Инжекторы атомарных пучков для активной штарковской спектроскопии плазмы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.08, кандидат физико-математических наук Корепанов, Сергей Александрович

• Корепанов, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Корепанов, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 Прецизионное формирование пучков в ионно-оптических системах с круглыми апертурами

1.1 Расчеты .угловой расходимости для ИОС с круглыми апертурами

1.2 Геометрическая фокусировка пучка.

1.3 Расчеты нагрева сеток и термомеханических напряжений при формировании пучка.

1.4 Требования к технологии изготовления сеток.

2 Диагностический инжектор малой длительности.

2.1 Общая схема инжектора.

2.2 Ио-нно-оптическая система.

2.3 Характеристики пучка.

3 Инжектор с большой длительностью пучка для диагностики на крупных установках

3.1 Схема диагностического инжектора.

3.2 Ионный источник.

3.3 Диагностика пучков большой длительности.

4 Примеры применения диагностических инжекторов ДИНА-5 и RFX-DNBI. (Некоторые результаты, полученные на установках ГДЛ, MST и Alcator).

4.1 Применение инжектора ДИНА-5 для диагностики плазмы на установке

Многохордовое зондирование плазмы.

Локальные измерения плотности плазмы.

Штарковская спектроскопия на установке ГДЛ для измерения /3 плазмы.

4.2 Диагностический комплекс на установке MST на основе инжектора ДИНА-5. 72 Эксперименты по резерфордовскому рассеянию атомов пучка на ионах плазмы.

MSE спектроскопия плазмы на установке MST.

Спектроскопия плазмы на установке Alcator C-MOD.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Инжекторы атомарных пучков для активной штарковской спектроскопии плазмы»

В настоящее время пучки высокоэнергичных атомов широко применяются для диагностики плазмы [1]. Они успешно используются в таких диагностиках, как резерфор-довское рассеяние атомов пучка на 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)

СВ 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 MSE 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 ~ 1 м. 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 излучения 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- 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/3. 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 ~ 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 v 5 м 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, рсходимостью ~ 0.7° с. плазмой установки RFX(Падуя). Параметры плазмы были следующие: максимальная плотность пе и 5.5 х 1019 м-3, температура Те ~ 350 эВ. Угол между направлением наблюдения излучения и осью пучка составлял 15°. Расчеты показали, что для установки RFX 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 (^ 5.10%) содержанием молекулярных ионов водорода. В таблице 0.1 показаны характеристики первых инжекторов серии ДИНА.

Ионно-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 J] [ДНА

ДИНА-1 ДИНА-2 ДИНА-3 ДИНА-4

Рабочий газ #2 #2 #2 н2

Энергия инжекции 15 кэВ 15 кэВ±20В 25 кэВ 15 кэВ

Ток пучка в ионах 3 А 3 А 5 А 2 А

Длительность импульса 0.1 мс 0.1 мс 0.2 мс 0.1 мс

Угловая расходимость, вдоль/ поперек проволочек ИОС и 0.5°/1° « 0.5°/1° « 0.5°/1° и 0.25°/1°

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 же 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 токамаках 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 C-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)[8]. Магнитное поле около 0.4 Тл. Используется модификация диагностического инжектора ДИНА-5 с током пучка 6 А в ионах, энергией 40 кэВ, содержание протонов до 90%. Временное разрешение 200 мкеек.

- 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 ионно-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.

Заключение диссертации по теме «Физика плазмы», Корепанов, Сергей Александрович

Заключение

Основу настоящей диссертации составляют результаты исследования ионно-оптической системы инжектора и ионных источников, разработанных для активной спектроскопии плазмы. Разработанные инжекторы с током до 5 А, энергией атомов до 50 кэВ используются для измерения плотности плазмы, ионной температуры, магнитного поля в плазме на установках RFX, Alcator C-MOD, MST, ГДЛ.

Основными результатами проведенной работы являются следующие:

1. С помощью численного моделирования проведена оптимизация ионно-оптической системы инжектора для получения сфокусированного пучка с минимальной угловой расходимостью. Создан код для расчетов нагрева сеток во время импульса и проведены расчеты термомеханических напряжений в сетках. Проведены оценки нагрева сеток и термомеханических напряжений для инжектора RFX-DNBI.

