Содержание к диссертации
Введение
1 Прецизионное формирование пучков в ионно-оптических системах с круглыми апертурами 9
1.1 Расчеты угловой расходимости для ИОС с круглыми апертурами . 9
1.2 Геометрическая фокусировка пучка 14
1.3 Расчеты нагрева сеток и термомеханических напряжений при формировании пучка 18
1.4 Требования к технологии изготовления сеток 23
2 Диагностический инжектор малой длительности. 25
2.1 Общая схема инжектора 26
2.2 Ианно-оптическая система 28
2.3 Характеристики пучка 30
3 Инжектор с большой длительностью пучка для диагностики на крупных установках 43
3.1 Схема диагностического инжектора 44
3.2 Ионный источник 45
3.3 Диагностика пучков большой длительности 51
4 Примеры применения диагностических инжекторов ДИНА-5 и R.FX- DNBI. (Некоторые результаты, полученные на установках ГДЛ, MST и Alcator). 61
4.1 Применение инжектора ДИНА-5 дяа диагностики плазмы на установке ГДЛ 61
Многохордовое зондирование плазмы ." 63
Локальные измерения плотности плазмы 66
Щтарковская спектроскопия на установке ГДЛ для измерения В плазмы . 69
4.2 Диагностический комплекс на установке MST на основе инжектора ДИНА-5. 72
Эксперименты по резерфордовскому рассеянию атомов пучка на ионах плазмы 73
MSE спектроскопия плазмы на установке MST 73
Спектроскопия плазмы на установке Alcator C-MOD 74
Заключение 75
Литература 77
- Расчеты нагрева сеток и термомеханических напряжений при формировании пучка
- Ианно-оптическая система
- Диагностика пучков большой длительности
- Щтарковская спектроскопия на установке ГДЛ для измерения В плазмы
Введение к работе
В настоящее время пучки высокоэнергичных атомов широко применяются для диагностики плазмы [1]. Они успешно используются в таких диагностиках, как резерфор-довское рассеяние атомов пучка па ионах плазмы с последующим восстановлением их температуры [2,3], измерение профиля плотности плазмы при регистрации вторичных ионов [4]. Спектроскопия плазмы с использованием нейтральных пучков позволяет измерять пространственные распределение различных параметров в магнитных ловушках. Широкое распространение получили диагностики CXRS (Charge Exchange Recombination Spectroscopy) и BES (Beam Emission Spectroscopy), которые позволяют измерять ионную температуру, температуру и плотность примесей в плазме [5,6,7]. Практически единственным методом локального измерения магнитного поля в плазме является использование динамического штарк-эффекта при инжекции нейтрального пучка в плазму, Этот метод получил название Motional Stark Effect Diagnostic (MSE диагностика). В системе отсчета атома, движущегося в магнитном поле, существует-электрическое поле, которое пропорционально скорости атома и величине поля .E=-[VxB] (0-1)
В электрическом поле линии излучения атома расщепляются вследствие штарк-эффекта. Регистрация спектра излучения позволяет определить поле Е и, соответственно, поле В. В этой диагностике к пучкам предъявляют определенные требования. Они зависят от параметров исследуемой плазмы (плотность, температура), возможностей диагностической аппаратуры, длительности эксперимента. Величина расщепления линий пропорциональна полю Е} т.е. тем сильнее, чем больше энергия частиц пучка. Также важна стабильность ускоряющего напряжения инжектора, т.к. регистрируемый сигнал интегрируется по некоторому интервалу времени. Обычно схема эксперимента с MSB диагностикой выглядит следующим образом. Пучок быстрых атомов инжектируется под углом, близким к 90 к силовым линиям магнитного поля. При столкновении с частицами плазмы атомы пучка возбуждаются и излучают. Наблюдение спектра этого излучения под углом к оси пучка позволяет определить степень расщепления линии, а следовательно и локальную величину поля В.
