Osnova/Outline:
- development of the criteria for materials selection for the PFCs
Osnova/Outline:
Hlavním předmětem této bakalářské práce je tzv. pinčový výboj. K pinčovému jevu dochází v plazmatu, kterým protéká dostatečně silný elektrický proud, jehož magnetické pole způsobuje kompresi či udržení plazmatického kanálu. Pro svůj jednoduchý princip a přirozený výskyt v mnoha astrofyzikálních i laboratorních systémech (např. tokamaku) patří pinč efekt mezi nejvíce fascinující jevy ve fyzice plazmatu.
V laboratorním prostředí můžeme nalézt mnoho konfigurací těchto výbojů. Historicky nejznámější a nejjednodušší je tzv. Z-pinč, který je produkován na impulzních proudových generátorech, jenž jsou v současnosti nejvýkonnějšími (300 TW, 2 MJ) a nejúčinnějšími (>15 %) laboratorními zdroji rentgenového záření [2]. Naše výzkumná skupina potvrdila i velmi vysokou účinnost konverze elektrické energie do fúzních neutronů [3]. Tyto experimentální výsledky a také jednoduchý princip a konstrukce Z-pinče jsou hlavní motivací pro jeho další studium a široké možnosti užití ve výzkumu termojaderné syntézy, při vývoji impulzních zdrojů rychlých neutronů, v laboratorní astrofyzice, v EUV litografii, v experimentech s vysokou hustotou energie, při testování životnosti jaderných zbraní, při vývoji rtg. laserů atd.
V současné době se naše skupina ve spolupráci s University of Michigan zabývá novou konfigurací, tzv. hybridním X-pinčem, kdy k Z-pinčovému výboji dochází na lokalizovaném místě, které je určené dvěma blízkými kuželovými elektrodami [4]. Motivací tohoto uspořádání je výzkum kompaktního zdroje fúzních protonů a neutronů s krátkou dobou emise.
V rámci bakalářské práce se student seznámí se základní teorií a aplikacemi pinčového výboje [5]. Bude mít možnost podílet se na návrhu, realizaci i vyhodnocení fúzních experimentů na školním zařízení PFZ-200 (proud 200 kA, nárůst proudu 1 μs, cca 108 DD neutronů/výboj, ČVUT v Praze). V rámci rozšíření zkušeností mají naši studenti i možnost účastnit se zahraničních experimentů na PF-1000 (proud 1 MA, nárůst proudu 5 μs, cca 1011 DD neutronů/výboj, Ústav fyziku plazmatu a laserové mikrofúze, Varšava).
Podle osobních dispozic se student v dalších fázích studia může mimo experimentální oblasti zaměřit na pokročilejší teoretický popis pinčového jevu, případně na studium moderní diagnostiky plazmatu s vysokou hustotou energie
Literatura/References:
[1] D. Klír, et al. New J. Phys. 20, 053064 (2018).
[2] C. Deeney, et al.: Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 4883.
[3] D. Klír, et al.: Phys. Rev. Lett. 112 (2014) 095001.
[4] G. W. Collins, et al.: Journal of Applied Physics 129, 073301 (2021).
[5] D. Ryutov, M. Derzon, and M. Matzen: Rev. Mod. Phys. 72 (2000) 167.
Jméno vedoucího / Supervisor name: Ing. Jan Novotný; prof. Ing. Daniel Klír, Ph.D.
Pracoviště vedoucího / Supervisor affiliation: FEL ČVUT v Praze
Email vedoucího / Supervisor email:
Outline:
Tungsten is a prime candidate material for the plasma facing components for future tokamaks, where it has to withstand high heat and particle fluxes from the burning plasma. It has a number of favorable properties for this purpose – namely high melting point, high-temperature strength, good thermal conductivity, high resistance to sputtering, etc. – yet some limitations, especially its brittleness. As bulk tungsten is typically processed by thermomechanical treatment involving plastic deformation, it is prone to recrystallization at elevated temperatures, which affects the mechanical properties. The recrystallization behavior itself is a characteristic of tungsten materials processed in a specific way.
The Compass-Upgrade tokamak, currently being built at the Institute of Plasma Physics in Prague, will have a large portion of plasma facing components made of tungsten, therefore a suitable material has to be selected. Recrystallization behavior is among the characteristics that should be explored and would be part of the basis for materials selection.
The proposed bachelor thesis/research task consists of:
1. Getting acquainted with scanning electron microscopy (SEM) and microhardness techniques
2. Participation in laser-induced heating experiments aimed at recrystallization
3. Characterization of recrystallized portion of different tungsten grades as a function of annealing temperature, via SEM and microhardness
Proposed literature:
Matějíček, J. (2013). Materials for Fusion Applications. Acta Polytechnica, 53(2). https://doi.org/10.14311/1761
Description of the COMPASS-U tokamak plasma-facing components https://www.ipp.cas.cz/miranda2/export/sitesavcr/ufp/o-ufp/Verejne_zakazky/CU_PFC_PMC_detailed_description_02.pdf
G. Pintsuk: Tungsten as a Plasma-Facing Material https://doi.org/10.1016/B978-0-08-056033-5.00118-X
M. Richou et al.: Recrystallization at high temperature of two tungsten materials complying with the ITER specifications https://www.sciencedirect.com/science/article/am/pii/S0022311520310266
Osnova/Outline:
Tokamak je zařízení, vytvářející toroidální magnetické pole, používané jako magnetická nádoba pro uchovávání vysokoteplotního plazmatu. Slovo pochází z ruštiny, kde Токамак je zkratkou popisu тороидальная камера с магнитными катушками (toroidní komora v magnetických cívkách). Myšlenka tokamaku se zrodila v 50. letech Igorem Jevgeněvičem Tammem a Andrejem Sacharovem. Dnes se tokamaky považují za jednu z nejnadějnějších cest k realizaci řízené jaderné fúze, která by mohla sloužit jako zdroj téměř neomezeného množství energie.
