Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Требования к пучкам быстрых атомов для активной корпускулярной диагностики плазмы. 15
§1.1. Проникновение пучка быстрых атомов в плазму. 16
§ 1.2. Метод искусственной мишени. 18
§ 1.3. Резерфордовское рассеяние пучка быстрых атомов. 20
§ 1.4. Многохордовое ослабление пучка. 23
§ 1.5. Спектроскопия с применением пучков быстрых атомов. 24
Глава 2. Формирование интенсивных ионных пучков высокой яркости с геометрической фокусировкой. 31
§ 2.1. Плазменный эмиттер, образованный расширяющейся плазменной струей. 31
§ 2.2. Геометрическая фокусировка пучка в ионно-оптической системе с возрастающими по радиусу зазорами. 37
Глава 3. Многоаиертурная четырехэлектродиая ионио-оптическан система с "толстыми" электродами. 46
§3.1. Численная оптимизация геометрии электродов. 47
§ 3.2. Тепловые деформации и термомеханическая устойчивость ионно- оптической системы с "толстыми" электродами. 55
§3.3. Аккуратная геометрическая фокусировка пучка быстрых атомов. 69
Глава 4. Диагностические инжекторы с геометрической фокусировкоіі пучка.
§ 4.1. Диагностические инжекторы ДИНА-5ФД7. 77
§ 4.2. Диагностический инжектор RUDI. 85
§ 4.3. Диагностический инжектор для установки RFX. 94
Глава 5. Формирование интенсивных сфокусированных пучков быстрых атомов водорода для нагрева плазмы. 100
Глава 6. Применение разработанных диагностических инжекторов. 107
Глава 7. Получение диагностических субмикросекуидных пучков быстрых атомов.
Глава 8. Инжскцин сфокусированного пучка атомов водорода высокой яркости в источник поляризованных ионов с оптической накачкой. 132
Заключение. 147
Литература. 149
Введение к работе
Исследования по магнитному удержанию высокотемпературной плазмы проводятся во многих ведущих лабораториях мира и достигли значительных успехов. В настоящее время на больших токамаках JET и JT-60 достигнуты условия зажигания термоядерной реакции и решен вопрос о строительстве международного токамака реактора ИТЕР. При этом также продолжаются интенсивные экспериментальные исследования поведения плазмы на токамаках средних размеров, стеллараторах, пинчах с обращенным нолем, открытых ловушках. Для детального изучения поведения плазмы в магнитных ловушках используют множество диагностических методов. Среди этих методов можно выделить методы активной корпускулярной диагностики, основанные на применении специальных пучков быстрых атомов. При использовании этих методов параметры плазмы определяются в результате изучения взаимодействия атомов диагностического пучка с плазмой. Методы активной корпускулярной диагностики позволяют надежно определять локальные параметры плазмы и в течение последних десятилетий интенсивно развиваются. Для обеспечения методов активной корпускулярной диагностики нужны специализированные прецизионные пучки быстрых атомов с энергией в диапазоне 10-80 кэВ. Такие пучки получают перезарядным методом. В ионном источнике диагностического инжектора миогоапертурная ионно-оптическая система с поверхности плазменного эмиттера формирует ионный пучок с током в несколько ампер, который затем перезаряжается в атомы в газовой перезарядной мишени. Такая схема формирования используется также в мощных инжекторах пучков быстрых атомов для нагрева плазмы. Однако в диагностических инжекторах для получения более узкого пучка часто требуется фокусировка пучка с минимально возможной угловой расходимостью. Весьма часто в эксперименте также требуется модуляция диагностического пучка и высокая стабильность энергии атомов. Этими требованиями определятся специфика диагностических инжекторов.