Параметры плазменных установок, в которых применяется штарковская диагностика изменяются в широком диапазоне. На крупных установках, например Alcator C-Mod (MIT, США), создается высокотемпературная плотная плазма (Тдо 10 кэВ, п ^> 1014 см-3) с поперечным размером ~1м, Для проникновения без значительного ослабления диагностического нейтрального пучка в плазму атомы должны иметь энергию -не менее 50 кэВ. Большая величина индукции магнитного поля (^1 Т) приводит к сильному расщеплению наблюдаемой линии, что облегчает ее наблюдение. Интенсивность наблюдаемого го л учения пропорциональна плотности тока пучка. Для увеличения отношения сигнал/шум используется интегрирование полученного сигнала по заданному интервалу времени, так например, на Alcator C-Mod время, интегрирования ^ 50 мс. Штарковская диагностика плазмы используется и на, небольших установках, в частности ГДЛ {Газодинамическая ловушка, Новосибирск) [8]. Особенностью применения MSE диагностики здесь является относительно небольшая величина магнитного поля (2-=-4 кГс) и малая длительность эксперимента ~ 1 мс, что приводит к сложностям при интерпретации регистрируемых сигналов (малое отношение сигнал/шум, небольшая величина расщепления наблюдаемой линии На).
Одним из важнейших параметров нейтрального пучка, оказывающим влияние на измерение, является его состав. Наличие в водородной плазме - эмиттере заряженных" частиц в ионном источнике молекулярных ионов приводит к появлению в пучке наряду
С ОСНОВНОЙ КОМПОНеНТОЙ, имеющей ПОЛНуЮ Энергию Е, ЧаСТИЦ С Энергией Е/'2 и Е/з- В большинстве экспериментов полезный сигнал дают только атомы с полной энергией, которые слабее поглощаются в плазме. Повышение уровня сигнала за счет простого увеличения полного тока пучка ограничено из-за возмущения плазмы мощным пучком. Для широкого класса крупных установок можно считать, что предельный инжектируемый ток диагностического пучка составляет <-j 5 А при энергии ионов 50 кэВ. Вследствии этого для увеличения полезного сигнала предпочтительнее улучшать состав пучка. Для обеспечения локальности измерений необходимо иметь малый поперечный размер пучка и высокую плотность тока в зоне измерений. На крупных установках не удается расположить ионный источник ближе 3 -г 5 и от плазменной камеры. Это приводит к требованию малой расходимости пучка. Так для того, чтобы обеспечить поперечный размер пучка в плазме ~ 10 см необходимо иметь расходимость пучка не хуже 10~2 рад. Малый размер пучка в некоторых случаях можно обеспечить диафрагмированием пучка- Но такой метод не позволяет достичь высокой плотности тока в зоне измерений. Для получения высокой плотности тока в месте измерений необходимо фокусировать пучок с помощью специальных магнитных линз, либо за счет сферической формы ускоряющих электродов или смещением отверстий в сетках ионного источника.
Пример моделирования эксперимента по MSE диагностике можно найти в [9]. Здесь рассматривался эксперимент по взаимодействию нейтрального водородного пучка с энергией 40 кэВ, расходимостью и 0.7 с плазмой установки RFX(Падуя). Параметры плазмы были следующие: максимальная плотность пе и 5.5 х 1019 м-3, температура Те к 350 эБ. Угол между направлением наблюдения излучения и осью пучка составлял 15. Расчеты показали, что для установки RFK возможно использование данного пучка для получения информации о величине магнитного поля в диапазоне 1-2 Тл. Кро-' ме того, исследование поляризации изучаемой линии позволяет измерить направление магнитного поля.
В Институте ядерной физике СО РАН, Новосибирск разработка атомарных пучков для диагностики плазмы ведется с начала 70-х годов. В результате была создана серия диагностических инжекторов ДИНА [10,11,12]. Плазменный эмиттер в этих инжекторах создается дуговым разрядом с холодным катодом, который позволяет получить плазму с малым (r-j 5..10%) содержанием молекулярных ионов водорода. В таблице 0.1 показаны характеристики первых инжекторов серии ДИНА.
Ионио-оптическая система в инжекторах ДИНА-1 — 4 состоит из плоских сеток, которые набираются из молибденовых проволочех, выставленных параллельно друг другу. Заметим, что расходимость пучка в направлении поперек и вдоль проволочек отличается. Инжекторы ДИНА-1 — 4 использовались для диагностики плазмы на установках ГДЛ и Амбал в ИЯФ СО РАН в диагностических схемах с искусственной мишенью, резерфордовским рассеянием атомарного пучка и многохордового зондирования плазмы [12,13,15].
