému měření (vychází ze skriptu pro standardní výboj v tokamaku) 
 2. vyzkoušet z algoritmus na hledání peaků pro několik výbojek s různými plyny (Ne, He2, H2, N2, Xe) a provést identifikaci spektra 
 3. proměřit několik spekter v průběhu doutnavého výboje, identifikace spektrálních čar a jejich vývoj v čase, zobrazení hlavních čar, vyhodnocení zda se projevuje nějaký trend (oba plyny H a He)
 4. pozorování vlivu GD v H a He na výboj

Doprovodné práce:

 1. Zobrazení logu jako standartní diagnostiku (tlak v komoře, vnější teplota komory)
 2. Rozpracování možnosti využití hmotnostního spektrometru pro možné srovnání s výsledky experimentu (instalace, získávání a zpracování dat pomocí OPC)

ad.1
ad.2

 


## **Teorie a experimentální uspořádání**

### **Měření spekter doutnavého výboje**

Optický spektrometr HR2000 přijímá světlo přes vstupní štěrbinu, do které je vedeno optickým vláknem a měří v pásmu 200-1100 nm na 2048 kanálech (pixelech). Optické vlákno vidí do komory přes optickou průchodku
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Tokamak/VacuumVessel/Flanges/OO_OpticalFibreFeedThrough/" target="_blank"> (viz) </a> jejíž otvor má průměr 0,2 mm.

<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/optPruchodka.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/optPruchodka_resized.jpg" width="15%"></a>
<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/optVlaknoNorthUpperPort.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/optVlaknoNorthUpperPort_resized.jpg" width="15%"></a>

Předpokládáme, že během experimentu se optickým vláknem nehýbá a nemění
se tak jeho optické vlastnosti. Druhý konec vlákna je umístěn za skleněné vakuové zakončení severního horního portu  tokamaku v zatemněné části, aby nebyl detegován sušivý signál od běžného provozu tokamaku. GD je snímán kontinuálně po celou dobu trvání a je provedeno i několik měření před a po výboji pro referenci. Specifikace spektrometru HR2000 je uvedena
dokumentaci <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/" target="_blank"> HR2000+ </a> a <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/HW/OpticalInstruments/Spectrometry/OceanOptics/" target="_blank"> HR2000+ - golem wiki </a>

Doutnavý výboj v tokamaku je specifický tím, že anoda je zpravidla mnohem menší než katoda, kterou tvoří vnitřní plášť tokamaku. Anodou je zasunutá elektroda <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/Tokamak/Equipment/BiasingElectrode/" target="_blank"> (viz) </a>, na kterou je přivedeno napětí vůči komoře.
V některých případech se pro doutnavý výboj používá několik elektrod. Samotným výbojem prochází cca 0,5 A za poměrně vysokého tlaku - v našem případě řádu jednotek Pa viz sekce Chamber status log. 

[základní vlastnosti GD XXX + odkazy na články, obrázek GD, schema GD s jeho prostory]

 a schema spektrometru je na Obr. 1. 

![Obr. 1 Schema spektrometru](/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/spektrometer_inside.png)
![Obr. 2 Popis spektrometru HR2000+](/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/spectrometer_inside_description.png)

### **Chamber status - zobrazení tlaku v komoře a její vnější teploty**
Tlak je snímán tlakovou měrkou tvořenou dvěma doplňujícími se systémy. Při nízkých tlacích p < 1 Pa je měrka v Pirani modu, zatímco pro p > 1 Pa je měrka ve žhaveném modu viz
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/HW/Vacuum/ChamberGauge/" target="_blank"> (dokumentace). </a> Pro přesné určení parciálních tlaků bychom museli použít pro kalibraci např kvadrupolový hmotnostní spektrometr.
Teplota je snímána termočlánkem zasunutým mezi měděný plášť a komoru.

### **Hmotnostním spektrometr**
Kvadrupólový hmotnostní spektrometr je připojen k zařízení na severozápadním bočním portu, kde je zároveň umístěna turbomolekulární vývěva.
Spektrometr sestává ze dvou filamentů pro ionizaci vstupujícího plynu a kvadrupólu, mezi jehož elektrodami se s vysokou frekvencí mění napětí podle Vcos($\omega$t) a tím i elektrické pole uvnitř. Ionty poté dopadají na
detektor iontů - Faradayův hrníček, vodivou dutinku, jejíž výstup je proud odpovídající dopadajícímu náboji. Kvadrupólem projdou při zadaných parametrech jen částice s odpovídajícím poměrem hmotnost/náboj.
<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/Pfeiffer Mass Spectrometer_fundamentals.pdf" target="_blank"> (dokumentace a princip kvadrupolového hmotnostního spektrometru) </a>.