2. Разработан инжектор ДИНА-5 для установок малого и среднего масштаба. Инжектор обеспечивает пучок атомов ^ 3 экв.А с энергией до 45 кэВ, длительностью импульса до 3 мс. Пучок фокусируется на расстоянии 130 см, максимальная плотность тока в фокусе 0.25 экв.А/см2.

3. Разработан диагностический инжектор RFX-DNBI для крупных установок с параметрами пучка: 2.5 экв.А, 50 кэВ, импульс 50 мс с возможностью увеличения до 100 — 150 мс. Расходимость пучка близка к расчетной ж составляет 0.5°.

4. С использованием инжектора ДИНА-5 и RFX-DNBI созданы следующие диагностики на установках ГДЛ, MST:

• многохордовое зондирование для измерения профиля плотности плазмы;

• зондирование плазмы узким пучком с регистрацией вторичных ионов и последующим восстановлением значения локальной плотности плазмы;

• измерение температуры ионов мишенной плазмы по анализу спектра рассе-яиых атомов пучка на ионах плазмы;

• измерение магнитного поля в плазме на основе динамического эффекта Штар-ка.

В заключение автор выражает глубокую признательность научным руководителям А.А.Иванову и П.П.Дейчули за общее руководство и постоянную помощь в работе. Автор благодарен В.Я.Савкину, Г.Ф.Абдрашитову, В.В.Колмогорову и другим сотрудникам Лаб.6 за создание источников питания диагностических инжекторов, Н.И. Лиске за высококвалифицированную работу по сборке ионного источника, А.Н.Шукаеву за. разработку програмного обеспечения. Автор выражает свою признательность В.В.Мишагину и другим сотрудникам конструкторского отдела. Автор выражает также искреннюю благодарность А.В.Сорокину, Н.В.Ступишину, И.В.Шиховцеву, Г.И.Шульженко, а также другим сотрудникам Лаб.9-1 за плодотворное сотрудничество и неоценимую помощь на всех этапах работы. Автор благодарен всем сотрудникам института, чей труд и высокая квалификация способствовали выполнению настоящей работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Корепанов, Сергей Александрович, 2004 год

1. Крупник Л.И., Терешин В.И. Методы активной корпускулярной диагностики плазмы (обзор). — Физика плазмы, 1994, т.20, N2, с.157-170.

2. Измерение температуры ионов в горячей плазме по рассеянию быстрых атомов./Березовский Е.Л., Кисляков А.И., Петров С.Я. и др. — Физика плазмы, 1980, т.6, в.6, с.1385-1395.

3. Magnetic Field Pitch-Angle Measurement in the PBX-M Tokamak Using the Motional Stark Effect / F.M.Leviton, R.J.Fonck, G.M.Gammel et.al. Phys. Rev. Lett., 1989, vol.63, N19, p.2060-2063.

4. Plasma ion temperature measurement via charge exchange recombination radiation./ R.J.Fonk, R.J.Goldston, R.Kaita et.al. Appl. phys. lett., 1983, vol.42, N3, p.239-241.

5. Spatially resolved measurements of fully ionized low-Z impurities in the PDX tokamak./ R.J.Fonk, M.Finkenthal, R.J.Goldston et.al. — Phys. rev. lett., 1982, v.49, N10, p.737-740.

6. Measurements of the radial profile of magnetic field in Gas-Dynamic trap using a motional Stark effect diagnostic./ Bagryansky P.A., Deichuli P.P., Ivanov A.A. et. al. — Rev. Sci. Instr., 2003, v.74, p.1592-1595

7. Requirements for an active spectroscopy diagnostic with neutral beam in the RFX reversed field pinch./L.Carraro, M.E.Puiatti, F.Sattin et. al. — Rev. Sci. Instr., 1999, v.70, p.861-864

8. Димов Г.И., Росляков Г.В., Савкин В.Я. Диагностический инжектор атомов водорода. ПТЭ, 1977, No4, с.29-32.