Таблица 0.1: Диагностические инжекторы ДИНА
Одновременно с совершенствованием плазменных установок увеличиваются требования к диагностическим инжекторам. Более высокая температура и плотность плазмы в установках приводит к требованию использовать более высокоэнергичные и мощные пучки. На современных токамаках длительность импульсов составляет несколько секунд, такое жо. время импульса требуется от диагностических инжекторов. С 1998 по 2002 г.г. в ИЯФ разработаны- два новых диагностических инжектора с дуговым генератором плазмы. Первый, ДИНА-5 [16], с параметрами пучка 30 кэВ, 3.5 А и длительностью импульса 3 мс предназначен для работы на среднего размера тока-маках и открытых ловушках. Второй, получивший название RFX-DNBI [17] позволяет получать более мощный пучок с энергией 50 кэВ, током 5 А и длительность 50 мс, что дает возможность использовать его на больших установках.
Активная штарковская спектроскопия плазмы с использованием диагностических инжекторов, разработанных в ИЯФ, осуществляется на следующих установках: Alcator G-MOD (MIT, Boston). Магнитное поле на установке 3-8 Тл. Применяется диагностический инжектор RFX-DNBI, ток атомарного пучка 2.5 А, энергия атомов 50 кэВ, содержание протонов в вытягиваемом пучке до 90%. Временное разрешение диагностики, определяемое длительностью пучка, 50 мс.
ГДЛ (ИЯФ, Новосибирск)[S]. Магнитное поле около 0.4 Тл. Используется модификация диагностического инжектора ДИНА-5 с током пучка б А в ионах, энергией 40 кзВ, содержание протонов до 90%. Временное разрешение 200 мксек. - MST (Мэдисон, США) Измеряемое магнитное поле 0.2-1 Тл. Используется диагностический инжектор ДИНА-5, ток пучка 3.5 А в ионах, энергия 30 кэВ, содержание протонов до 90%. Временное разрешение ~ 1 мс [49].
Основу настоящей диссертации составляют результаты, полученные при разработке и исследовании ионных источников типа ДИНА-5 и RFX-DNBI, оптимизации их иояно-оптических систем с целью получения сфокусированных пучков малой расходимости- Приводятся также некоторые экспериментальные результаты, полученные при использовании их для диагностики плазмы в разных установках.
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.
В первой главе приводятся оценки ж расчеты расходимости пучка 4-х сеточной иопио-оптической системы. Рассмотрены возможности геометрической фокусировки пучка за счет искривления электродов. Также в данной главе приводятся результаты расчетов влияния нагрева сеток в процессе импульса на стабильность работы ИОС. Рассмотрена технология изготовления сеток.
Во второй главе представлены результаты исследования формирования пучка в инжекторе ДИНА-5.
В третьей главе рассматривается инжектор для М8Е диагностики плазмы с длительностью импульса 50 мс, разработанный для установки г1РХ(Т1адуя, Италия).
В четвертой главе диссертации приводятся некоторые результаты, полученные с помощью разработанных инжекторов в экспериментах с плазмой на различных установках.
В Заключении приведены основные выводы диссертационной работы.
Расчеты нагрева сеток и термомеханических напряжений при формировании пучка
В рассматриваемом случае в качестве xF, xD берутся величины смещения осей отверстий в фокусирующей и ускоряющей сетках относительно оси отверстия в плазменной сетке, рис. 1,4. Соответствующие смещения равны где — радиус, на котором находится рассматриваемая ячейка, R — радиус кривизны сеток. Учитывая, что вблизи оптимума действие рассеивающей и фокусирующей линз взаимно компенсируются, получим следующую оценку для угла вылета иона из элементарной ячейки
Этот угол соответствует фокусному расстоянию F та 4R, а эффективное фокусное расстояние сеточной системы, определяемое из соотношения j? = г + -, будет равно F FS 0.8Д. Таким образом, использование электродов с одинаковым шагом отверстий приводит к уменьшению фокусного расстояния на величину ра 20% по сравнению с радиусом кривизны плазменной сетки.