## **Report**
(nejhodnotnější část práce)

### **Měření spekter doutnavého výboje**
Nejprve bylo zapotřebí se seznámit s ovládáním optického spektrometru HR2000+. Skripty sloužící ke standartní diagnostice výboje vytvořil T. Odstrčil a jsou dostupné na servru spektrometru. Původní
skript je určen pro plazma při výboji v integračních časech 1.67 ms (dáno rychlostí zpracování dat pc - nejmenší integrační doba spektrometru je dle dokumentace 1.0 ms)
 a mění se přímo v ovládacím souboru "SpectrometerControl.py". Při provedených měřeních byla integrační doba 0,5 s. Upravená verze pro GD
<a href="http:/golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/spectrometerDataProcVer2.py" target="_blank"> (upraveny skript) </a>

Ovládací parametry jsou v konfiguračním souboru <a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/tokamak_GOLEM.cfg" target="_blank"> tokamak_GOLEM.cfg </a> - zde se nastavuje
délka trvání plazmatu a tudíž i počet snímání v průběhu výboje.
postup pro měření a další info k použitým skriptům (je možné, že se nebude správně zobr. Čj - stáhnout/změna kodovani prohlížeče):

<a href="http:/golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/STANDARTNÍ POSTUP MĚŘENÍ.TXT" target="_blank"> Postup měření spektra GD </a>

![alt text](/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/050517_GDSpect.gif)
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/050517He.mpeg" target="_blank"> mpeg </a>

### **Instalace hmotnostního spektrometru 3.4.2017**
První instalace byla provedena Jánem Uličným. Měření však ukazovala nesmyslná data.
První odhady chyby vedly ke špatné ionizační trysce. Nakonec se však ukázalo, že při první instalaci byl zvolen nevhodný průměr potrubí
do něhož je detektor zasunut a došlo proto k vodivému spojení s celou komorou tokamaku.
Bylo proto nutné instalovat detektor do většího průměru a zároveň byl oddělen od komory keramickým válcem coby galvanickým oddělením vhodným pro vakkum. Tato opravná instalace byla provedena 3.4.2017 viz Obr. níže. Detektor zároveň
dostal přidělenou IP adresu v interní síti: 192.168.2.10. Použití hmotnostního spekrometru by mohlo být velmi široké, od kalibrace tlakové měrky, použití jako hlásič helia při hledání netěsností po měření reziduálních
plynů a zefektivnění wall conditioning metod.

Dokumentace k přístoji a ovládání jsou ve složce:
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/HW/Vacuum/Specialities/MassSpectrometere/Pfeiffer/"> (HMS docs) </a>

<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS5.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS_resized5.png" width="15%"></a>
<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS1.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS_resized1.png" width="15%" alt="popis obrázku" target="blank"></a>
<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS2.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS_resized2.png" width="15%" alt="popis obrázku" target="blank"></a>
<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS3.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS_resized3.png" width="15%"></a>
<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS4.jpg"><img src="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/HMS_resized4.png" width="15%"></a>



### **První měření s hmotnostním spektrometrem**

Data a ovládání je zajištěno přes ethernet.
Ovládání spektrometru je možné z Windows manuálně pomocí programu QUADERA (dokumenty <a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/" target="_blank"> zde </a>)
Prvním měřením byla otestována funkčnost přístroje po předchozích problémech s dotykem části detektoru s kovovým potrubím. Bylo proměřeno několik stavů otevření heliového
ventilu a zároveň jsme otestovali připojení výstupu z tlakové měrky, kterou lze připojit k diagnostice a v systému díky tomu kromě signálu z měření množství iontů, vidíme i tlak v komoře. 
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/HW/Vacuum/Specialities/MassSpectrometere/Pfeiffer/Commisioning/0417BL_Intro/20170403%20050406%20Faraday%20Leaktest.asc">data</a>

Obr.

