Диагностический атомарный инжектор с многощелевой системой формирования пучка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Листопад, Александр Алексеевич

• Листопад, Александр Алексеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Листопад, Александр Алексеевич

Введение.

Глава 1. Диагностический инжектор RUDI.

§1.1. Источник плазмы инжектора RUDI.

§ 1.2. Ионно-оптическая система.

§ 1.3. Система питания.

§ 1.4. Устройство инжекторного тракта.

Глава 2. Оптические диагностики для исследования пучка RUDI.

§ 2.1. Многоканальный спектрометр для измерения спектральных профилей пучка.

§ 2.2. Диагностика поперечных скоростей пучка по уширениям На пиков.

§ 2.3. CCD камера для сканирования оптического профиля пучка.

Глава 3. Модернизация диагностического инжектора RUDI.

§ 3.1. Извлечение ионов и формирование ионных и атомарных пучков.

§ 3.2. Разработка щелевой ионно-оптической системы.

§ 3.3. Тестовые испытания формирования пучка с щелевой ИОС.

§ 3.4. Разработка усиленного металлокерамического дугового канала.

§ 3.5. Вакуумные условия в инжекторном тракте RUDI.

-§пЗт6тОбзор улучшения параметров инжектора RUDI в 1998-2011гг.

Глава 4. Диагностика плазмы нейтральным пучком.

§ 4.1. Обзор видов активной корпускулярной диагностики.

§ 4.2. Диагностический комплекс CXRS на установке TEXTOR.

§ 4.3. Примеры CXRS измерений на основе пучка RUDI.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Диагностический атомарный инжектор с многощелевой системой формирования пучка»

Инжекторы быстрых частиц являются одной из главных составляющих в установках для плазменного эксперимента. К настоящему времени подобные устройства также получили широкое распространение в прочих областях физических исследований и технических приложениях. Разработка ионных инжекторов, формирующих сильноточные пучки изотопов водорода и прочих элементов, производится в ряде ведущих лабораторий разных стран.

Одним из направлений деятельности Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН является постановка и проведение экспериментов в рамках программы по исследованию управляемого термоядерного синтеза. Для активной корпускулярной диагностики и нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием широко используются пучки быстрых частиц, в связи с чем в Институте ведется разработка и производство диагностических и нагревных инжекторов.

Диагностика плазмы играет важную роль во всех плазменных экспериментах. Пучки быстрых атомов для нагрева плазмы, обычно имеющие полный ток в десятки ампер, энергию до 100 кэВ и более, длительность до 10 -30 с, позволяют производить некоторые диагностические эксперименты, но использование специализированных узких слаборасходящихся диагностических пучков является более предпочтительным. В Институте ядерной физики СО РАН разработана серия диагностических инжекторов, предназначенных для активной корпускулярной диагностики плазмы в открытых ловушках и токамаках средних размеров. Эти инжекторы позволяют получать слаборасходящиеся диагностические пучки быстрых атомов водорода, дейтерия, гелия с энергией в диапазоне 10-60 кэВ, эквивалентным током 1 - 10 А и длительностью импульса 0,1 мс - 10 с.

Газоразрядные источники ионов появились в конце позапрошлого столетия одновременно с открытием «каналовых лучей», однако начало развития эффективных источников следует отнести к 30-м годам XX века.

Начиная с 30-х годов прошлого века в качестве источника ионов стали использовать дуговой разряд с накаливаемым катодом. В этих источниках применяли большие разрядные токи, ограничивали размеры анода, который помещали вблизи выходного канала, вводили зонд с отрицательным потенциалом и с каналом для извлечения ионов из плазмы.

Первые разработки сильноточных ионных источников относились главным образом к дуоплазматронам и дуопигатронам - устройствам с двухступенчатым разрядом [1]. В обоих случаях разряд поддерживается при относительно высоком давлении (около 3*10" Topp) и низком напряжении (обычно, 10 В) между термоэлектронным катодом и промежуточным электродом, действующим как первичный анод.

Накаливаемый катод часто ограничивает величину разрядного тока. Поэтому в качестве ионного источника в некоторых случаях используют разряды других типов, не требующие накаливаемого катода. В 1950г. было предложено использовать мощный импульсный дуговой разряд с холодным катодом, возникающий при переходе разряда Пеннинга в дугу, в качестве ионного источника [2].

