nucВестник НЯЦ РКNNC RK Bulletin1729-75161729-7885Национальный ядерный центр Республики Казахстан10.52676/1729-7885-2026-1-19-28nuc-913Research ArticleСтатьиКОНЦЕПТУАЛЬНЫЙ ДИЗАЙН ДИАГНОСТИКИ ТОМСОНОВСКОГО РАССЕЯНИЯ ТОКАМАКА КТМCONCEPTUAL DESIGN OF THE THOMSON SCATTERING DIAGNOSTICS FOR THE KTM TOKAMAKhttps://orcid.org/0009-0000-1409-7139КашикбаевЕ. А.KashikbayevYe. A.

Начальник лаборатории экспериментальной физики токамаков

Курчатов

Семей

Kurchatov

Semey

kashikbaev@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0003-4578-1798ЧектыбаевБ. Ж.ChektybayevB. Zh.

Начальник отдела термоядерных исследований

Курчатов

Семей

Kurchatov

Semey

chektybaev@nnc.kzhttps://orcid.org/0009-0004-4550-5317ДүйсенА. Ж.DuisenA. Zh.

Начальник группы лаборатории экспериментальной физики токамаков

Курчатов

Kurchatov

duysen@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0001-5149-0095КурскиевГ. С.KurskievG. S.

Старший научный сотрудник

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

gleb.kurskiev@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2029-4531ЖильцовН. С.ZhiltsovN. S.

Младший научный сотрудник

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

Nikita.Zh@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0009-0005-6257-5832ТкаченкоЕ. Е.TkachenkoE. E.

Старший лаборант-исследователь

Санкт-Петербург

Saint-Petersburg

Tkachenko.Ee@mail.ioffe.ruhttps://orcid.org/0009-0007-3457-9638ОльховикД. А.OlkhovikD. A.

Начальник комплекса - главный инженер КТМ

Курчатов

Kurchatov

Olkhovik@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0001-9731-568XКусаиновА. Т.KusainovA. T.

Начальник лаборатории экспериментальный физических установок

Курчатов

Kurchatov

kusainov@nnc.kzhttps://orcid.org/0000-0003-0088-6828ЖенісҚ.ZhenisK.

Инженер 2- ой категории лаборатории экспериментальный физических установок

Курчатов

Kurchatov

kulan@nnc.kzФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РК; НАО «Шакарим университет»КазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RK; NP JSC “Shakarim University”KazakhstanФилиал «Институт атомной энергии» РГП НЯЦ РККазахстанBranch “Institute of Atomic Energy” RSE NNC RKKazakhstanФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАНРоссияIoffe InstituteRussian Federation202625042026011928Copyright © Кашикбаев Е.А., Чектыбаев Б.Ж., Дүйсен А.Ж., Курскиев Г.С., Жильцов Н.С., Ткаченко Е.Е., Ольховик Д.А., Кусаинов А.Т., Женіс Қ., 20262026Кашикбаев Е.А., Чектыбаев Б.Ж., Дүйсен А.Ж., Курскиев Г.С., Жильцов Н.С., Ткаченко Е.Е., Ольховик Д.А., Кусаинов А.Т., Женіс Қ.Kashikbayev Y.A., Chektybayev B.Z., Duisen A.Z., Kurskiev G.S., Zhiltsov N.S., Tkachenko E.E., Olkhovik D.A., Kusainov A.T., Zhenis K.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journals.nnc.kz/jour/article/view/913

Статья посвящена выбору схемы реализации диагностики томсоновского рассеяния (ДТР) для токамака КТМ, предназначенной для проведения измерений пространственно-временной эволюции температурных и плотностных профилей электронов высокотемпературной плазмы. В статье приводится подробное описание наиболее важных систем диагностики, приведен обширный литературный обзор ДТР, реализованный на аналогичных установках. В результате анализа конструктивных особенностей токамака КТМ и существующих технических ограничений обоснован выбор схемы тангенциального зондирования в экваториальной плоскости как наиболее надёжной и практически реализуемой. Сформулированы ключевые технические требования к системе: диапазон измеряемых температур электронов – от 50 до 3100 эВ, диапазон плотностей – от 1·1019 до 2,5·1020 м−3, а также наличие не менее 10 пространственных точек регистрации. Проведено сравнение различных схем размещения диагностического оборудования, включая вертикальное зондирование, и показана невозможность их реализации на КТМ по ряду инженерных и физических причин. Предложенная компоновка обеспечивает стабильность юстировки, защиту от паразитного излучения и высокое пространственное разрешение. Работа представляет собой обоснованный проект системы ДТР, реализация которого позволит существенно расширить диагностические возможности токамака КТМ для исследований плазмы и материалов в условиях управляемого термоядерного синтеза.

