Kijken naar licht uit het binnenste van de tokamak – MSE

Het plasma wordt verhit op verschillende manieren. Één daarvan is het schieten van een bundel neutrale deeltjes in de donutkamer. Door botsingen met de plasmadeeltjes verliezen de bundeldeeltjes ook hun elektronen en raken geladen. Vanaf dan maken ze onderdeel uit van het plasma. Maar voordat de deeltjes geïoniseerd raken, zenden ze licht uit en dat is interessant: het vertelt ons iets over het magneetveld op de plek van waar dat licht is uitgezonden.

Een horizontale doorsnede van de tokamak is schematisch te zien in de eerste figuur. Dit geeft een indruk van de richting van de bundel en de opstelling van het MSE systeem. Om het principe waarop het systeem is gebouwd te begrijpen, hierna eerst een stukje over de werking van licht.

Bovenaanzicht van de tokamak: de donut met daaromheen de poorten. De dikke gekleurde pijlen geven de neutrale bundels aan, de MSE kijklijnen zijn gestippeld. De richting van het magneetveld (Bt) en de plasmastroom (Ip) zijn ook aangegeven. (bron: M. de Bock, RSI, 2012)

Licht bestaat uit deeltjes, fotonen. Deze worden door een atoom uitgezonden wanneer het van de ene toestand naar een toestand met lagere energie vervalt. Het energieverschil is de energie die het foton meekrijgt en bepaalt de kleur van het licht (of meer algemeen, als deze energie buiten het zichtbare deel van het spectrum valt “de energie van de elektromagnetische straling”). Afhankelijk van het atoom zijn er verschillende energietoestanden waarvandaan en waarnaartoe het kan vervallen. Met behulp van kwantummechanica kennen we deze toestanden precies en kunnen we de sprongen van de ene naar de andere beschrijven met enkele kwantumgetallen. Deze getallen kunnen niet elke waarde aannemen, maar zijn altijd heel- of halftallig. Vandaar de naam: kwantummechanica.

Polarisatie

Twee foto’s van een meertje met links zonder en rechts met polarisatiefilter. In de laatste is veel meer onder water te zien. (foto: Lake Czarne, by Crusier)

Sommige van deze kwantumsprongen geven het licht een bepaalde polarisatie mee. Polarisatie is het verschijnsel dat de lichtgolf een bepaalde draairichting heeft om haar voortplantingsas. Dit is een abstract begrip; een alledaags voorbeeld is te beleven met een polaroid bril: zonlicht wat op een wateroppervlak gereflecteerd wordt is grotendeels horizontaal gepolariseerd. Met een verticaal polarisatiefilter blokkeer je dit en zie je alleen licht wat ook een verticale richting heeft (zie foto).

Voordat we teruggaan naar de tokamak, moet er nog dit gezegd worden over de lichtgolf: technisch bestaat dit uit een trillende elektrische golf en loodrecht daarop een magnetische golf. De richting waarin de elektrische golf trilt heet de polarisatierichting. Elektriciteit en magnetisme zijn eigenlijk niet van elkaar onderscheidbare fenomenen. Een lading brengt een elektrisch veld teweeg, een bewegende lading (of stroom) resulteert ook in een magnetisch veld. Dit samenspel van elektromagnetische golven (licht) en beweging werd aan het eind van de negentiende eeuw begrepen en werd de basis voor Einsteins relativiteitstheorie.

Van de natuurfenomenen naar een meetapparaat

Nu gebruiken we onze kennis van polarisatie bij kwantumsprongen en het samenspel van elektriciteit en magnetisme om tot ons meetsysteem te komen. In het plasma in de tokamak komen de neutrale deeltjes met hoge snelheid binnen. Als we nu eens doen of we met zo’n deeltje meereizen, ervaren we door het genoemde samenspel het magneetveld ook als een elektrisch veld. Dit komt door de snelheid die we hebben.

 De neutrale deeltjes zenden licht uit, wat deels een gepolariseerd is. Deze polarisatie staat precies in de richting van het elektrisch veld dat de deeltjes ervaren en dat komt weer door het magneetveld.

Als nu bij het meetapparaat de polarisatierichting van het licht gemeten wordt (vergelijk met de polaroidbril, waar horizontaal van verticaal wordt onderscheiden), kan dat worden omgerekend naar het plaatselijke magneetveld. Precies wat we willen!

Het MSE principe (plaatjes: M. de Bock, TU/e)

Het gifje hiernaast geeft het zojuist besproken principe weer: in het plasma heerst het magneetveld (B), de neutrale bundel loopt erdoorheen en “voelt” een elektrisch veld (E), het licht neemt de richting aan van E en de hoek wordt gemeten. Hoe deze polarisatie-informatie precies wordt omgezet in een meetbaar signaal wordt hier verder niet behandeld. Ook de hoeveelheid licht en daarbij behorende signaal/ruis-verhouding wordt wellicht later aangestipt. Dit hoort bij mijn onderzoek naar de prestaties van het toekomstige systeem.