Teilchenbahnen im Plasma

Unterschiedliche Methoden der Diagnostik helfen die Vorgänge im Fusionsplasma zu verstehen.

Rund ein Drittel des weltweiten Gesamtetats der Fusionsforschung fließt in die Plasmadiagnostik, das heißt in die Messinstrumente rund um eine Fusionsmaschine. Was in den 50er Jahren mit den in der Astronomie üblichen Spektroskopie-Techniken begann, hat sich inzwischen zu einem weiten Methodenspektrum gemausert, das auf die speziellen Fragen der Kernfusion ausgerichtet ist.

„Das Verständnis der Kernfusion kann nie besser sein, als die Qualität und Auflösung unserer Messinstrumente“, unterstreicht Dr. Tony Donné, Leiter der Diagnostik-Gruppen im Jülicher Institut für Plasmaphysik und niederländischen „FOM-Institut für Plasmaphysik Rijnhuizen“. Um Energieflüsse, Teilchenbewegungen, Stromverläufe, Temperaturverteilungen, Magnetfelddichten und anderes mehr im Plasma zu ergründen, gruppieren sich rund um den Jülicher Tokamak mehr als ein Dutzend unterschiedliche Diagnostiken.

Feuerwerk der Photonen

Besonders stolz ist die niederländische Diagnostikgruppe auf ein Messverfahren, das mit einer bisher kaum erreichten Ortsauflösung Einblicke ins Plasma gewährt. „Unsere Messung beruht auf dem Prinzip der Thomson-Streuung und ähnelt ein wenig dem Billardspiel“, unternimmt Donné einen Erklärungsversuch. „Die Billardkugeln sind in unserem Fall die Elektronen, auf die wir mit einem Rubin-Laser schießen. Wie Kugel auf Kugel treffen im Tokamak die Lichtteilchen des Lasers auf die Elektronen im Plasma.“ Aufprall und Energie der Lichtquanten (Photonen) heben die Elektronen vorübergehend auf ein höheres Energieniveau. Nach kurzer Zeit kehren sie wieder in ihren Grundzustand zurück und geben dabei die überschüssige Energie in Form von neuen, mit Detektoren messbaren, Lichtteilchen ab. Aus deren Energie und Flugrichtung können die Wissenschaftler Schlüsse auf die Bewegung der Elektronen ziehen. Und weil diese stark temperaturabhängig ist, erhalten sie zugleich Informationen über die Temperaturverteilung im Plasma. Parallel dazu liefert die Intensität des Streulichts wichtige Aussagen über die Teilchendichte im Plasmagefäß: Je kompakter das Plasma, desto häufiger kollidieren Photonen und Elektronen und um so intensiver ist die Strahlung.

„Die Qualität unserer Ergebnisse hängt maßgeblich von der Leistung des Lasers und der Empfindlichkeit des Detektorsystems ab“, sagt Dr. Donné. „Mit üblichem Laserlicht erreichen wir bestenfalls eine Ortsauflösung von zwei bis fünf Zentimetern. Mit einem extrem starken Rubin-Laser können wir dagegen noch einen Plasmabereich von ein bis zwei Millimeter Ausdehnung beobachten.“ So kamen die Wissenschaftler auch den Zonen geordneter und chaotischer Teilchenbewegung im Plasma auf die Spur.

Damit ergibt sich eine interessante Parallele zur Astrophysik. Was sich im Innern eines Tokamaks abspielt, scheint zum Teil den gleichen Regeln zu gehorchen, die für die Bewegungen der Himmelskörper gelten. „Russische Astrophysiker haben entdeckt, dass sich Planeten und Sterne sowohl auf geordneten Kreisen und Spiralen, als auch völlig chaotisch bewegen können. Nach ihren Berechnungen ist der Weltraum in geordnete und chaotische Gebiete aufgeteilt“, erläutert der Forscher. „Wir haben mit unserer Diagnostik Beweise gefunden, dass es im Fusionsplasma für die Flugbahnen der Atomkerne und Elektronen ähnliche Zonen gibt.“

Ohne Diagnostik läuft nichts

„An TEXTOR findet kein Experiment statt, wenn unser Gerät nicht eingeschaltet ist.“ Dr. Hans Rudolf Koslowski kann seinen Stolz auf die von ihm und seinen Mitarbeitern betreute Diagnostik nur schwer verleugnen.

In neun einzelne, nebeneinander angeordnete Strahlen geteilt, „durchschneidet“ das infrarote Licht eines Gaslasers den Querschnitt des Plasmas. Dieser HCN-Laser arbeitet mit einem Gemisch aus Helium, Methan und Stickstoff. Neunzehn Detektoren fangen die Strahlen auf und messen die Schwingungsebene des Lichts.

Ein wesentliches Merkmal des Laserlichts ist nämlich nicht nur seine konstante Frequenz und Wellenlänge, sondern auch die Polarisation, das heißt die festgelegte Ebene, in der die Lichtwellen schwingen. Wenn polarisiertes Licht das Plasma und seine Magnetfelder durchquert, führen elektromagnetische Wechselwirkungen unter anderem dazu, dass sich diese Ebene dreht. „Die Drehung der Polarisation gibt Aufschluss über das Magnetfeld im Plasma. Und weil Strom und Magnetismus eng zusammenhängen, wissen wir damit auch über die Stromverteilung Bescheid“, beschreibt Koslowski die Aussagekraft des Messverfahrens Bis vor kurzem noch sei die Stromverteilung ein „weißer Fleck“ in der Fusionsforschung gewesen.

Doch damit ist das Können von Koslowskis Messeinrichtung längst noch nicht erschöpft: Durch ein spezielles optisches Prinzip – die Interferometrie – wird auch eine kontinuierliche Elektronendichtemessung möglich. Dies gerade macht das Gerät für die gesamte TEXTOR-Mannschaft interessant: „Über die Elektronendichte lässt sich die Lage des Plasmas relativ einfach überwachen und regeln“, freut sich Koslowski über den anfangs nicht geplanten Nebeneffekt.