The article is devoted to the development of a conceptual design for Thomson scattering diagnostics (TSD) for the KTM tokamak, intended for conducting experimental studies, measuring the dynamics of temperature profiles and the electron concentration of high-temperature plasma. The work shows an extensive literature review of TSD implemented on similar installations. Schemes for plasma probing and collection of scattered laser radiation of TSD are presented. Based on an analysis of the structural features of the KTM tokamak and existing technical constraints, the choice of a tangential diagnostic layout in the equatorial plane has been justified as the most reliable and practically feasible option. Key technical requirements for the Thomson scattering diagnostic system have been defined: an electron temperature measurement range of 50 to 3100 eV, an electron density range of 1·1019 to 2.5·1020 m−3, and coverage of at least 10 spatial observation points. Various diagnostic configurations, including vertical viewing schemes, were analyzed, and their implementation on KTM was shown to be infeasible due to a number of engineering and physical limitations. The proposed configuration ensures alignment stability, protection against parasitic radiation, and high spatial resolution. This work represents a well-substantiated design of a Thomson scattering diagnostic system, the implementation of which will significantly enhance the diagnostic capabilities of the KTM tokamak for plasma and material research under controlled thermonuclear fusion conditions.

плазматокамакКТМДТРлазерное излучениеплотность плазмыplasmatokamakKTMTSDlaser radiationplasma densityРабота выполнена при финансовой поддержке Агентства Республики Казахстан по атомной энергии (научно-техническая программа BR23891779 «Научно-техническое обеспечение экспериментальных исследований на казахстанском материаловедческом токамаке КТМ»).ReferencesB. Chektybayev, S. Zhunisbek, I. Tazhibayeva, D. Olkhovik, E. Batyrbekov, D. Zarva, A. Korovikov, A. Lee, V. Pavlov, E. Kashikbayev, A. Zhaksybayeva, A. Duisen. Overview of the first experiments at KTM tokamak to obtain plasma discharges // Fusion Engineering and Design. – Vol. 194. – Art. 113847.B. Chektybayev, S. Zhunisbek, I. Tazhibayeva, D. Olkhovik, E. Batyrbekov, D. Zarva, A. Korovikov, A. Lee, V. Pavlov, E. Kashikbayev, A. Zhaksybayeva, A. Duisen. Overview of the first experiments at KTM tokamak to obtain plasma discharges // Fusion Engineering and Design. – Vol. 194. – Art. 113847.B. Chektybayev, I. Tazhibayeva, E. Batyrbekov, Ye. Kashikbayev, D. Olkhovik, D. Zarva, A. Duisen, A. Zhaksybayeva. Improvement of plasma discharge performance at KTM tokamak // Fusion Engineering and Design. – Vol. 208. – Ar. 114684.B. Chektybayev, I. Tazhibayeva, E. Batyrbekov, Ye. Kashikbayev, D. Olkhovik, D. Zarva, A. Duisen, A. Zhaksybayeva. Improvement of plasma discharge performance at KTM tokamak // Fusion Engineering and Design. – Vol. 208. – Ar. 114684.В. В. Солоха и др. Классификация краевых неустойчивостей на токамаке Глобус-М2 // Физика плазмы. – 2023. – Т. 49. – С. 322–331.V. V. Solokha i dr. Klassifikatsiya kraevykh neustoychivostey na tokamake Globus-M2 // Fizika plazmy. – 2023. – Vol. 49. – P. 322–331. (In Russ.)G.M. Asadulin, I.S. Bel’bas, A.V. Gorshkov Upgraded TV Thomson scattering system on the T-10 tokamak // Fusion Engineering and Design. – 2022.G.M. Asadulin, I.S. Bel’bas, A.V. Gorshkov Upgraded TV Thomson scattering system on the T-10 tokamak // Fusion Engineering and Design. – 2022.