Полученная формула оценки фокусного расстояния достаточно точна для ИОС, имеющей сетки с одинаковым радиусом кривизны. При использовании сеточного узла с сетками разной кривизны большое влияние на движение частиц оказывает неоднородность электрического поля в зазорах между сетками, те. появляется поперечная движению иона сила. Расчитать влияние неоднородности ускоряющего поля можно, решив уравнение движения иона в зазоре между двумя сетками с разным радиусом кривизны. Оценки показывают, что фокусное расстояние F 3 R, где R - радиус кривизны ускоряющей сетки. В качестве оценки фокусного расстояния ИОС можно использовать формулу, объединяющую эффект смещенных отверстий и учет неоднородности ускоряющего электрического поля.
Более точные расчеты фокусного расстояния возможны при численном моделировании формирования пучка, например программой AXCEL. При этом проводится трехмерный расчет ускоряющей системы. Результаты численного моделирование пучка в ИОС для инжекторов ДИНА-5 и RFX-DNBI представлены в главе 2 и 3 соответственно.
Использование геометрической фокусировки наряду с оптимизированным ускорило-щим каналом позволяет получить высокую плотность тока пучка на заданном расстоянии. Плотность тока в фокусе (расстояние от ИОС 4 м), достигнутая на инжекторе RPX-DNBI составляла « 0.1 А/см2. Необходимо отметить, что плотность тока в плоскости сеток ИОС составляла 0.1 А/см2, т.е. удалось сохранить высокую плотность тока пучка вдали от инжектора.
В большинстве случаев аналитические расчеты малопригодны для тонкой оптимизации сеточной системы. В такой ситуации большое значение приобретает численные методы расчетов. Нами использовались три программных комплекса, позволяющих мо- делировать ионные пучки. Это программы US AM [25], AXCEL [24] и PBGUNS [26]. Они отличаются областями применения. US AM позволяет рассчитывать двумерные аксиально-симметричные системы, формирование ионных и электронных пучков. Кроме того US AM выдает такую дополнительную информацию, как величина электрического поля и потенциала в заданной области. Недостаток программы в применении для ионных пучков заключается в жестко задаваемой форме границы эмиттера. Т.е. невозможно точно моделировать системы с плазменным эмиттером. Нами US AM использовался, в основном, для расчета электрических полей в зазорах ускоряющей системы, что позволило определить форму электродов и держателей сеток с наименьшими на-пряженностями электрического поля.
Программный комплекс AXCEL является значительно более сложной системой. Она может моделировать трехмерные ИОС с плазменным эмиттером. С помощью AXCEL была проверена оценка фокусировки пучка в сетках с одинаковым шагом отверстий (см. выше). Недостатком этого программного комплекса можно назвать очень сложное задание геометрии, что объясняется трехмерной геометрией, и параметров плазменного эмиттера.
PBGUNS - узкоспециализированная программа, моделирующая пучки отрицательных и положительных ионов. Она позволяет получить основные параметры пучков: профиль плотности тока ускоряющем канале, эмиттанс пучка в заданном сечении, форму плазменной границы эмиттера. Большую часть потребностей, касающихся расчета ускоряющего канала, т.е. определение оптимальной геометрии электродов, зазоров, диаметров отверстий программа PBGUNS позволяет решить.
При формировании пучков с длительностью более десяти миллисекунд необходимо учитывать тепловую нагрузку на электроды, обусловленную бомбардировкой доверхностей ионами, атомами, вторичными электронами [27], Для охлаждения электродов используется как отвод тепла на периферии электрода, так и водяные каналы непосредственно в сетке. Выбор метода охлаждения определяется многими факторами: толщиной электрода, требуемой прозрачностью, величиной тепловой нагрузки, длительностью импульса.
Для определения влияния нагрева электродов на надежность работы ИОС был разработан численный код, который использовался для расчета температурного поля электрода при заданной величине потока тепла и условиях охлаждения. Полученные распределения температуры использовались для вычисления деформации и термомеханических напряжений в электроде. Рассматривался нагрев электрода ИОС при формировании ионного пучка. Тепловая нагрузка согласно [27] достигает 1% от мощности пучка, и а каждую сетку. Тогда для схожей геометрии 4-х сеточной ИОС для пучка 5 А и ускоряющего напряжения 50 кВ тепловая нагрузка на электрод составляет 2500 Вт. При расчете температуры электрода численно решалась в плоскости сетки двумерная задача. Считалось, что температура электрода одинакова по всей толщине. Решалось нестационарное уравнение теплопроводности:
Ианно-оптическая система
Формирование пучка Б ИОННОМ источнике ДИЫА-5 производится в 4-х сеточной много-апертурной ионно-оптической системе. Электроды изготовлены из молибдена толщиной 0.5 мм. Сетки закреплены в держатели из нержавеющей стали, которые изолированы друг от друга керамическими кольцами (рис.2.2). При этом соединение керамических изоляторов и колец из ковара, к которым затем крепятся держатели, производилось диффузионной сваркой. Такая конструкция изоляторов ИОС упрощает ее использование, в частности, нет необходимости вносить внутрь ИОС дополнительные изоляционные элементы, например, керамические шпильки, как это реализовано в конструкции инжектора. ДИНА-3 [11]. В результате повышается надежность работы источника. В дальнейшем, для инжекторов с большим диаметром сеток сборка керамических колец и металлических колец стягивается с помощью изоляционных шпилек. Примером такой системы является керамический узел инжектора RFX-DNBI [17].