9. Давыденко В.И., Морозов И.И., Росляков Г.В. Диагностический инжектор атомов водорода. — Физика плазмы, 1981, т.7, в.2, с.464-469.

10. Корпуспускулярные методы диагностики плазмы на установке АМБАЛ./ Давыденко В.PI., Иванов А.А., Кабанцев А.А. и др. — В сб.: Диагностика плазмы. М., Экергоатомиздат, 1986, с. 147-152.

11. Многохордовое зондирование плазмы пучком быстрых атомов водорода./ Иванов А.А., Кабанцев А.А., Росляков Г.В. — Новосибирск, 1983, — 13с. — (Препринт/Ия-т ядер, физики СО РАН, ИЯФ 83-15).

12. Локальные измерения ионной температуры по доплеровскому уширению водородных линий с использованием пучка быстрых атомов. / Березовский Е.Л., Березовская М.М., Извозчиков А.Б. и др. Письма ЖТФ, 1982, т.8, N12, с.1382-1386.

13. Peculiarities of the ion distribution in the T-10 tolcamak./ Beresovsky E.L., Efremov S.L., Izvozchikov A.B. et al. — In: Tenth European Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics: Proc. of the Tenth Conf. Moscow, 1981, v.l, p.A-10

14. A diagnostic neutral beam system for the MST reversed-field pinch./ Abdrashitov G.F., Davydenko V.I., Deichuli P.P. et. al. Rev. Sci. Instr., 2001, v.72, p.594-597.

15. Инжектор атомов водорода для активной штарковской спектроскопии плазмы./ Дейчули П.П. Корепанов С.А., Иванов А.А. и др. — Новосибирск, 2003, — 16с. — (Препринт/Ин-т ядер, физики СО РАН, ИЯФ 2003-37).

16. Diagnostic neutral beam injector for TEXTOR 94./Abdrashitov G.F., Davydenko V.I.,Ivanov A.A. et al. — Proc.XVII Symp. on Fusion Techn., Karlsruhe,Germany, 1994, v.l, p.459.

17. Optimization of an ion-optics system with "thick"electrodes for the diagnostic neutral beam injector of the TEXTOR tokamak./Davydenko V.I., Ivanov A.A., Rogozin A.I., Uhlemann R. Rev.Sci.Instr., v.68, N3, 1997, p.1418-1422.

18. Габовнч М.Д., Пленшвцев H.H., Семашко H.H. "Пучки ионов и атомов для управляемого термоядерного синтеза и технологических целей. — М., Энергоатомиздат, 1986, 286 с.

19. Okumura У. Ibid., 1984, vol.55, p.1-8.

20. Давыденко В.И., Росляков Г.В., Хавин Н.Г. Исследование четырехэлектродной многощелевой системы формирования ионного пучка. — ПТЭ, 1981, N 5, с.21-22

21. Jinchoon Kim, J.H.Whealton, Gerd Schilling. A study of two-stage ion-beam, optics. — J. Appl. Phys. 49(2), February 1978, p.517-524

22. P.Spaedtke, Ing. Buro fur Naturwissenschaft und Programmentwicklung, AXCEL code,

23. Junkernstrasse 99, D-65205 Wiesbaden, Germany.

24. Ivanov A., Tiunov M. ULTRAS AM 2D code for simulation of electron guns with ultra high precision. — Proc. 8th European Particle Accelerator Conference, Paris, 2002

25. J.E.Boers. Computer simulation of space-charge flows. — RADC-TR-68-175, University of Michigan, Ann Arbor, Mich. April 1968.

26. Y.Ohara, M.Akiba, Y.Aralcawa, Y.Okumura and J.Sakuraba. J.Appl. Phys. 51, No.7, 3614, 1980.

27. Ландау Л.Д., Лившиц E.M. Теория упругости. M., 1965. - 204 с.

28. Assessment of thermomechanical stresses and stability of ion-source' grids with peripheral cooling. / Beklemishev A., Davydenko V., Ivanov A. and Podyininogin A.