Г.М. Асадулин, А.Н. Баженов, И.С. Бельбас, А.В. Горшков, А.Н. Коваль, Г.С. Курскиев и др. Испытание полихроматора для тангенциальной системы томсоновского рассеяния токамака Т-15МД в составе диагностики токамака Т-10 // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. – 2019. – Т. 42.G.M. Asadulin, A.N. Bazhenov, I.S. Bel'bas, A.V. Gorshkov, A.N. Koval', G.S. Kurskiev i dr. Ispytanie polikhromatora dlya tangentsial'noy sistemy tomsonovskogo rasseyaniya tokamaka T-15MD v sostave diagnostiki tokamaka T-10 // VANT. Ser. Termoyadernyy sintez. – 2019. – Vol. 42. (In. Russ.)G. M. Asadulin, I. S. Bel’bas and A. V. Gorshkov Tangential System of Thomson Scattering for Tokamak T-15 // Physics of Atomic Nuclei. – 2017. – Vol. 80. – P. 137–1331.G. M. Asadulin, I. S. Bel’bas and A. V. Gorshkov Tangential System of Thomson Scattering for Tokamak T-15 // Physics of Atomic Nuclei. – 2017. – Vol. 80. – P. 137–1331.G.S. Kurskiev, Al.P. Chernakov, V.A. Solovey [et al. Digital filter polychromator for Thomson scattering applications // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. – 2020. – Vol. 963.G.S. Kurskiev, Al.P. Chernakov, V.A. Solovey [et al. Digital filter polychromator for Thomson scattering applications // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. – 2020. – Vol. 963.Г.С. Курскиев, С.Ю. Толстяков, A.А. и др. Модернизация диагностики томсоновского рассеяния на токамаке Глобус-М // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. – 2012.G.S. Kurskiev, S.Yu. Tolstyakov, A.A. i dr. Modernizatsiya diagnostiki tomsonovskogo rasseyaniya na tokamake Globus-M // VANT. Ser. Termoyadernyy sintez. – 2012. (In Russ.)N.S. Zhiltsov, G.S. Kurskiev, E.E. Mukhin [et al. A note on measurement accuracy and thermal stability of filter polychromators for Thomson scattering diagnostics // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. – 2020. – Vol. 976.N.S. Zhiltsov, G.S. Kurskiev, E.E. Mukhin [et al. A note on measurement accuracy and thermal stability of filter polychromators for Thomson scattering diagnostics // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A. – 2020. – Vol. 976.Н. В. Ермаков, Н. С. Жильцов, Г. С. Курскиев, Е. Е. Мухин и др. Диагностика плазмы в диверторной области токамака Глобус-М2 методом томсоновского рассеяния // Физика Плазмы. – 2023. – Т. 49.N. V. Ermakov, N. S. Zhil'tsov, G. S. Kurskiev, E. E. Mukhin i dr. Diagnostika plazmy v divertornoy oblasti tokamaka Globus-M2 metodom tomsonovskogo rasseyaniya // Fizika Plazmy. – 2023. – Vol. 49. (In Russ.)Н.С. Жильцов, Г.С. Курскиев и др. Диагностика томсоновского рассеяния для управления концентрацией плазмы токамака Глобус-М2 // Письма в ЖТФ. – 2023. – Т. 49.N.S. Zhil'tsov, G.S. Kurskiev i dr. Diagnostika tomsonovskogo rasseyaniya dlya upravleniya kontsentratsiey plazmy tokamaka Globus-M2 // Pis'ma v ZhTF. – 2023. – Vol. 49. (In Russ.)Zhiltsov, N. S., Kurskiev, G. S., Tolstyakov, S. Y., Solovey, V. A., Koval, A. N., Tkachenko, E. E., ... & Yashin, A. Y. Thomson scattering diagnostics at the Globus-M2 tokamak // Fusion Engineering and Design. – 2025. – Vol. 211. – Art. 114753.Zhiltsov, N. S., Kurskiev, G. S., Tolstyakov, S. Y., Solovey, V. A., Koval, A. N., Tkachenko, E. E., ... & Yashin, A. Y. Thomson scattering diagnostics at the Globus-M2 tokamak // Fusion Engineering and Design. – 2025. – Vol. 211. – Art. 114753.Asadulin G., Bel'bas I., Gorshkov A. 100-Hz Thomson scattering diagnostics on T-10 tokamak. – In: Proc. of 43rd European Physical Society Conf. on Plasma Physics, 2016.Asadulin G., Bel'bas I., Gorshkov A. 100-Hz Thomson scattering diagnostics on T-10 tokamak. – In: Proc. of 43rd European Physical Society Conf. on Plasma Physics, 2016.