Сетки ИОС ДИНА-5 имеют круглые отверстия диаметром 2.5 мм, расположенные в гексагональном порядке. Диаметр рабочей области сетки ИОС 60 мм. Прозрачность электрода, определяемая, как площадь всех отверстий отнесенная к площади круга диаметром 60 мм, составляет 50%.
Неоднородность потока плазмы на плазменную сетку достигает 15%. Это приводит к тому, что плотность ионного тока отличается на разных радиусах. Чтобы согласовать поток плазмы с вытягивающим током, зазоры между сетками увеличиваются с радиусом. Закон изменения зазора определяется из согласования закона «трех вторых» и потока плазмы (2.1). где i?i,i?2 — радиусы кривизны плазменной ж вытягивающей сеток. Аналогичным образом определяется ускоряющий зазор между вытягивающей и ускоряющей сетками. Радиус кривизны третьей (ускоряющей) сетки был выбран 50 см для получения фокусного расстояния 150 см (см. формулу (1.12)). Радиусы кривизны первой (плазменной) и второй (вытягивающей) сеток равны 400 см и 130 см соответственно. Форма заземленного электрода уже не оказывает заметного влияния на формирование лучка. Заземленная сетка имеет радиус кривизны 50 см. В дальнейшем при экспериментах на работающем инжекторе было измерено фокусное расстояние, которое составило РЬ 130 см, что хорошо соответствует оценкам приведенным выше.
Для получения водородного пучка с током 3.5 А и энергией 30 кэВ зазоры (на оси ИОС) между сетками были следующие: 3.2/5.3/1.6 мм. Сетки имели потенциалы 30 кВ, 24 кВ, —700 В, 0 В соответственно для плазменной, вытягивающей, ускоряющей и заземленной сеток. Отрицательный потенциал на третьей сетке необходим для подавления обратного электронного тока. Минимально необходимый потенциал третьей сетки соответствует появлению отрицательного барьера для электронов в ускоряющем канале. Расчеты потенциала барьера, проведенные с помощью программного пакета USAM, приведены на рис.2.3. На рисунке показаны ускоряющий и заземленный электроды. По оси абсцисс отложена координата вдоль оси канала, по оси ординат потенциал на оси канала. Видно, что для появления барьера в несколько десятков вольт для данной геометрии сеток необходимо подать потенциал не менее —600 В, Заметим, что расчеты проводились без учета пространственного заряда пучка.
Временная диаграмма работы основных систем инжектора показаны на рис.2.4. В первую очередь возбуждается ток в катушке, создающей продольное магнитное поле в разряде (за 10 -=-15 мс до импульса). Затем, за 1 -г- 2 мс до импульса начинается напуск газа в область анода. Источник питания дугового разряда запускается за 1 -Ь 2 мс до начала импульса пучка. Ток начинает разгоняться через вспомогательную электрическую цепь, параллельную цепи анод-катод. В прикатодную область клапан напускает газ в течении 0,5 ч-1 мс и затем на поджиговый электрод относительно катода подается высоковольтный импульс. В результате пробоя на катод образуется плазма, которая инициирует возникновение разряда между анодом и катодом. Импульс высокого напряжения стартует за 0.1 -т- 0.2 мс до начала импульса пучка. Это необходимо, чтобы предотвратить высоковольтный пробой на переднем фронте импульса ттз-за несоответствия потока ионов из эмиттера и напряжения на электродах. Длительность импульса тока пучка определяется длительностью работы дугового разряда и длительностью импульса высоковольтного модулятора.
