LIBS experiments for quantitative detection of retained fuel

Abstract Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) provides chemical information from atomic and ionic plasma emissions generated by laser vaporization of a sample. At the ENEA research center, in collaboration with IPPLM, an equipment has been set up to qualitatively and quantitatively determine the chemical composition of impurities deposited on Plasma Facing Components (PFC). The strength of the LIBS, for its capability of light elements detection, is fully exploited to determine the deuterium content since this element can be considered as the best choice proxy for tritium; the latter being is of great importance in assessing safe conditions to assure the continuous operation in nuclear fusion tokamak. Here we present the results of the Double Pulse LIBS (DP-LIBS) probing of deuterated samples with the simultaneous optical detection by medium-resolution and high-resolution spectrometer. Deuterium emission at 656.1 nm has been detected then the elemental composition has been quantified by applying the Calibration Free (CF) approach. The obtained results demonstrate that the DP-LIBS technique combined with CF analysis is suitable for the quantitative determination of tritium content inside the PFCs of next fusion devices like ITER

Detection by LIBS of the deuterium retained in the FTU toroidal limiter

In this paper the Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) measurement of the deuterium (used as a proxy for tritium) retained in and the surface elemental composition of the FTU Mo (TZM) toroidal limiter tiles, carried out from remote (∼2.5 m) during short breaks of the operations or during machine maintenance, are reported. Single pulse technique has been used with the FTU vessel under high vacuum or in Nitrogen or Argon atmosphere. In vacuum experiments Dα and Hα lines have been detected with good resolution, while in Ar atmosphere (5 × 104 Pa) the two lines were partially overlapped due to Stark broadening. First results of measurements in N2 atmosphere (105 Pa) showed no presence of Dα and Hα lines. These measurements were also carried out for supporting the foreseen use of a robotic arm for an extended LIBS analysis of retained deuterium in the FTU vessel components. Keywords: LIBS, FTU tokamak, Toroidal limiter, Deuterium retentio

W7-X plasma diagnostics for impurity transport studies

The Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator which is located in Greifswald, Germany is an experimental device for demonstration of steady-state plasma operation. It was commissioned at the end of 2015 and at the beginning, it was operated in the limiter configuration (5 poloidal uncooled graphite limiters) while starting from 2017 it has been equipped with a carbon uncooled divertor. With the launch of the device, new diagnostics have also been commissioned and tested. Understanding of impurity transport in stellarators is a crucial task in the optimisation process. At W7-X there are several spectroscopic systems which deliver information about plasma impurities. One of them is a pulse height analysis system (PHA) which collects soft X-ray spectra in the energy range from about 300 eV up to 20 keV with 100 ms temporal resolution. There are also X-ray imaging spectrometers XICS and HR-XIS which are devoted for measurements of spatio-temporal impurity emissivity of highly ionized ions with high temporal resolution (5 ms). Spectra in the VUV region are measured by the High-Efficiency XUV Overview Spectrometer (HEXOS).Стеларатор Wendelstein 7-X (W7-X), який розташований в Грайфсвальді, Німеччина, є експериментальною установкою для демонстрації стаціонарного утримання плазми. Стеларатор було введено в експлуатацію в кінці 2015 року та спочатку експлуатувався в конфігурації з обмежувачем (5 полоідальних неохолоджуваних графітових обмежувачів). З 2017 року установка була оснащена вуглецевим неохолоджуваним дивертором. Із запуском стеларатора були також введені в експлуатацію і випробувані нові діагностичні системи. Розуміння транспорту домішок y стелараторі є важливим завданням для оптимізації його роботи. На W7-X є декілька спектроскопічних систем, які надають інформацію про домішки в плазмі. Одна з них – система аналізу висоти спостережуваного імпульсу (PHA) – реєструє спектри м'якого рентгенівського випромінювання в діапазоні енергій від близько 300 еВ до 20 кеВ з часовою роздільною здатністю 100 мс. Є також рентгенографічні спектрометри XICS і HR-XIS, призначені для виміру просторово-часової випромінювальної здатності домішок, геліоподібних іонів з високою часовою роздільною здатністю (5 мс). Спектри в області VUV вимірюють за допомогою високоефективного оглядового спектроаналізатора (HEXOS).Стелларатор Wendelstein 7-X (W7-X), который расположен в Грайфсвальде, Германия, является экспериментальной установкой для демонстрации стационарного удержания плазмы. Стелларатор был введен в эксплуатацию в конце 2015 года, и вначале эксплуатировался в конфигурации с ограничителем (5 полоидальных неохлаждаемых графитовых ограничителей). С 2017 года установка оснащена углеродным неохлаждаемым дивертором. С запуском стелларатора были также введены в эксплуатацию и испытаны новые диагностические системы. Понимание транспорта примесей в стеллараторе является важной задачей для оптимизации его работы. На W7-X имеется несколько спектроскопических систем, которые предоставляют информацию о примесях в плазме. Одна из них – система анализа высоты наблюдаемого импульса (PHA) – регистрирует спектры мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий от около 300 эВ до 20 кэВ с временным разрешением 100 мс. Имеются также рентгенографические спектрометры XICS и HR-XIS, предназначенные для измерения пространственновременной примесной излучательной способности гелиоподобных ионов с высоким временным разрешением (5 мс). Спектры в области VUV измеряют с помощью высокоэффективного обзорного спектроанализатора (HEXOS)