Извлечение ионов из плазмы, их ускорение и формирование пучка осуществляется электростатически с помощью ионно-оптических систем (ИОС). При разработке ИОС ставится задача в отыскании оптимальной геометрии электродов для снижения аберраций и обеспечении минимально возможной угловой расходимости пучка. Впервые подобная задача была решена Пирсом для получения пучка электронов, вытягиваемого с помощью электродов с круглыми или щелевыми отверстиями [3]. Он разработал такую форму электродов, которая должна была бы создавать требуемые параллельные пучки.

Если требуется обеспечить очень малую угловую расходимость пучка, то следует особенно внимательно отнестись к конструкции системы извлечения пучка. Этого можно добиться либо с помощью цикла экспериментов, либо с помощью численного моделирования. Другой подход к конструированию электродов предлагает моделирование с использованием электролитических ванн. Сложная вычислительная программа была разработана Уитли с сотрудниками [4]. Используемые ими вычислительные методы позволили им «запускать» ионы из состояния покоя не с предполагаемой границы плазмы, а непосредственно из плазмы, что дало возможность учесть скорость в направлении электродов, сообщаемую ионам слабыми полями, существующими в плазме.

Настоящая революция в области разработок ионных источников произошла в 70-х годах прошлого столетия, и была связана с появлением мощных плазменных источников, обеспечивающих крупноразмерный однородный плазменный эмиттер, внедрением многоапертурных ионно-оптических систем больших размеров, и позволивших создавать пучки с током до десяти и более ампер [5, 6], а также появлением мощной компьютерной техники и созданием более совершенных программ численного моделирования [7]. Среди разработок того времени в первую очередь стоит отметить ионный источник, построенный в Оук-Риджской Национальной лаборатории по принципу дуопигатрона [8]. Наряду с этим в плазменных источниках ионов использовались разнообразные конфигурации периферийного магнитного поля для повышения однородности плазменного эмиттера и обеспечивающие формирование пучков в несколько десятков ампер [9].

Специфика разработки диагностических инжекторов обусловлена требованиями, предъявляемыми к диагностическим пучкам. Для обеспечения малой угловой расходимости существенно возрастают требования к однородности плазменного потока из источника на первый электрод ИОС, оптимизации геометрии формирующей системы и допускам ее изготовления, ужесточаются требования к системам питания, поскольку стабильность параметров пучка играет определяющую роль в обеспечении точности диагностических исследований.

В 1998 г. для спектроскопии перезарядки ионов примесей плазмы (CXRS) на токамаке TEXTOR (научно-исследовательский центр «Юлих», Германия) был спроектирован диагностический инжектор RUDI [10]. Первоначально, для генерации плазмы в нем использовался источник с высокочастотным разрядом. В ходе модернизации в 2006г. он был заменен дуговым генератором с накаливаемым катодом, что позволило существенно улучшить массовый состав водородного пучка (содержание атомарных ионов с полной энергией с 60%-70% до 80-85%), а также исключить влияние ВЧ помех на оборудование, используемое на токамаке. При этом, по конструктивным причинам нового дугового источника, предельная длительность пучка была снижена с 10с до 4с в режиме модуляции 1:1.

Разрешающая способность CXRS измерений и уровень диагностического сигнала напрямую связаны с угловой расходимостью и плотностью частиц диагностического пучка, соответственно. В связи с этим, принципиально важным является вопрос обеспечения высоких показателей таких параметров пучка, как его полное энергосодержание, плотность в области мишени, малая расходимость, высокое содержание компоненты с полной энергией.

Основу данной диссертации составляют результаты по разработке системы формирования пучка на основе щелевой геометрии элементарных ячеек, исследованию конструкций дуговых источников плазмы с увеличенным временем работы (близким к стационарному режиму). В диссертацию также включены результаты разработки и испытаний спектроскопического диагностического оборудования для мониторинга основных параметров пучка. Эти результаты в основном были получены в период с 2009 по 2011 г.