Нейтрализация пучка производилась в импульсной газовой мишени [34]. Газ напускался импульсным клапаном в перезарядную камеру, изготовленную в виде цилиндра. Плотность газа в мишени составляла а 5 1019 м-3. В процессе работы с инжектором оказалось, что работа мишенного клапана необходима только дли первых 0.5-1 мс пучка, дальше уже было достаточно газа, поступающего из плазменного источника. Для достижения близкого к равновесному выхода нейтрального пучка при энергии 30 кэВ необходимо иметь длину камеры Й 0,5 м. Измеренный коэффициент нейтрализации (отношение эквивалентного тока атомов к полному току) составляет 65 — 70 %. Табличное значение равновесного выхода при перезарядке протонного пучка с энергией частиц 30 кэВ в водородной газовой мишени составляет 73 % [35].
При использовании инжектора на установках, Б которых имеется рассеянное магнитное поле, необходимо экранировать источник ионов и перезарядную мишень от внешнего магнитного поля. Наиболее чувствительной к внешнему поля является область расширения плазмы от анода генератора плазмы до первой сетки. Оценку предельно допустимой величины магнитного поли можно провести следующим образом. Считаем, что магнитное поле однородно и перпендикулярно направлению анод - первая сетка. Отклонение движения иона от прямой на угол а должно быть существенно меньше a/L, где а = 3 см - радиус плазменного эмиттера, L — 10 см - расстояние от источника плазмы до плазменной сетки. Отсюда получаем а L/pi j;, где / -ларморовский радиус ионов. Отсюда получаем И « 10 Гс.
Для экранировки ионного источника от внешнего магнитного поля использовался двойной магнитный экран. Внутренний, сделанный из листового пермаллоя толщиной 2 мм, экранирует плазменный источник, ИОС и перезарядную мишень. Внешний экран изготовлен из маи-штомягкой стали толщиной 10 мм.
Для измерения параметров пучка использовался следующий набор диагностик. Вторично-эмиссионные датчики использовались для измерения профиля плотности тока и определения угловой расходимости пучка. Конструкция приемника пучка с набором датчиков, показанная на рис.2.5, позволяет измерять профиль плотности тока пучка в 2-х направлениях. Приемник можно было двигать вдоль оси пучка для измерения профиля на разных расстояниях от ИОС инжектора На коллекторы подается отрицательные напряжения относительно «земли» до —300 В. Сигнал с коллектора снимается через разделительный конденсатор.
Диагностика пучков большой длительности
Как показали испытания, в этом случае ресурс определяется эрозией катода и составляет более 104 импульсов, что соответствует работе инжектора на плазменной установке в течении нескольких лет.
При формировании ионных пучков с длительностью десятки миллисекунд и более необходимо снимать тепловую нагрузку с электродов ИОС, обусловленную их бомбардировкой ионами, атомами перезарядки, вторичными ионами и электронами. Величина теплового потока на поверхность каждой сетки оценивается как 1% от полной мощности ионного пучка [21]. Было проведено численное моделирование нагрева сеток; (описание метода в п.1.3). Полная мощность пучка составляет 250 кВт, из которых на каждый электрод приходится по « 2.5 кВт. Принималось, что выделение тепла происходит на внутренней поверхности отверстий, а отвод тепла водой на периферии электрода. На рис.1.5 приведен график радиального профиля температуры сетки, провалы на котором соответствуют границам отверстий. Расчеты показывают, что изменение температуры электродов за один импульс составляет около 40. Остывание до температуры близкой к начальной происходит за время » 100 сек.
Используя полученный профиль температуры можно определить термомеханические напряжения в сетке (описание метода в п.1.3). На рис.1.7 показаны расчетные радиальные зависимости ахх и аш, которые не превышают 300 кг/см2. Такие напряжения в электроде не приводят к его существенному изгибу, изменению зазоров в ИОС и, соответственно, к ухудшению характеристик пучка. Облегчает ситуацию то, что сетки, изготовленные из молибдена, крепятся в медные держатели. Учитывая, что жесткость молибденовых сеток выше, чем у медных держателей, то границу сетки можно считать практически свободной.