Optical emission spectroscopy of pulsed plasma streams emitted from a modified PF-1000 facility

The paper presents results of the recent spectroscopic studies of pulsed plasma streams generated in the PF-1000 facility at the IFPiLM in Warsaw. This facility has recently been equipped with a modified inner electrode, which had the front copperplate with a central tungsten (W) insert of 50 mm in diameter. Interactions of the collapsing current sheath and electron beams with this insert have changed characteristics of the X-ray and VR emission considerably. New spectroscopic measurements were performed at the chosen angle and perpendicular to the discharge axis. In the second case optical emission spectra were recorded at different distances from the electrode outlets, and at various instants after the current peculiarity (dip). It enabled to determine dynamics of the VR emission in the investigated VR range.Представлены результаты недавних спектроскопических исследований импульсных потоков плазмы, генерируемых установкой ПФ-1000, которая расположена в ИФПиЛМ в Варшаве. Эта установка недавно была оснащена модифицированным внутренним электродом, который имел переднюю медную пластину с центральной вольфрамовой (W) вставкой диаметром 5 мм. Взаимодействие схлопывающейся токовой оболочки и электронных пучков с этой вставкой значительно изменило характеристики рентгеновского и излучения в видимом диапазоне. Новые спектроскопические измерения проводились при выбранном угле и перпендикулярно к оси разряда. Во втором случае оптические спектры излучения были зарегистрированы на разных расстояниях от среза электродов и в различные моменты после токовой особенности осциллограммы тока (провала). Это позволило определить динамику ВИ в исследованном диапазоне.Представлені результати недавніх спектроскопічних досліджень імпульсних потоків плазми, що генеруються установкою ПФ-1000, яка розташована в ІФПіЛМ у Варшаві. Ця установка нещодавно була оснащена модифікованим внутрішнім електродом, який мав передню мідну пластину з центральною вольфрамовою (W) вставкою діаметром 50 мм. Взаємодія оболонки струму, яка схлопується, і електронних пучків з цією вставкою значно змінило характеристики рентгенівського випромінювання у видимому діапазоні. Нові спектроскопічні вимірювання проводилися при заданному куті та перпендикулярно до осі розряду. У другому випадку оптичні спектри випромінювання були зареєстровані на різних відстанях від зрізу електродів, і в різні моменти після особливості осцилограми струму (провалу). Це дозволило визначити динаміку ВВ у дослідженому діапазоні

Spectroscopic investigation of PF-1000 discharges under different experimental conditions