Развитие диагностических инжекторов пучков быстрых атомов в течение более чем трех десятилетий лет ведется в Институте ядерной физики СО РАН. В 70-х годах в Институте были разработаны первые два инжектора серии ДИНА (Диагностический Инжектор Нейтральных Атомов). Инжектор ДИНА-1 [1] формировал пучок атомов водорода с энергией до 15 кэВ, потоком атомов до 3 А (здесь и далее интенсивность пучка атомов измеряется в эквивалентных амперах, 1 экв. А = 6-Ю18 атомов/с), длительностью 100 мкс. В инжекторе ДИНА-2 [2] дополнительно была предусмотрена модуляция пучка с частотой 500 кГц. В ионном источнике этих инжекторов плазменный эмиттер создавался струей плазмы из дугового источника, ионный пучок формировался мелкоструктурной многощелевой трехэлектродной ионно-оптической системой. Сформированный ионный пучок перезаряжался в атомы в перезарядной трубке, установленной непосредственно на выходе из ионно-оптической системы, плотность потока атомов на расстоянии 1 м от инжектора составляла 90 мА/см . Инжекторы ДИНА-1,2 были использованы для выполнения ряда первых успешных измерений параметров плазмы методами активной корпускулярной диагностики [3-8].
В 80-х годах для токамака Т-10 был разработан диагностический инжектор ДИНА-3 [9] с энергией атомов пучка до 25 кэВ, потоком до 3.2 А, длительностью импульса 200 мкс. В ионном источнике этого инжектора использовался плазменный эмиттер с периферийным магнитным полем, в результате чего достигалась пространственная однородность эмиттера. Формирование ионного пучка осуществлялось многощелевой четырехэлектродной ионно-оптической системой с круглыми электродами. Неперезаряженная на выходящем из источника газе часть пучка фокусировалась магнитной линзой и затем нейтрализовалась в импульсной перезарядной мишени. В результате плотность потока атомов на расстоянии 1.5 м от инжектора составила 250 мА/см2 . С помощью инжектора ДИНА-3 на токамаке Т-10 были проведены локальные измерения ионной температуры по доплеровскому уширению атомов перезарядки [10] и по резерфордовскому рассеянию быстрых атомов [11].
В разработанном позже диагностическом инжекторе ДИНА-4А [12] использовался плазменный эмиттер с малой поперечной ионной температурой, образованный бесстолкновителыю расширяющейся плазменной струей, в конструкции источника были приняты меры но снижению перезярядки сформированного ионного пучка на вытекающем из источника газе. В результате принятых мер практически весь сформированный пучок далее фокусировался магнитной линзой и затем нейтрализовался в перезарядной трубке. Сфокусированный на расстоянии 1 м от инжектора пучок атомов водорода с энергией 15 кэВ имел размеры 0.6 см 2.6 см и плотность потока до 1.7 А/см . Этот инжектор использовался на токамаке Туман-3 [13] ив Институте ядерной физики [14].
В 90-х годах развитие диагностических инжекторов серии ДИНА было продолжено. Следующим необходимым шагом развития инжекторов являлось увеличение длительности импульса тока пучка. Поскольку при повышении длительности импульса магнитная фокусировка сформированного протонного пучка становится неэффективной вследствие перезарядки на вытекающем из источнике газе, то в следующих диагностических инжекторах серии ДИНА была использована геометрическая фокусировка пучка. За счет использования ионно-оптических систем с геометрической фокусировкой и возрастающими по радиусу зазорами длительность импульса тока пучка была увеличена более чем на порядок. В инжекторе ДИНА-5Ф [15,16] длительность импульса составляла 3 мс, при энергии атомов до 30 кэВ и потоке атомов до 3 А. Инжекторы ДИНА-6,7 [17] формировали пучки атомов, состоящие из серии импульсов (до 20) с длительностью 1 мс.
В 1992-97 годах для пучковой спектроскопии примесей на токамаке TEXTOR (Юлих, Германия) был разработан и исследован диагностический инжектор RUDI [18-22] (RUssian Diagnostic Injector), формирующий пучок атомов водорода с энергий 50 кэВ, потоком 1 А, и длительностью до 10 с. Значительное по сравнению с инжекторами серии ДИНА увеличение длительности пучка было достигнуто за счет применения в ионном источнике диагностического инжектора RUDI плазменного эмиттера на основе высокочастотного разряда и ионно-оптической системы с "толстыми" электродам, позволяющими за счет значительной теплоемкости ограничить прирост температуры за время импульса. Затем на основе этого инжектора для токамака TCV (Лозанна, Швейцария) был изготовлен инжектор пучка атомов водорода с энергией до 52 кэВ, потоком до 1.4 А, длительностью импульса 2 с [23].
