Atomic Spectroscopy for Applications in Energy Technology

Abstract

This thesis intends to provide spectroscopic information which may be of use in the investigation of low-density plasmas. Developed since the 19th century, the spectroscopic approach has proven to be a versatile method for measuring properties in hot gases, such as electron and ion temperatures and densities, the abundance of various elements in the gas, etc. However, such investigations rely on knowledge in the atomic structure of the various constituents of the plasma, and the mechanisms behind the interaction between atoms and ions, and radiation. Thus, the papers discussed in this thesis focused on different areas where parameters obtained by atomic spectroscopy might prove useful. The applications, so to say, have been in the field of energy production and consumption.



The first project involved time-resolved spectroscopy of the cathode region of a fluorescent lamp. The information may be useful to understand population processes in low-density plasmas in general, and plasmas in fluorescent lamps especially.



The second and third projects have investigated tungsten ions. Tungsten is planned to be used as plasma facing wall material in the fusion reactor ITER, currently under construction in France. The material is expected to be injected into the plasma due to sputtering, where it is later ionized. Project 2 measured the spectrum of W II, which is likely to exist in the outer, colder parts of the ITER plasma. The ions were created and excited by a Penning discharge lamp and recorded by a Fourier Transform Spectrometer at Lund Observatory. The line intensities gave, through the method of branching fractions and lifetimes, absolute transition probabilities for 95 transitions in the ultraviolet and the visible part of the spectrum. Project 3 measured the wavelengths in the EUV for Co- through Mg-like W, i.e. highly charged ions expected to occur in the inner parts of the ITER plasma. The ions were generated and excited through an electron beam ion trap at the Lawrence Livermore National Laboratory.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En stor del, kanske den största delen, av den information som vi dagligen får om världen tillhandahålls genom ett av våra fem sinnen: synen, med vilken ögat registrerar det ljus som vi omges av. Det ljus som vi kan registrera och uppfatta som färger är egentligen bara en bråkdel av den elektromagnetiska strålning som universum är uppfyllt av: Det finns även röntgenstrålning, ultraviolett ljus och infrarött, bara för att nämna några varianter, vars enda skillnad från det synliga ljuset är våglängden, eller hur snabbt strålningen vibrerar. Spektroskopi är den vetenskapliga metod som analyserar och mäter våglängderna hos elektromagnetisk strålning, dess så kallade spektrum. Det har nämligen visat sig att sådant kan vara till nytta på en mängd olika sätt, både vad gäller fundamentala frågor rörande atomers inre struktur och mer ”praktiska” spörsmål, som vad som egentligen får ett lysrör att lysa.



Denna avhandling rör sig i gränslandet mellan det fundamentala och det mer praktiska. Fokus har legat på att undersöka strålningen som sänds ut från särskilda så kallade plasmor, det vill säga gaser av olika ämnen som har hettats upp till sådana temperaturer att atomerna däri har brutits upp i positivt laddade joner och negativt laddade elektroner. Ett typiskt exempel på ett plasma är en eldslåga. Beroende på vilka atomer och joner som plasmat består av, så kommer våglängderna på strålningen som sänds ut därifrån att variera. Man kan exempelvis nämna de där orangea gatlyktorna som finns överallt, anledningen till att de är just orangea är att den heta gasen inuti lamporna innehåller natrium, och neonskyltarnas röda ljus beror på att de innehåller - just det - neon.



Genom att undersöka strålningens våglängdsinnehåll från olika objekt kan vi alltså få reda på information om objekten, som vilka ämnen de består av. Detta är ytterst praktiskt, särskilt vad gäller objekt som är svåra att analysera på andra sätt, som exempelvis stjärnor, som är så avlägsna att allt vi har att tillgå är ljuset från dem. Men det finns även saker här på jorden som kan vara svåra att analysera på annat sätt. Som exempel kan nämnas mångmiljardbygget ITER, ett internationellt forskningsprojekt som håller på att byggas upp i södra Frankrike och beräknas stå färdigt 2019. ITER är en så kallad fusionsreaktor som enkelt uttryckt är tänkt att producera energi genom att ``härma'' de fusionsprocesser som sker inuti solens inre. För att lyckas med detta måste man skapa ett plasma med en temperatur på 150 miljoner grader Celcius. Det är viktigt att hålla god koll på en sådan het gas, och man måste därför utveckla metoder för att exempelvis mäta plasmats temperatur och täthet - sådant finns det goda spektroskopiska metoder för sedan länge.



Plasmat i ITER kommer främst att bestå av olika varianter av väte, universums lättaste grundämne, som fungerar som reaktorns bränsle. Man kan förvänta sig att även andra ämnen kommer att hamna i plasmat, bland annat material från reaktorväggens insida, som lätt kan slitas ned på grund av de höga temperaturerna. Delar av väggen kommer att bestå av volfram. Detta är en atom som väger nästan 200 gånger så mycket som en väteatom, och kommer alltför mycket av detta ämne ut i plasmat kan det leda till energiförluster och instabiliteter. Det är därför mycket viktigt att hålla koll på volfram och alla dess joner, exempelvis genom spektroskopiska metoder där man letar efter våglängder i strålningen från ITER som man vet är specifika för just volfram. Problemet är bara att man i vissa lägen har ganska dålig koll på exakt vilka våglängder som de olika volframjonerna strålar ut. Vad delar av detta avhandlingsarbete har gått ut på har därför varit att kartlägga strålningen hos olika volframjoner. Detta är starkt sammanlänkat med att undersöka den inre strukturen hos jonerna, det vill säga hur de negativt laddade elektronerna arrangerar sig kring den positivt laddade kärnan. Olika elektronstruktur leder till olika utstrålade våglängder, och undersöker man strålningen från ett känt ämne säger detta följaktligen någonting om dess inre struktur. Analysen av strålningen kräver därför djupa kunskaper om atomers och joners fysik.



En annan del av avhandlingen har gjort spektroskopiska undersökningar av lysrör. Det som strålar inuti lysrören är också en joniserad gas, bestående av olika ädelgaser som argon och krypton, samt kvicksilver. Detta plasma är inte lika hett som det förväntade i ITER, men tillräckligt varmt för att joner och strålning ändå ska produceras. Detta är av intresse för en atomfysiker, dels för att lysrör kan utgöra små, billiga laboratorium där man kan undersöka olika processer som sker mellan atomerna, jonerna och elektronerna i plasmat, dels för att de spektroskopiska undersökningarna faktiskt kan få oss att förstå ljusproduktionen i lysröret bättre, samt de processer som oundvikligen leder till att lysröret slutar fungera. Kunskapen som man erhåller från spektroskopiska undersökningar kan, är det tänkt, leda till ljuskällor som lyser längre och bättre i framtiden. Även detta kräver viss kunskap om själva atomstrukturen hos ämnena i lysröret.

• author: Lennartsson, Thomas
• supervisor: Sven Huldt
• opponent: Prof Schuch, Reinhold, Department of Physics, Stockholm University
• organization: Lund Observatory - Has been reorganised
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Astronomy, Astrophysics and Cosmology
• keywords: atomic structure, plasma diagnostics, branching fractions, gas discharges, highly charged ions, extreme ultraviolet spectra, time-resolved spectroscopy
• defense location: Lundmarksalen, Lund Observatory
• defense date: 2012-04-13 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-296-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 6f4226c5-d444-4781-a43f-27fdb211a01c (old id 2374857)
• date added to LUP: 2016-04-04 12:04:28
• date last changed: 2018-11-21 21:08:50