The emission from free-propagating plasma streams was studied in experiments with a 1-MJ plasma-focus PF-1000 facility operated at the IPPLM in Warsaw, Poland. The machine was filled up with a pure deuterium or a mixture of deuterium and argon. Optical spectra were recorded at a distance of 30 cm from the electrodes, at different experimental conditions, i.e. initial pressures, charging voltages and acquisition times, in the wavelength range of 350…1000 nm. The most intense lines originated from the applied working gases. In some cases distinct CuI and FeI lines resulted from the electrodes and the insulator were observed. From the Balmer lines, Dβ and Dγ, an electron density as a function of time was estimated. The application of this finding made it possible to perform some experiments concerning spectroscopic research on the interaction of free-propagating plasma streams with tungsten targets. In the recorded spectra some WI and WII lines were identified, but the resolution of the spectrometer was not good enough for their quantitative analysis.Исследовано излучение свободно распространяющихся плазменных потоков, генерируемых мегаджоульным плазменным фокусом ПФ-1000 (ИФПЛМ, Варшава, Польша). В качестве рабочего газа использовался чистый дейтерий и смесь дейтерия с аргоном. Оптические спектры в диапазоне 350...1000 нм регистрировались на расстоянии 30 см от электродов при вариации экспериментальных условий (начального давления, напряжения и времени обработки). Наиболее интенсивными спектральными линиями, зарегистрированными в экспериментальных спектрах, являются линии рабочего газа. В некоторых случаях наблюдались также линии примесных элементов: CuI – материала электродов и FeI – изолятора. Временная зависимость электронной плотности плазмы оценивалась из уширения бальмеровских линий Dβ и Dγ. Представлены также результаты спектрального анализа процесса взаимодействия плазменных потоков с вольфрамом. Идентифицированы спектральные линии WI и WII, однако разрешение спектрометра не позволило провести количественный анализ.Досліджено випромінювання плазмових потоків, що генеруються мегаджоульним плазмовим фокусом ПФ-1000 (ІФПЛМ, Варшава, Польща). В якості робочого газу використовувався чистий дейтерій і суміш дейтерію з аргоном. Оптичні спектри в діапазоні 350...1000 нм реєструвалися на відстані 30 см від електродів при варіації експериментальних умов (початкового тиску, напруги і часу обробки). Найбільш інтенсивними спектральними лініями, зареєстрованими в експериментальних спектрах, є лінії робочого газу. У деяких випадках спостерігались також лінії домішкових елементів: CuI – матеріалу електродів і FeI – ізолятора. Часова залежність електронної густини плазми оцінювалась з розширення бальмерівських ліній Dβ та Dγ. Представлено також результати спектрального аналізу процесу взаємодії плазмових потоків з вольфрамом. Ідентифіковано спектральні лінії WI і WII, проте роздільність спектрометра не дозволила провести кількісний аналіз

Study of deuterium plasma interaction with a tungsten target within RPI-IBIS facility

The paper presents results of experimental research on the interaction of a pulsed plasma-ion stream with a tungsten (W) target. The pulsed deuterium plasma was produced within the RPI-IBIS (Multi-Rod Plasma Injector) facility at IPJ in Swierk. Measurements were carried out by means of optical spectroscopy and corpuscular diagnostic techniques. Structural changes in the irradiated targets were investigated with a SEM. Before experiments with the W-target there were determined operational conditions, when clean deuterium plasma streams can be generated. For that purpose a so-called “slow or PID (Plasma Ion Deposition) mode” of the RPI-IBIS operation was chosen. Particular attention was paid to the identification of spectral lines from WI and WII species. The obtained results, i.e. optical spectra and other characteristics have demonstrated applicability of the RPI-IBIS facility for research on the interaction of plasma streams with W-targets, e.g. those constituting some internal parts of fusion facilities.Представлено результати експериментальних досліджень по взаємодії імпульсного плазмово-іонного потоку з вольфрамовою мішенню. Імпульсні дейтерієві потоки плазми генерувались в СПІ-ІБІС (стержневий плазмовий інжектор), який знаходиться в ІЯП у Шверку. Виміри проводились за допомогою оптичної спектроскопії та корпускулярної діагностики. Структурні зміни облучаємої мішені досліджувались за допомогою SEM. Перед експериментами з вольфрамовою мішенню визначались робочі умови, коли генерувались чисті дейтерієві плазмові потоки. Був вибраний так званий режим “повільний або PID-моди” (плазмового іонного осадження). Частична увага приділялась ідентифікації спектральних ліній WI та WII. Отримані результати, оптичні спектри та інші характеристики, продемонстрували можливість застосовувати установку СПІ-ІБІС для досліджень взаємодії плазмових потоків з W-мішенню, які складають деякі внутрішні частини термоядерного реактору.Представлены результаты экспериментальных исследований по взаимодействию импульсного плазменно-ионного потока с вольфрамовой мишенью. Импульсные дейтериевые потоки плазмы генерировались внутри СПИ-ИБИС (стержневой плазменный инжектор), который расположен в ИЯП в Шверке. Измерения проводились с помощью оптической спектроскопии и корпускулярной диагностики. Структурные изменения облучаемой мишени исследовались с помощью SEM. Перед экспериментами с вольфрамовой мишенью определялись рабочие условия, когда генерировались чистые дейтериевые плазменные потоки. Для этой цели был выбран так называемый режим “медленной или PID-моды” (плазменного ионного осаждения). Частичное внимание уделялось идентификации спектральных линий WI и WII. Полученные результаты, оптические спектры и другие характеристики, продемонстрировали применимость установки СПИ-ИБИС для исследований взаимодействия плазменных потоков с W-мишенью, которые составляют некоторые внутренние части термоядерного реактора