29. Rev. Sci. Instr. 1998, v.69, p.2007-2011

30. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Письма в ЖТФ, 1979, т.5, с.678

31. Получение интенсивных пучков ионов водорода./ Димов Г.И., Кононенко Ю.Г., Савченко О.Я., Шамовский В.Г. — ЖТФ, 1968, т.38, в.6, с.997-1004.

32. Димов Г.И., Росляков Г.В., Савченко О.Я. Формирование потока ионов и нейтральных атомов из плазмы импульсного дугового источника. — Новосибирск, 1967, — 25с. (Препринт/Ин-т ядер, физики СО АН СССР, ИЯФ 1967).

33. Давыденко В.И., Димов Г.И., Росляков Г.В-. Получение прецизионных ионных и атомарных пучков высокой интенсивности. — Докл. АН СССР, 1983, т.271, N6, с.1380-1383.

34. Akiba М., Masanori A., Horiike Н. et al. Production of 75 lceV, 70 A, 10 s ion beam. — Rev. Sci. Instrum., 1982, vol.53, N12, p.1864-1869.

35. C.F.Barnet et al. Atomic data for fusion research. — ORNL-5206, 1977

36. Диагностические инжекторы пучков быстрых атомов водорода ДИНА-6 и ДИНА-7./Вендер Е.В., Вибе С.А., Давыденко В.И., Димов Г.И., Коваленко Ю.В., Савкин В.Я., Шульженко Г.И. ПТЭ, 1996, N6, с.78-91.

37. Деревянкин Г.Е., Дудников В.Г., Журавлев П.А. Электромагнитный затвор для импульсного напуска газа. — ПТЭ, 1975, N5, с.168-169.

38. Мирнов В.В., Рютов Д.Д. Газодинамическая ловушка. — Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы, 1988, т.8, с.77.

39. Давыденко В.И., Росляков Г.В., Савкин В.Я. Протонный источник импульсного инжектора атомов установки АМБАЛ. — В сб. Вопросы атомной науки и техники, сер. Термоядерный синтез. М.:ЦНИИАТОМИНФОРМ, 1983, Вып.2(12), с.67-70.

40. Fast ion relaxation and confinement in the gas dynamic trap./Anikeev A.V., Bagryansky P.A., Ivanov A.A., Karpushov A.N., Korepanov S.A., Maximov V.V., Muralchtin S.V., Smirnov A.Yu., Noack K., Otto G. — Nuclear fusion, v.40, N 4, 2000,p. 753-765

41. Кузнецов В.И., Щеглов Д.А. Методы диагностики высокотемпературно!! плазмы. — Атомиздат, 1980.

42. Березовский Е.Л., Кисляков А.И., Михайлов E.A. — Письма в ЖЭТФ, 1979, 5, с.753.

43. Иванов В.К. — Математический сборник. Новая серия, 1963, т.61, вып.103, с.211.

44. Maximov V.V. Study of Electron Temperature Profiles in GDT During Neutral Beam Heating by Thomson Scattering System — Transactions of Fusion Technology: an international journal of the American Nuclear Society. Januarj' 1999, v.35, No IT, p.362-365.

45. Пирс У.Д. Получение и исследование высокотемпературной плазмы. — Изд-во иностр. лит., 1962, с.221.

46. First charge exchange recombination spectroscopy and motional Stark effect results from the Madison Symmetric Torus reversed field pinch./ D.Craig, D.J.Den Hartrog, G.Fiksel, V.Davydenko, A.Ivanov. — Rev.Sci.Instr., 2001, v.72, N1, p.1008-1011.

47. Initial measurements from the C-Mod Motional Stark Effect Diagnostic./ H.Y.Yuh, R.S. Granetz, E.S.Marmar, S.M. Wolfe at al. — Annual Meeting of Division of Plasma Physics November 11-15, 2002; Orlando, Florida.

48. BES observation of the quasi-coherent (QC) mode during EDA H Modes./ R.Bravenec, M. Sarnpsell, B.Rowan, D.Beals, D.Patterson, H Yuh, B.Granetz — Annual Meeting of Division of Plasma Physics November 11-15, 2002; Orlando, Florida.