Временная последовательность работы систем ионного источника аналогична инжектору ДИНА-5 и показана на рис.3.7. Отличие заключается в возможности работы в модулированном и много пробойном режимах. При этом необходимо модулировать выход плазмы из дугового канала. Для этого предусмотрено, что ток дугового разряда имеет «нижний» уровень, не более 250 А, при котором производится поджигание разряда и который поддерживается в паузах между импульсами ускоряющего напряжения, а также номинальный уровень у 500 А. Выход тока разряда на номинальный уровень происходит за fa 400 мкеек после появления (восстановления) высоковольтного импульса.
Осциллограммы тока пучка и напряжения в режиме без модуляции и с модуляцией показаны на рис.3.8 и 3.9 Измеренная длительность фронта нарастания тока пучка не превышает I мс, определяемая характеристиками системы питания. Учитывая опыт работ с инжектором ДИНА-5 можно ожидать длительность фронта тока пучка не более 100 мкеек, который задается только переходными процессами в ионном источнике.
Зависимость радиального размера пучка (по уровню 1/е) от тока, полученная с помощью набора вторично-эмиссионных датчиков, показана на рис.3.10. Измерения проводились на расстоянии 4 м от ИОС, что соответствует фокусному расстоянию. Минимальный радиальный размер пучка 32 мм, соответствующий расходимости ра 0.5, был получен при токе 4.6 А и вытягивающем напряжении 5 кВ. Для измерения профиля мощности и положения оси пучка использовался подвижный секционированный калориметр, расположены!! на расстоянии 2.2 м от ИОС. Конструкция калориметра показана на рис.3.11. Полная мощность пучка, падающего на поверхность приемника, изготовленного из меди, достигала 200 кВт. Локальная плотность мощности, на оси пучка составляла около 10 кВт/см2. Нагрев секций калориметра после импульса достигал 40. Измерение температуры проводилось термопарами через 2-3 сек после импульса, когда устанавливается одинаковая температура по всему объему каждой секции. Охлаждение калориметра производилось через специальные стальные вставки, которые одним торцом были прижаты к медным пластинам калориметра, а другим к охлаждаемому медному диску. Толщина вставок подбиралась такой, чтобы время охлаждения составляло 100-150 сек и не оказывало большого влияния на точность измерения энергии пучка. Пример полупенного с помощью калориметра профиля показан на рис.3.12, Гистограмма показывает среднюю плотность тока на кольца калориметра. Ширина профиля согласуется с данными, полученными с помощью вторично-эмиссионных датчиков. Отличие численных расчетов расходимости пучка (0,3) от экспериментально измеренных (0.5) может объясняться несколькими факторами: большей поперечной температурой плазмы, неидеальностью юстировки сеток ИОС, различные кривизны сеток (до 10% отличия), что в итоге приводит к ухудшению средней по всей площади сеток расходимости.
Состав пучка измерялся магнитным анализатором и оптическим методом по относительной интенсивности доплеровски смещенных линий На компонент пучка с различными энергиями [36]. Состав пучка, полученный с помощью магнитного анализатора, показан на рис.3.13.
Схема оптической диагностики показана на рис.3.14. Излучение частиц пучка наблюдалось под углом 30. С помощью линзы, призмы и зеркала свет направлялся на входную щелевую диафрагму монохроматора МДР-23. Спектр регистрировался диссектором, сигнал с которого вместе с сигналом генератора пилообразного напряжения записывался на АЦП. Спектральное разрешение системы составляло и 3 Л. Характерный спектр излучения атомов пучка показан на рис.3.15
Щтарковская спектроскопия на установке ГДЛ для измерения В плазмы
На установке газодинамическая ловушка (ГДЛ) [38,39] в Новосибирском Институте ядерной физики в течении ряда лет, начиная с 1986 года, ведется экспериментальное исследование удержания плазмы в открытой ловушки с большим пробочным отношением и длиной, превышающей среднюю длину рассеяния ионов в конус потерь. Существенное достоинство газодинамической ловушки состоит в возможности удержания в ней плазмы с Р г 1} что позволяет достичь высокой объемной плотности термоядерного энерговыделения при умеренной величине магнитного поля.
На рис.4.1 схематично показана экспериментальная установка. Ловушка заполняется теплой плазмой ( 5 эВ) при помощи плазменного источника, расположенного в одном из торцевых баков. Для нагрева плазмы производится инжекция мощных атомарных пучков длительностью импульса 1.2 мс [40]. При этом создается популяция быстрых ионов, локализованных в области между точками поворота с пробочным отношением 2. Параметры установки ГДЛ приведены в табл.4.1.
