Asphären für experimentellen Fusionsreaktor
Referenzprojekt
Optimierte Linienspektroskopie
Eine neue Form der thermische Heliumstrahldiagnostik ermöglicht hochaufgelöste Messungen der Elektronentemperatur und -dichte von Plasma. Anwendung findet das Verfahren der Linienspektroskopie an ASDEX Upgrade, der Versuchsanlage für Fusionsreaktoren des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik. asphericon stellte für den Versuchsaufbau in kürzester Zeit zwei abzentrierte Aphären des lagerhaltigen StockOptics Sortiments mit sehr guten Abbildungseigenschaften zur Verfügung.
Über ASDEX Upgrade
Die Forschung an ASDEX (Axially Symmetric Divertor Experiment) Upgrade, einer Versuchsanlage zur Entwicklung von Fusionsreaktoren, liefert wesentliche Ergebnisse für den möglichen Wechsel von der Kernspaltung zur Kernfusion als sicherere und umweltfreundlichere Art der Energiegewinnung. Damit die Ergebnisse des Max-Planck-Instituts für Plasmaphysik in Garching für Versuchskraftwerke, wie den experimentellen Kernfusionsreaktor ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) in Frankreich, Anwendung finden, wird die Forschung an ASDEX Upgrade unter kraftwerkähnlichen Bedingungen durchgeführt. Um Zugriff auf die Temperatur und Dichte der Elektronen im Plasmarandbereich zu erhalten, wurde eine neue Diagnostik, basierend auf der Linienverhältnisspektroskopie von neutralem Helium, implementiert. In Kombination mit einem auf einer Photomultiplier-Röhre basierenden Lichtdetektionssystems trägt eine hochpräzise Optik zur Verbesserung der Abbildungsqualität bei und gewährleistet eine hohe räumliche und zeitliche Auflösung der Messung.
Projektrealisierung
Verwendet wurden zwei Linsen aus dem StockOptics-Sortiment von asphericon, die im gängigen Durchmesserbereich von 10 bis 100 mm und einer Oberflächenformabweichung von 300 nm RMSi erhältlich sind. Um sie für den Aufbau nutzbar zu machen, wurden die Linsen auf den benötigten Durchmesser abzentriert. Das Forschungsteam profitierte so von maximaler Flexibilität und Qualität: Es konnten nicht nur alle Qualitätsanforderungen erfüllt werden, die Optiken wurden auch mit einer kurzen Lieferzeit von nur 2 Wochen zur Verfügung gestellt. Die beiden asphärischen Linsen haben eine effektive Brennweite (EFL) von 85 mm und wurden in den optischen Kopf (siehe Abb. 1 & 2) des Helium-Linienverhältnis-Spektroskops bei ASDEX Upgrade eingebaut, um die Abbildungswirkung zu optimieren. Die Linsen werden dazu genutzt, Licht aus der lokal injizierten Heliumwolke einzufangen und in optische Fasern für die anschließende spektrometrische Analyse im Labor zu bündeln.
Set-up des experimentellen Fusionsreaktors und Funktionsweise des optischen Kopfes
Abb. 1 Eingespritzte Heliumwolke, die durch Kollision mit Plasmaelektronen angeregt wird, und emittiertes Licht, das spektroskopisch analysiert werden soll ©Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Abb. 2 CAD-Zeichnung des optischen Kopfes ©Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
Spezifikationen der Asphären
Die Abbildung zeigt exemplarisch den Strahlengang einer der beiden Linsen (gelber Bereich). Das Licht wird in das freie Ende der optischen Faser mit einem Kerndurchmesser von 0,4 mm und einer NA von 0,22 gebündelt. Die NA bestimmt den Akzeptanzwinkel der Faser (grün schraffierte Fläche).
Abb. 3 Schematische Darstellung des optischen Kopfes ©Max-Planck-Institut für Plasmaphysik
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Optiken für ASDEX auf einen Blick:
- Zwei a|Aspheres mit RMSi 300 nm und EFL 85 mm wurden auf den erforderlichen Durchmesser abzentriert
- Linsen ermöglichen bessere Abbildungsqualität des optischen Kopfes und waren mit einer extrem kurzen Lieferzeit von nur 2 Wochen erhältlich
