Rychlé kamery pro detekci viditelného záření

“Event Detection Intelligent Camera” (EDICAM) je typ rychlé videokamery diagnostiku různých fyzikálních experimentů. Na COMPASS byly pořízeny dvě identické rychlé kamery EDICAM, které jsou používány ke sledování chování plazmatu a jeho interakce s pevnými povrchy.

Kamerový systém se skládá z modulu senzoru EDICAM a počítače pro sběr dat (Obr. 1). Plně funkční prototyp kamery připojený na k tomu speciálně navrženou optiku byl na tokamaku COMPASS uveden do provozu v únoru 2009. Později, v létě roku 2010 byla instalována a úspěšně otestována finální verze kamery komunikující s okolím přes optické vlákno. Kamera EDICAM1 poskytuje toroidální pozorování celého sloupce plazmatu. Kamera EDICAM2 od roku 2012 sloužila k vertikálnímu pozorování oblasti divertoru. V roce 2014 byla vybavena novým objektivem, který rovněž umožnil toroidální pozorování plazmatu, a to včetně realizace fyzikálních měření metodou "Gas-Puff Imaging" (způsob zviditelnění turbulence okrajového plazmatu pomocí lokálního napouštění plynu).

Obr. 1: Systém EDICAM - kamera připojená na tangeciální port COMPASSu (vlevo) a řídící PC společně s napájecím zdrojem pro kameru (vpravo).

Typické rozlišení snímku kamery je 1280x1024 bodů při milisekundové časové škále. Nicméně pokud je třeba, může být rozlišení zmenšeno, aby se dosáhlo extrémně vysoké frekvence snímků v řádu 100 kHz. Po výboji jsou snímky z kamery automaticky uloženy v TIFF a JPG formátech, které umožňují jejich pozdější zpracování.

Kamera pozoruje sloupec plazmatu v tangenciálním směru a je rutinně používána ke sledování interakce plazmatu s komorou (Obr. 2). Nicméně její rychlost také umožňuje získat informaci o dalších procesech, které se projevují vyzařováním ve viditelném světle (Obr. 3).

Obr. 2: Interakce plazmatu se stěnou pozorovaná rychlou kamerou během výbojů #310 (vlevo) a #312 (vpravo) na tokamaku COMPASS. Rozlišení snímků bylo 800x600 bodů, expozice 0.6 ms.

Obr. 3: Zformování kruhového plazmatu v šesté milisekundě výboje #323 a sledování pohybu prachové částice demonstrované na třech po sobě jdoucích snímcích z kamery o rozlišení 800x600 bodů lišících se v čase vždy o 1.475 ms.

Tokamakové plazma je opticky tenké pro viditelné záření, a proto radiační tok detekovaný jednotlivými pixely kamery představuje hodnotu zintegrovanou podél celé příslušné chordy jdoucí skrz plazma. Toroidálně orientovaný pohled kamery, t.j. podél magnetických siločar, potom využívá skutečnosti, že většina viditelného záření vysokoteplotního plazmatu přichází z relativně tenké radiační slupky, která se nachází poblíž posledního uzavřeného povrchu magnetického toku, kde rychlý nárůst elektronové hustoty a teploty způsobuje znatelnou excitaci neutrálního pracovního plynu a málo ionizovaných nečistot. Následně pak může kamera pozorovat toroidálně symetrické kruhové plazma jako kruhu podobný tvar poblíž vnitřního limiteru (strana s vyšším magnetickým polem), viz Obr. 4 (vlevo). Naopak chordy na straně vnějších limiterů (strana s nižším magnetickým polem) nejsou rovnoběžné s radiační slupkou a pouze ji křižují netvoříc vnější část kruhového tvaru. V divertorovém plazmatu je přítok nečistot ze stěn vakuové komory znatelně redukován, a tak jas snímku z kamery klesá, vyjma oblasti divertoru a divertorových noh, viz Obr. 4 (vpravo).

Obr. 4: Kruhová (vlevo) a divertorová (vpravo) konfigurace plazmatu ve výstřelech #3203, resp. #3329.

Ovládací software kamery je založen na programovacím jazyce JAVA, což poskytuje jak uživatelsky přívětivé rozhraní pro manuální sběr dat(Obr. 5), tak plně automatické rozhraní pro ukládání dat do databáze COMPASSu.

 Obr. 5: Uživatelské rozhraní pro kontrolu a ovládání kamery.

Literatura

[1] V.Weinzettl, M.Imrisek, J.Havlicek, J.Mlynar, D.Naydenkova, P.Hacek, M.Hron, F.Janky, D.Sarychev, M.Berta, A.Bencze, T.Szabolics: "On Use of Semiconductor Detector Arrays on COMPASS Tokamak", World Academy of Science, Engineering and Technology 71 (2012), 628-634; published also in conference proceedings of ICPP 2012: International Conference on Plasma Physics, Venice, Italy, 14^th-16^th November 2012

[2] M.Odstrcil, J.Mlynar, V.Weinzettl, P.Hacek, M.Berta, T.Szabolics, A.Bencze: "Dust Observation in the COMPASS Tokamak Using Fast Camera", Proceedings of the 22nd Annual Conference of Doctoral Students – WDS 2013, pp. 73-79, Prague, 4^th-7^th June 2013, MATFYZPRESS, ISBN 978-80-7378-251-1

[3] A.Szappanos, M.Berta, M.Hron, R.Panek, J.Stockel, S.Tulipan, G.Veres, V.Weinzettl, S.Zoletnik: "EDICAM fast video Diagnostic installation on the COMPASS tokamak", IAEA-TM2009/118, Fusion Engineering and Design 85 (2010) 370–373, doi:10.1016/j.fusengdes.2009.11.001