Для диагностики плазмы на установке используются модификации инжектора атомарных пучков ДИНА-5. С использованием этих инжекторов проводятся измерения плотности плазмы [4], температуры ионов [41], функции распределения быстрых ионов [42]. Измеряется также величина магнитного поля в плазме с использованием динамического штарк-эффекта [43].
Использовалась схема эксперимента, аналогичная описанной в [44]. Диагностический инжектор был установлен в около пробочной области ловушки, где размер плазмы составлял 15 см. Инжектированный перпендикулярно оси пучок полностью перекрывал плазменный шнур. В эксперименте измерялся коэффициент ослабления пучка при прохождении через плазму на различных хордах (см. рас.4.2). Затем, в предположении аксиальной симметрии профиля плотности плазменного шнура, решалась задача, восстановления п{г) по ослаблению пучка вдоль заданного набора хорд. Интеграл плотности плазмы вдоль выбранной хорды связан с величиной начального тока IQ И прошедшего I зондирующего пучка соотношением: где первое слагаемое определяется процессом перезарядки, второе - ионизацией электронами плазмы и третье - ионизацией ионами. В общем случае профиль плотности дается преобразованием Радона [46], которое в случае азимутальной симметрии сводится к преобразованию Абеля: где R — внешний радиус плазмы, а у — расстояние от хорды до оси симметрии. Это решение является точным, однако применить его непосредственно на практике затруднительно, что связано с некорректностью обратной задачи [47], которая выражается в чувствительности решения к погрешностям измерений. Нами использовался численный метод Пирса [49], который дает сравнительно небольшую погрешность для гладких колоколообразных профилей, характерных для установки ГДЛ.
В данной диагностике применялась одна из модификаций инжектора ДИНА-5, в которой в ионно-оптической системе использовались проволочные сетки и отсутствовала геометрическая фокусировка пучка. Расходимость пучка ири формировании в ИОС с проволочными сетками в направлении параллельном проволокам в 2 - 3 раза меньше, чем в перпендикулярном. Инжектор был расположен так, чтобы проволочки ИОС были параллельны оси плазменного шнура, чтобы легче перекрыть пучком все сечение плазмы. Параметры полученного пучка для данной модификации инжектора ДИНА-5 представлены в таблице 4.2.
На рис.4.3 на, верхнем графике показан профиль плотности плазмы, нижний график показывает временную зависимость плотности плазмы на оси установки. Измерение профиля плотности плазмы методом многохордового зондирования позволило получать значения профиля плотности плазмы в любой момент времени. До этого 66 плотность плазмы измеряли методом томсоновского рассеяния [47], что давало достаточно большую ошибку и значение плотности плазмы измерялось только Б один момент времени.
Для измерения локальной плотности плазмы был применен метод регистрации ионизированных атомов пучка. Пучок быстрых атомов дейтерия инжектировался по диаметру плазменного шнура в центральной части ловушки. Схема эксперимента приведена на рис..4.4 [4]. При взаимодействии с плазмой атомы пучка частично ионизуются и отклоняются магнитным полем за пределы плазмы и регистрируются многоканальным приемником.
Ионы, образовавшиеся в различных точках, попадают в различные каналы регистратора. При этом величина сигнала каждого канала определяется локальной плотностью плазмы в соответствующей точке вдоль оси зондирующего пучка, что позволяет восстановить профиль плотности, пользуясь соотношением а і U(x)dx о Ослабление пучка в экспериментах составляло 50 — 80%. При этом регистрировалась величина с помощью вторично-эмиссионного датчика и достаточно большие сигналы на многоканальный приемник, состоящий из 10 цилиндров Фарадея. В этой диагностике инжектор ДИНА-5 использовался в модификации с параметрами, представленными в таблице 4.3. Энергия 25 кэВ и рабочий газ (дейтерий) выбраны, чтобы ионы имели достаточно большие ларморовские радиусы для того, чтобы выати за пределы плазмы. Длительность импульса перекрывала весь интересующий временной диапазон эксперимента на ГДЛ. Для данной диагностики имеет большое значение величина расходимости пучка по вертикали, т.к. это влияет на пространственное разрешение.