В текущем десятилетии, начиная с 2000 года для пинча с обращенным полем RFX (Падуя, Италия) был разработан и испытан диагностический инжектор [24,25] с пространственно однородным плазменным плазменный эмиттером, создаваемым при расширении плазменной струи в экспандер с периферийным магнитным полем. Полученный из инжектора пучок атомов водорода с энергией 50 кэВ имеет поток 2.5 А при длительности импульса 50 мс. Плотность потока атомов в фокусе пучка, расположенном на расстоянии 4 м от источника составляет 50 мА/см2. Для токамака Alcator C-Mod (Бостон, США) подготовлен вариант подобного инжектора с повышенным до 4 А потоком атомов и увеличенной до 1.5 с длительностью импульса пучка. Ведется разработка диагностического инжектора пучка атомов водорода [26] с энергией 60 кэВ, потоком атомов 5 А, длительностью импульса 10 с и более для сооружаемого большого стелларатора W-7 (Грассвальд, Германия).
Диагностические инжекторы разрабатывались также в ряде других лабораторий, занимающихся созданием инжекторов пучков быстрых атомов для нагрева плазмы [27-32]. В ряде ранних экспериментов в качестве диагностических инжекторов использовались уменьшенные варианты нагревных инжекторов, разработанных в LNBL [27]. В Culham Laboratory, UKAEA в конце 80-х годов разработан специализированный диагностический инжектор [28], формирующий пучок атомов водорода с энергией 60-80 кэВ, потоком атомов 2-3 А, плотностью потока атомов в расположенном на 4 м от фокусе пучка 3-6 мА/см2, длительностью импульса 20-100 мс и возможностью модуляции на частоте 1 кГц. В СЕА Cadarache для обеспечения измерения магнитного поля по динамическому эффекту Штарка на токамаке Tore Supra разработан мощный диагностический инжектор пучка атомов водорода и дейтерия с энергией атомов 70 кэВ, мощностью пучка атомов 500 кВт, угловой расходимостью 0.6° [31]. Особенностью этого инжектора является использование рекуперации неперезаряжешюго в нейтрализаторе ионного пучка. В LBNL для измерений магнитного поля по эффекту Штарка с применением значительно повышающей чувствительность измерений лазерной флюоресценции исследуется ионный источник [32] с высоким содержанием протонов, энергией 35 кэВ и током пучка всего 35 мА. Однако разработка и исследование диагностических инжекторов в этих лабораториях носит единичный характер, в отличие от Института ядерной физики, где благодаря многолетней интенсивной работе создана серия диагностических инжекторов с параметрами пучков быстрых атомов, способных обеспечить применение современных методов корпускулярной диагностики плазмы в магнитных ловушках средних и больших размеров.
Ионно-оптические системы с геометрической фокусировкой, развитые для ионных источников диагностических инжекторов, были также модифицированы для применения в инжекторах для нагрева плазмы мощными сфокусированными пучками быстрых атомов.
В начале 90-х годов в Институте ядерной физики был разработан нагревный инжектор, формирующий сфокусированный пучок атомов водорода с энергией 6 кэВ и потоком 20 А [33,34]. В 2001-2003 годах был создан инжектор для нагрева плазмы сфокусированным пучком атомов с энергией 25 кэВ и мощностью 900 кВт [35,36]. Оба инжектора обеспечивают диаметр сфокусированного пучка несколько сантиметров.
Отдельным применением полученных в Институте ядерной физики диагностических пучков быстрых атомов водорода с высокой яркостью является их инжекция в источники поляризованных ионов с оптической накачкой. В 1995-96 годах в Институте ядерной физики были проведены модельные эксперименты по транспортировке и фокусировке пучка атомов водорода с энергией в диапазоне 0.8-8 кэВ [37]. В 1997 г. на источнике поляризованных ионов с оптической накачкой Канадской национальной лаборатории TR1UMF были проведены эксперименты с использованием внешней инжекции сфокусированного пучка атомов водорода с высокой яркостью. В результате этих экспериментов ток пучка поляризованных ионов II" вырос более чем на порядок и достиг рекордного значения 14 мА [38,39].
Основу настоящей диссертации составляют результаты по формированию, транспортировке и применению сфокусированных пучков ионов и атомов. Эти результаты в основном получены в период с 1990 г. по 2003 г. в ходе создания перечисленных выше диагностических инжекторов. В диссертацию также включены результаты по формированию мощных сфокусированных пучков быстрых атомов для нагрева плазмы, получению субмикросеундных диагностических пучков быстрых атомов и применению сфокусированных пучков атомов с высокой яркостью в источниках поляризованных ионов с оптической накачкой.