Vysokoteplotní plazma obsahuje volné elektrony a ionty. Elektrony mohou být za vhodných podmínek v tokamaku urychlovány po kruhových drahách, a to až na energii několik MeV. Odstředivá síla by měla být vykompenzována Lorentzovou silou magnetického pole. Za jistých podmínek se však stane, že část elektronů se nějakým způsobem uvolní a narazí na stěnu tokamaku. Těmto elektronům říkáme ubíhající (run-away electrons). Vznik ubíhajících elektronů je jevem nežádoucím, proto je intenzivně studován s cílem tento jev potlačit. Stávající diagnostika je postavená na detekci tvrdého rentgenového záření, které vzniká, když ubíhající elektrony narazí na stěnu komory tokamaku. Pro detekci ubíhajících elektronů v plazmatu ještě v průběhu jejich vzniku je však třeba vyvinout novou detekční technologii. V posledních letech se výzkum zaměřil na využití inverzního Comptonova jevu, který může takovou technologii umožnit.
Inverzní Comptonův rozptyl je rozptyl světelného fotonu, pocházejícího obvykle z laseru, na relativistickém elektronu. Rozptýlený foton má vyšší energii (v případě rozptylu na ubíhajících elektronech v komoře tokamaku to může být až 10 keV) a je možné ho detekovat některými detektory ionizujícího záření. Mezi takové patří R/O čip Timepix4 se subnanosekundovým časováním, který byl vloni uvolněn CERN pro testování ve vědeckých projektech. Osazení tohoto čipu senzorem ze SiC, který není citlivý na světlo a je velmi radiačně odolný, dělá z takového detekčního zařízení potenciální prostředek zpětné vazby pro řízení plazmového výboje.
Cílem této práce je shrnout dosavadní poznatky o využití inverzního Comptonova rozptylu na tokamacích, osvojit si numerické nástroje popisující tento rozptyl (CAIN nebo Geant4) a experimentálně prozkoumat nové R/O čipy vyvinuté v CERN pro potřeby monitorování ubíhajících elektronů. Práce je navržena jako komplementární k pracím Štěpána Malece, který se dlouhodobě věnuje využití Comptonova jevu pro monitorování ubíhajících elektronů. Práce bude vedena ve spolupráci se společností Advacam, s.r.o., která disponuje čipy Timepix4, a se Slovenskou akademií věd, kde vyvíjí senzory ze SiC. Práce je vhodná pro studenta se zájmem o řešení fyzikálních problémů, programování, zpracování dat a případně o digitální elektroniku a automatizaci. Počítá se, že student nejpozději na začátku doktorského studia naváže spolupráci se zahraničním pracovištěm, kde zúročí poznatky a osobní kontakty získané během řešení své bakalářské a diplomové práce.
Zadání/Task:
1. Nastudujte princip inverzního Comptonova rozptylu a vysvětlete ho v práci pomocí jednoduchých myšlenkových experimentů.
2. Proveďte rešerši odborné literatury (zejména článků publikovaných v mezinárodních vědeckých recenzovaných časopisech a výstupů mezinárodních vědeckých konferencí) s cílem shrnout poznatky o využití inverzního Comptonova rozptylu na tokamacích.
3. Seznamte se se simulačními nástroji CAIN a Geant4 a pokuste se o počítačovou simulaci uvedených myšlenkových experimentů.
4. Seznamte se s detekčními moduly založenými na čipech Timepix3 a Timepix4 osazených různými senzory a na základě výše zmíněných simulací se pokuste odhadnout, zda tyto moduly by byly použitelné v zamýšlené aplikaci.
Literatura/References:
1. R.J.E. Jaspers: „Relativisitc Runaway Electrons in Tokamak Plasmas“, Disertační práce, ISBN 90-386-0474-2, Technische Universiteit Eindhoven, 1995.
2. G. Tallents: „An Introduction to Special Relativity for Radiation and Plasma Physics“, Cambridge University Press, 2022.
3. GERNDT, J., PRŮŠA, P.: „Detektory ionizujícího záření“, ČVUT, 2011.
4. G.F. Knoll: „Radiation Detection and Measurement“, John Wiley & Sons, Inc., 2000
Osnova/Outline:
Laserem buzené plazmatické zdroje tvrdého rentgenového záření s délkou pulzu v řádu několika set femtosekund mají uplatnění např. v ultra-rychlých rentgenových difrakčních experimentech. Plazma je generováno interakcí krátkopulzního (fs) laserového svazku s terčem o vysoké hustotě – prvek s vysokým protonovým číslem – obvykle kov. Zdroj v ELI Beamlines využívá jako terč měděnou pásku a generuje záření o energii 8 keV (K-alfa čára mědi). Cílem projektu je vytvoření programového vybavení (v prostředí LabVIEW/Matlab) pro ovladání experimentu a sběr dat z diagnostiky rentgenových impulzů. V tomto programovém modulu bude zahrnut systém pro nastavení osciloskopu a průběžné zobrazení naměřených dat včetně informací o počtu emitovaných fotonů a stabilitě jednotlivých rentgenových impulzů. Závěrem bude provedeno experimentální měření demonstrující použitelnost daného programového modulu.
Vedoucí: Ing. Tomáš Parkman, Ph.D. (
Konzultant: Ing. Jaroslav Nejdl, Ph.D. (