AbstractThe measurement of the relative concentrations of hydrogen, deuterium, tritium and helium is an important task in the nuclear fusion research area. Control of the deuterium-tritium (D-T) isotropic ratio and limiting the helium ash content in a fusion plasma are the key to optimizing the fuel burn in a fusion reactor such as ITER. A diagnostic technique has been developed to measure the D-T isotopic ratio in the divertor of a tokamak with a Penning vacuum gauge. The Penning discharge provides a source of electrons to excite the neutral deuterium and tritium in the pumping duct. Subsequently, the visible light from the hydrogen isotopes is collected in an optical fibre bundle, transferred away from the tokamak into a low radiation background area and detected in a high resolution Czerny-Turner spectrometer, equipped with a fast CCD (charge-coupled device) camera for optical detection. The intensity of the observed line emission (Dα, 6561.03 Å; Tα, 6560.44 Å) is directly proportional to the partial pressure of each gas found in the divertor. The line intensity of each isotope is calibrated as a function of pressure. The ratio of the line intensities thus provides a direct measurement of the D-T isotopic ratio. The lower limit for the determination of the D-T isotopic ratio is about 0.5%. This system is applicable for the pressure range from 10−5 mbar to a few times 10−2 mbar.
水素、重水素、トリチウム、およびヘリウムの濃度測定は、核融合研究分野における重要な課題である。核融合プラズマにおける重水素-トリチウム（D-T）同位体比の制御とヘリウム灰含有量の制限は、ITERのような核融合炉における燃料燃焼を最適化するための鍵となる。トカマクのダイバータにおけるD-T同位体比を測定するための診断技術が開発された。ペニング真空計は、ポンピングダクト内の中性重水素およびトリチウムを励起するための電子源を提供する。その後、水素同位体からの可視光は、光ファイバーバンドルによって収集され、トカマクから低放射線背景領域へ伝送され、高速CCD（電荷結合素子）カメラを備えた高分解能チャーニー・ターナー分光器で検出される。観測された輝線強度（Dα、6561.03 Å；Tα、6560.44 Å）は、ダイバータ内に存在する各ガスの分圧に直接比例する。各同位体の輝線強度は、圧力の関数として較正される。したがって、輝線強度の比はD-T同位体比の直接的な測定値を提供する。D-T同位体比の決定における下限は約0.5%である。本システムは、10⁻⁵ mbarから数×10⁻² mbarの圧力範囲に適用可能である。