. Pro integraci do systému je nutné umožnit automatické sbírání dat. Jednou z uvažovaných variant je použití OPC servru, který běží na spektrometru,
pro připojení je potřeba OPC klient na straně uživatele. viz <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/wiki/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/BG5215BE%20-%20funkce%20OPC.pdf"> (dokumentace) </a>
Tato varianta zatím nebyla úspěšná, ačkoliv se podařilo získat aktuální data, automatizace vypadá nadějněji s analogovým výstupem dat pomocí I/O nástavce spektrometru.

![Obr. X Testování citlivosti MS popouštěním helia do komory - signál MS a tlakové měrky](/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/HMS/citlivost na helium.jpeg)

### **Chamber status**
Historicky se tlak v komoře zapisoval do vakuové knihy. Od 1.4.2016 je tlak zaznamenáván automaticky do  <a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/logs/"> logu </a> společně s dalšími hodnotami jako teplota komory Pro přehlednost byl vytvořen skript 
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/status/chamberStatus.php"> skript </a>, který důležité hodnoty vykresluje a je možné jej použít i pro historická data, pro která log existuje.
Díky tomu bylo zároveň zjištěno, že při doutnavém výboji se komora zahřívá cca na 50 °C [viz obrázek] a především, že záznam z tlakové měrky vykazuje občas výpadek při prudkém nárustu tlaku jakým je napouštění plynu pro doutnavý výobj.
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/status/chamberStatus.php"> skript </a>, který důležité hodnoty vykresluje a je možné jej použít jednak pro získání přehledu o aktuálním tlaku a teplotě komory i pro historická data, pro která log existuje.
Díky tomu bylo např. zjištěno, že při doutnavém výboji se komora zahřívá cca na 50 °C  a především, že záznam z tlakové měrky vykazuje občas výpadek při prudkém nárustu tlaku jakým je napouštění plynu pro doutnavý výobj.
V budoucnu by měl být status log, a tím i skript na zobrazení doplněny i o mimořádné události typu - otevření komory, doutnavý výboj, vypékání apod., což zpřehlední podmínky, za kterých se experimenty na tokamaku provádí.


<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/ChamberStatus/050917chamberstatus.png" target="_blank"></a>
## **Logbook**
(záznamy o uskutečněných měřeních)


## **Skripty:**
Tlak / teplota log:

## **Skripty / Stranky:**

### **Spektrometrie doutnavého výboje:**

<a href="/TrainingCourses/FTTF/2015-2016/BorLeitl/GD_Spectrometry/spectrometerDataProcVer2.py" target="_blank"> zpracovani dat GD spektra </a>

### **Status log:**
Aktuální Tlak / teplota log:

<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/status/chamber.php" target="_blank"> CHAMBER STATUS </a>

skripty a starší již vytvořené obrázky:
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/status/" target="_blank"> CHAMBER STATUS SKRIPTY </a>

samotné LOG soubory:
<a href="http://golem.fjfi.cvut.cz/logs/" target="_blank"> GOLEM LOGS </a>

### **Ostatní:**
<a href="XXX" target="_blank"> Zpracování dat z výbojů před a po GD </a>

##**Reference**
[1] Physics of Plasma-Wall Interactions in Controlled Fusion, Plenum Press, New York, 1986

[2] A comparison of hydrogen vs. helium glow discharge effects on fusion first-wall conditioning, H. F. Dylla Princeton Plasma Physics Laboratory, Princeton University, 1989

[3] Experimental Study for Comparison of H 2 and Ar–H 2 Gas Mixture Glow Discharge Wall Conditioning in ADITYA Tokamak, Kumarpalsinh. A. Jadeja, Kaushal M. Patel, Rakesh L. Tanna, Deepak Sangwan, Kaushik S. Acharya,
Nilesh D. Patel, Shailesh B. Bhatt, Ranjana Manchanda, Joydeep Ghosh, and Aditya Team, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 44, NO. 4, APRIL 2016

[8] <a href="https://physics.nist.gov/PhysRefData/Handbook/atomic_number.htm" target="_blank"> NIST spectra handbook </a>


Poznámky a případné další návrhy měření:
 1. měření doby zpětného natékání plynů a návrat komory do polohy, kdy je opět potřeba použít metody wall conditioningu
 2. Měření reziduálních plynů při vypékání