Г.М. Асадулин, А.Н. Баженов, И.С. Бельбас и др. Тангенциальная система диагностики томсоновского рассеяния для токамака Т-15 // ВАНТ. Сер. Термоядерный синтез. – 2016. – Т. 39, вып. 2.G.M. Asadulin, A.N. Bazhenov, I.S. Bel'bas i dr. Tangentsial'naya sistema diagnostiki tomsonovskogo rasseyaniya dlya tokamaka T-15 // VANT. Ser. Termoyadernyy sintez. – 2016. – Vol. 39, Iss.. 2. (In Russ.)Mухин E. E. и др. Диагностический комплекс томсоновского рассеяния для мониторинга электронного компонента плазмы в диверторной зоне токамака ИТЭР // Вопросы атомной науки и техники. Серия: Термоядерный синтез. – 2010. – № 2. – С. 59–68.Mukhin E. E. i dr. Diagnosticheskiy kompleks tomsonovskogo rasseyaniya dlya monitoringa elektronnogo komponenta plazmy v divertornoy zone tokamaka ITER // Voprosy atomnoy nauki i tekhniki. Seriya: Termoyadernyy sintez. – 2010. – No. 2. – P. 59–68. (in Russ.)Bassan M., Kurskiev G., et. al. Thomson scattering diagnostic systems in ITER // G. J. Instrum. – Vol. 11.Bassan M., Kurskiev G., et. al. Thomson scattering diagnostic systems in ITER // G. J. Instrum. – Vol. 11.E Yatsuka, M Bassan, T Hatae, M Ishikawa, T Shimada, G Vayakis, M Walsh, R Scannell, R Huxford, P Bilkova et. al. Progresses in development of the ITER edge Thomson scattering system // JINST. – 2013. – Vol. 8.E Yatsuka, M Bassan, T Hatae, M Ishikawa, T Shimada, G Vayakis, M Walsh, R Scannell, R Huxford, P Bilkova et. al. Progresses in development of the ITER edge Thomson scattering system // JINST. – 2013. – Vol. 8.E. Mukhin, R.A. Pitts, P. Andrew, P.V. Chernakov, L. Giudicotti et. al. Physical aspects of divertor Thomson scattering implementation on ITER // Nucl. Fusion. – 2014. – Vol. 54.E. Mukhin, R.A. Pitts, P. Andrew, P.V. Chernakov, L. Giudicotti et. al. Physical aspects of divertor Thomson scattering implementation on ITER // Nucl. Fusion. – 2014. – Vol. 54.G.S. Kurskiev, P.A. Sdvizhenskii, M. Bassan et. al. A study of core Thomson scattering measurements in ITER using a multi-laser approach // Nucl. Fusion. – 2015. – Vol. 55.G.S. Kurskiev, P.A. Sdvizhenskii, M. Bassan et. al. A study of core Thomson scattering measurements in ITER using a multi-laser approach // Nucl. Fusion. – 2015. – Vol. 55.Г.С. Курскиев, Н.С. Жильцов, А.Н. Коваль, А.Ф. Корнев, А.М. Макаров, Е.Е. Мухин, Ю.В. Петров и др. Измерение температуры электронов плазмы токамака Глобус-М2 методом мультилазерного томсоновского рассеяния // Письма в ЖТФ. –2021. – Т. 47.G.S. Kurskiev, N.S. Zhil'tsov, A.N. Koval', A.F. Kornev, A.M. Makarov, E.E. Mukhin, Yu.V. Petrov i dr. Izmerenie temperatury elektronov plazmy tokamaka Globus-M2 metodom mul'tilazernogo tomsonovskogo rasseyaniya // Pis'ma v ZhTF. –2021. – Vol. 47. (In Russ.)Scannell. R. [et al. A 130 point Nd:YAG Thomson scattering diagnostic on MAST // Rev.Sci. Instrum. – 2010. – Vol. 81.Scannell. R. [et al. A 130 point Nd:YAG Thomson scattering diagnostic on MAST // Rev.Sci. Instrum. – 2010. – Vol. 81.B. P. LeBlanc, R. E. Bell, D. W. Johnson, D. E. Hoffman, D. C. Long, and R. W. Palladino. Operation of the NSTX Thomson scattering system // Rev.Sci. Instrum. – 2003. – Vol. 74.B. P. LeBlanc, R. E. Bell, D. W. Johnson, D. E. Hoffman, D. C. Long, and R. W. Palladino. Operation of the NSTX Thomson scattering system // Rev.Sci. Instrum. – 2003. – Vol. 74.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.