Диссертация состоит из Введения, восьми глав и Заключения. В первой главе приведен обзор современных методов активной корпускулярной диагностики плазмы, включающих в себя метод искусственной мишени, резерфордовское рассеяние, пучково-эмиссионную спектроскопию, пучковую спектроскопию примесей, измерение магнитного поля по динамическому эффекту Штарка, и сформулированы требования к параметрам диагностических пучков быстрых атомов. Для обеспечения интенсивно применяющейся в последнее время пучковой спектроскопии примесей требуются пучки атомов водорода с энергией 30-50 кэВ и плотностью потока 10" -10" А/см .
Во второй главе рассматриваются подходы к формированию интенсивных пучков высокой яркости. В начале главы описывается плазменный эмиттер с малой поперечной ионной температурой, образованный расширяющейся плазменной струей из дугового генератора плазмы. Проведено модельное рассмотрение охлаждения ионов в расширяющейся плазменной струе, представлены экспериментальные результаты, подтверждающие высокую яркость сформированных пучков протонов и атомов. Далее рассмотрено формирование сфокусированного ионного пучка высокой яркости ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами. Такая ионно-оптическая система способна обеспечить согласованное формирование интенсивного ионного пучка из радиалыю неоднородного плазменного эмиттера, образованного расширящейся плазменной струей. Показано, что для оптимального формирования требуются электроды в виде сферических сегментов разного радиуса кривизны. Рассмотрены факторы, определяющие отклонение элементарного пучка в отдельной ячейке четырехэлектродиой ионно-оптической системы, получены формулы для расчета радиусов электродов ионно-онтической системы, обеспечивающей геометрическую фокусировку пучка на заданное расстояние. В конце главы представлены результаты трехмерных численных расчетов формирования элементарного пучка в ионно-оптической системе с расширяющимися п0 радиусу зазорами.
Третья глава содержит результаты исследований ионно-оптической системы с "толстыми" электродами, предложенной для формирования пучков большой длительности. В результате представленных в начале главы численных расчетов была определена оптимизированная геометрия элементарной ячейки четырехэлектродной ионно-оптической системы, обеспечивающая величину угловой расходимости сформированного пучка на уровне 0.5°. Далее описаны исследования термомеханического поведения электродов ионно-оптической системы. В результате этих исследований рассчитаны радиальные профили температуры электродов во время импульса формирования пучка, определены тепловые деформации и механические напряжения электродов, оценен температурный предел устойчивости электродов. Кроме того, представлены результаты специального эксперимента по измерению тепловых деформаций модели электрода. В конце главы рассмотрены возможности достижения прецизионной геометрической фокусировки интегрального пучка быстрых атомов, связанные с повышением радиальной однородности эмиссионной плотности тока, применением квазипирсовских электродов и снижением неточностей радиусов кривизны электродов.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований серии разработанных диагностических инжекторов. В начале главы приведены результаты стендовых испытаний инжекторов ДИНА-5Ф,6,7, плазменный эмиттер в которых образован расширяющейся плазменной струей, а формирование пучка производится ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами. Затем изложены результаты исследований формирования и транспортировки пучка диагностического инжектора RUDI с длительностью импульса до 10 с. Далее приведены результаты исследований диагностического инжектора для пиича RFX. В конце главы обсуждены направления дальнейшего развития диагностических инжекторов.
В пятой главе диссертации приведены описание конструкции и результаты экспериментальных исследований двух вариантов разработанных инжекторов интенсивных сфокусированных пучков быстрых атомов для нагрева плазмы. В этих инжекторах геометрическая фокусировка пучков обеспечивается четырехэлектродными ионно-оптичсскими системами большого диаметра.