В 2008г. было принято решение о дальнейшей модернизации инжектора [11]. Прежде всего, она подразумевала разработку новой ионно-оптической системы для увеличения полного тока пучка и снижения угловой расходимости. Результатом предварительных исследований, в ходе которых были проведены компьютерное моделирование формирования пучка с помощью щелевой элементарной ячейки, и тепловые расчеты вариантов геометрии расположения ячеек, стало создание системы с параллельными щелями (предыдущая версия ИОС имела круглые ячейки с гексагональной структурой). Щелевая ионная оптика ранее разрабатывалась для диагностического инжектора RUDI-X, в ходе которой были проведены компьютерные расчеты и тестовые эксперименты формирования пучка при помощи элементарной щели [22]. Однако ранее не предпринимались попытки создания многоапертурной щелевой ионно-оптической системы с геометрической фокусировкой пучка.

Модернизация инжектора также предполагала разработку нового разрядного элемента источника плазмы с увеличенным тепловым пределом, для обеспечения полной длительности импульса до 8 с. По результатам предварительных исследований было решено изготовить новый металлокерамический дуговой канал с усиленными диафрагмами и более интенсивным водяным охлаждением.

Внедрение новых диагностик для исследования непосредственно параметров нейтральных пучков также является одной из важных задач в области физики плазмы в рамках УТС. Параллельно с модернизацией источника RUDI был расширен набор используемого диагностического оборудования для измерения параметров пучка. На базе применявшегося ранее одноканального На спектрометра был построен многоканальный покомпонентный измеритель профиля пучка, включающий в себя специально разработанную оптическую систему эндоскопа, установленную в вакуумном объеме инжектора. В качестве приемника использована двумерная CCD матрица. В данном устройстве была реализована возможность отслеживания массового состава и профиля пучка на протяжении всей длительности импульса. Помимо этого, в использование были введены спектроскопической измеритель поперечных скоростей в пучке по уширениям На пиков, и оптической сканер пучка для его фото и видеосъемки.

На защиту выносятся следующие положения:

Разработана многощелевая система формирования пучка с геометрической фокусировкой.

Создан дуговой генератор плазмы с увеличенным временем работы (близким к стационарному режиму).

Применено спектроскопическое диагностическое оборудование для мониторинга основных параметров атомарного пучка.

- Значительно увеличен сигнал комплекса CXRS и расширены его диагностические возможности.

Диссертация была подготовлена в Институте ядерной физики совместно с Институтом физики плазмы Исследовательского центра Юлих (Германия). Вклад обоих институтов в выполнении данной работы был соразмерным и равноценным. В Институте ядерной физики была проведена разработка многощелевой ИОС инжектора и модернизированного дугового источника плазмы, производство дугового генератора было выполнено на экспериментальном производстве ИЯФ. Щелевые электроды были изготовлены в Германии по конструкторской документации, составленной в НКО ИЯФ. Оптические диагностики были подготовлены и запущены в Институте физики плазмы в Юлихе. Испытания модернизированного инжектора и оптические исследования пучка были проведены в Юлихе в реальных рабочих условиях токамака TEXTOR. На заключительном этапе была проведена серия измерений температуры и вращения плазмы с помощью CXRS диагностики при обновленной конфигурации пучка RUDI.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Листопад, Александр Алексеевич

Заключение

Основу настоящей диссертации составили разработка щелевой ионно-оптической системы диагностического инжектора RUDI, исследования по продлению времени работы плазменного генератора, создание новых диагностик пучка, выполненные в рамках модернизации инжектора, которая была проведена в период с 2009 по 2011гг:

1. Рассчитана, изготовлена и испытана фокусирующая ионно-оптическая система с многощелевой геометрией элементарных формирующих ячеек. В результате полный ток ионов увеличен до 3 А, угловая расходимость пучка в направлении вдоль щелей снижена до 0.35°.

2. Разработана и испытана конструкция разрядного канала с увеличенной длительностью импульса до 8 с для обеспечения диагностических измерений плазмы на протяжении всего выстрела токамака TEXTOR.

3. На разработанном спектроскопическом оборудовании проведены измерения угловой расходимости пучка RUDI в двух направлениях и ее временной эволюции, а также массового состава пучка.