Некоторые результаты использования описанных диагностических пучков быстрых атомов для методов активной корпускулярной диагностики плазмы на ряде установок изложены в шестой главе. На пинче с обращенным полем MST (Мэдисон, США) проведены измерения ионной температуры методом резерфордовского рассеяния и по доплеровскому уширению линий примесей, а также измерена величина магнитного поля по динамическому эффекту Штарка. На установке ГДЛ из измерений по эффекту Штарка получен радиальный профиль магнитного поля и определена функция распределения быстрых ионов в плазме методом искусственной мишени. Радиальные профили ионной температуры и концентраций ионов примесей получены в результате использования пучковой спектроскопии примесей на токамаке TEXTOR. Измерения ионной температуры плазмы также проводится натокамаках TCV и Alcator C-mod. Кроме того, на токамаке Alcator C-mod выполняются измерения полоидального магнитного поля по эффекту Штарка.
Седьмая глава посвящена получению диагностических пучков быстрых атомов с длительностью порядка микросекунды, требующихся для реализации ряда новых предложений по диагностике плазмы в магнитных ловушках. Рассмотрен ряд возможных способов получения пучков такой длительности. Экспериментально изучена модуляция плазменного эмиттера ионного источника диагностического инжектора сеточным электродом, расположенным перед плазменным электродом ионно-оптической системы.
При испытаниях ионного источника с сеточным модулятором получен протонный пучок с длительностью фронта 400 не.
В последней, восьмой главе рассматривается применение сфокусированных пучков атомов водорода высокой яркости для внешней инжекции в источник поляризованных ионов с оптической накачкой. Приведены результаты выполненных в Институте ядерной физики по магнитной фокусировке пучка атомов водорода с энергией в диапазоне 0.8-8 кэВ. Для формирования протонного пучка с энергией 0.8 кэВ использовалась ионно-оптическая система типа ускорение-замедление. Результаты этих экспериментов показали, что эффективная компенсация первичного протонного пучка обеспечивается только в диапазоне энергий 5-8 кэВ. Далее на источнике ионов с оптической накачкой (TRIUMF, Ванкувер) были выполнены измерения величины инжектируемого потока атомов для разных энергий и получен ток поляризованных ионов Н" до 14 мА. Для дальнейшего повышения тока поляризованных ионов Н" предлагается использовать инжекцию геометрически сфокусированного пучка атомов водорода.
В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.
Основные результаты работы докладывались на Международных конференциях по ионным источникам (Беркли, США, 1989; Вистлер, Канада, 1995; Дубна, Россия, 2003), Международных конференциях по диагностике высокотемпературной плазмы (Припстон, США, 1998; Таксон, США, 2000), Международной конференции МАГАТЭ (Лион, Франция, 2002), Международных конференциях по явлениям в ионизированных газах (Варшава, Польша, 1999; Нагоя, Япония, 2001; Грасвальд, Германия, 2003), Международной конференции по оптике заряженных частиц (Дельфт, Голландия, 1998), Международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы (Новосибирск, 1998), Международной Токи Конференции по физике плазмы и управляемому ядерному синтезу (Токи, Гифу, Япония, 2000), Международной конференции по диагностике для магнитного и инерциального синтеза (Варенна, Италия, 2001), Международных симпозиумах по термоядерным технологиям (Карлсруэ, Германия, 1994; Марсель, Франция, 1998), Конференциях отделения физики плазмы американского физического общества (Миннеаполис, США, 1994; Сиэттл, США, 1999; Квебек, Канада, 2000; Лонг Бич, Калифорния, США, 2001), Конференции германского физического общества (Аахен, Германия, 2003), Международном совещании по поляризованным газовым мишеням и поляризованным пучкам (Урбана, Иллинойс, США, 1997), Международном совещания по поляризованным протонам высокой энергии (Гамбург, Германия, 1999), Европейском совещании по пучкам быстрых атомов (Юлих, Германия, 2001), Американско-японском совещании по поляризационной спектроскопии плазмы (Ливермор, Калифорния, 2001), Совещании по диагностике высокотемпературной плазмы (Санкт-Петербург, 1997), Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (1997-2004). Основные результаты диссертации представлены в 39 публикациях, их них 22 являются статьями в ведущих международных и отечественных реферируемых журналах - Review of Scientific Instruments, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Plasma Physics and Controlled Fusion, Journal of Plasma Physics and Fusion Research, Transaction of Fusion Technology, Физика Плазмы, Приборы и Техника Эксперимента, Вопросы Атомной Науки и Техники.
Похожие диссертации на Интенсивные сфокусированные пучки быстрых атомов для активной корпускулярной диагностики плазмы