4. Увеличение тока пучка и снижение угловой расходимости привело к двукратному росту диагностического сигнала CXRS. Диагностический пучок RUDI в новой конфигурации обеспечивает стабильные измерения скорости вращения плазмы и ионной температуры на токамаке TEXTOR с временным разрешением порядка 1 с.

В заключение автор выражает глубокую признательность всем коллегам, оказывавшим помощь в подготовке настоящей работы. Особенную благодарность хочется выразить моим научным руководителям - д.ф.-м.н., проф. Иванову Александру Александровичу, д.ф.-м.н. Давыденко Владимиру Ивановичу и руководителям с немецкой стороны - Профессору Доктору

Ульриху Замму и Доктору Бернду Швееру за наставление и ценные советы на протяжении всей работы. Также хочу сказать огромное спасибо Шульженко Григорию Ивановичу и Савкину Валерию Яковлевичу, принимавшим непосредственное участие в модернизации инжектора и системы питания, и внесшим неоспоримый вклад в решение технических вопросов по его матчасти, к.ф.-м.н. Ахметову Тимуру Дарвиновичу за ценную помощь и советы по аналитической интерпретации экспериментальных результатов, членам инжекторной группы - к.ф.-м.н. Дейчули Петру Петровичу, к.ф.-м.н. Шиховцеву Игорю Владимировичу, Ступишину Николаю Валериевичу и Сорокину Алексею Валерьевичу за советы и вклад в решении технических и организационных вопросов, Капитонову Валериану Александровичу за постоянную помощь в решении вопросов по производственной части, Доктору Яну Коенену за помощь в проведении эксперимента на токамаке TEXTOR и обработке результатов и Доктору Рейнарду Улеманну за численные расчеты ионной оптики инжектора; Гюнтеру Херперсу, Норберту Зандри, Манфреду Зауэру и Вильфреду Шальту, оказывавшим постоянную помощь в решении рабочих вопросов в Юлихе, конструкторам Рухляде Ларисе Петровне, Мишагину Валерию Викторовичу и Белову Виктору Петровичу за серьезный вклад в разработку и подготовку технической документации производимого в ходе работы оборудования. Большое всем спасибо!

112

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Листопад, Александр Алексеевич, 2012 год

1. Браун Я. «Физика и технология источников ионов». М.: Мир, 1998.

2. Габович М. Д. «Физика и техника плазменных источников ионов» М.: Атомиздат, 1972.

3. J. R. Pierce, Theory and Design of Electron Beams (Van Nostrand Company, Toronto, 1954).

4. Форрестер А. Т. «Интенсивные ионные пучки». M.: Мир, 1992.

5. Hamilton, G. W., Hilton, J. L., and Luce, J. S. (1968). Plasma Phys. 10, 687.

6. Kaufmann, H. R., (1961). NASA Tech Note NASA TN D-585.

7. Whealton, J. H., and Whitson, J. C. (1980). Part. Accel. 10, 235.

8. Davis, R. C., Morgan, О. В., Stewart, L. D., and Stirling, W. L. (1972). Rev. Sci. Instrum. 43, 278.

9. Hemsworth, R. S., Aldcroft, D. A., Allen, Т. K., Bayes, D. V., Burcham, J. N., Cole, H. C., Cowlin, M. C., Coultas, J. C., Hay, J. H., and McKay, W. J. (1978). Proc. Int. Symp. Heat. Toroidal Plasmas, Grenoble, Fr. p. 83.

10. Deichuli P.P., A.A Ivanov, V.V. Mishagin, A.V. Sorokin, N.V. Stupishin, and G.I. Shulzhenko// Multi-Seconds Diagnostic Neutral Beam Injector Based on Arc-Discharge with LaB6 Hollow Cathode, 2005, Fusion Science And Technology 47(1 T), 330.

11. A.A. Listopad, J.W. Coenen, V.I. Davydenko, P.P. Deichuli, A.A. Ivanov, V.V. Mishagin, V.Ya. Savkin, W. Schalt, B. Schweer, G.I. Shulzhenko,

12. N.V. Stupishin and R. Uhlemann, // Operation and upgrade of diagnostic neutral beam injector RUDI at TEXTOR tokamak. Rev. Sci. Instrum., v.81, 02B104 (2010).

13. A.A. Ivanov, V.I. Davydenko, P.P. Deichuli, V.P.Belov, V.V.Kobets, V.V. Mishagin, I.V. Shikhovtsev, A.V.Sorokin, A.V.Stupishin, B. Schweer, R.

14. Uhlemann // Focused Neutral Beam With Low Chaotic Divergence For Plasma Heating And Diagnostics in Magnetic Fusion Devices. 22 IAEA Fusion Energy Conference, FT-P2-30.

15. A.A. Ivanov, V.I. Davydenko, P.P. Deichuli, G.I. Shulzhenko, and N.V. Stupishin // Ion sources with arc-discharge plasma box driven by directly heated ЬаВб electron emitter or cold cathode (invited). Rev. Sci. Instrum., v.79, 02C103 (2008).

16. Давыденко В.И. Интенсивные сфокусированные пучки быстрых атомов для активной корпускулярной диагностики плазмы: Дисс. д-ра физ.-мат. наук. Новосибирск, 2005. - с. 33.

17. A. Listopad, V. Davydenko, S. Freutel, A. Ivanov, B. Schweer, M. Zlobinski Characterization of RUDI neutral beam parameters by optical diagnostics // Fusion Science & Technology, Vol. 59, Number IT, FUSTE8 (2) 1-324 (2011) ISSN: 1536-1055.

18. S.J. Yoo, H.L. Yang and S.M. Hwang // Doppler Shift Spectroscopy for the Measurement of Angular Divergence and Ion Species of Ion Beam. Journal of the Korean Physical Society, Vol. 35, No. 4, October 1999, pp. 315-320

19. T. Akhmetov, V. Davydenko, A. Ivanov // Model of Neutral-Beam Propagation in a Duct with Scrapers, IEEE Transactions on Plasma Sciences. 0093-3813/IEEE-2008.

20. Семашко Н. Н. и др. «Инжекторы быстрых атомов водорода». М.: Энергоиздат, 1981.

21. V.l. Davydenko, A.A. Ivanov, I.V. Shikhovtsev, A.V. Sorokin, and R. Uhlemann // Beam formation by ion optical system with slit finite length apertures.Rev. Sei. Instrum., v.79, 02B720 (2008).

22. A.D. Beklemishev, V.l. Davydenko, A.A. Ivanov, and A.A. Podyminogin // Assessment of thermo-mechanical stresses and stability of ion-source grids with peripheral cooling. Rev. Sei. Instrum., v.69, p.2007-2011, (1998).

23. PLM GmbH. PLM GmbH & Co. KG, Am Sägewerk 11, 75242 Neuhausen.

24. Моделирование нестационарного профиля нейтрального газа в инжекторе атомов водорода методом стохастической динамики: препринт ИЯФ 200070 / Кривенко A.C., Давыденко В.И., Иванов A.A., Драничников А.Н.; ИЯФ. Новосибирск , 2000.

25. Давыденко В. И., Иванов А. А., Вайсен Г. «Экспериментальные методы диагностики плазмы», часть 1. Новосибирский государственный университет, 1999.

26. Бондаренко И.С., Губарев СЛ., Крупник Л.И. и др. // Физика плазмы. 1992. Т. 18. С. 208.

27. Fonck R J et al //Determination of plasma-ion velocity distribution via chargeexchange recombination spectroscopy. 1984 Phys. Rev. A 29 3288-309.

28. Isler R С //An overview of charge-exchange spectroscopy as a plasma diagnostic. 1994 Plasma Phys. Control. Fusion 36 171-208.

29. Wiese W L, Fuhr J R and Deters T M// Atomic Transition Probabilities (Carbon, Nitrogen, and Oxygen A Critical Data Compilation) 1996 J. Phys. Chem. Ref. Data vol. 7.

30. Диагностика плазмы: Сб. статей. Вып. 7. -М.: Энергоатомиздат, 1990. -А.Н. Зиновьев, В.В. Афросимов, Корпускулярно-спектроскопическая диагностика высокотемпературной плазмы, с. 56.