Нагревной инжектор 25 кэВ атомов водорода для установки ГДЛ

Мощный 5 мс атомарный
инжектор с фокусировкой пучка
для нагрева плазмы
СТАРТ – 5
А.В. Сорокин
Предыстория
Мэдисонский Симметричный Тор
(диаметр “окна” для инжекции~70 мм)
Параметры нагревного инжектора
- рабочее напряжение -25 кВ
-ток (в ионах) - до 60 А
- длительность импульса 1,2 мс (ограничение системой питания)
- 4-электродная ИОС, сферические сетки R=1500 мм
- начальная апертура пучка 200 мм
- 3433 отверстия диаметром 2.5 мм
- прозрачность ИОС ~53%
- дуговой источник плазмы с током до 1200 А
- мультипольная магнитная стенка на постоянных магнитах
Схема нагревного инжектора для MST
Внешний вид ионно-оптической системы
Плазменный
U=25 кВ
Вытягивающий
U=22,5 кВ
Ускоряющий
U=-300 В
U=0
3
4
POSITIVE ION BEAM
1
2
Ионный пучок
Встречный
электронный пучок
Расчет на PBGUNS: оптимальный ток доля всей ИОС
55 – 60 А, минимальная расходимость  12 мрад
TRAJECTORIES AND EQUIPOTENTIALS
S
5.0V
2.5kV
25.5kV
25.0kV
E
0
1
R
2
NEUTRAL
E
1.0000 mm/unit,10.0 MAT. sq./unit
28-DEC-04 AT 12:27:29
0
% Neutral =
PLASMA I =
1
2
3
99.0000
0.036000 A, TARGET I =
4
5
6
Z-axis
7
0.0149 A, Perv = 3.782E-09
8
9
10
11
Достигнутые результаты
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Получен 25 кВ пучок с током свыше 50 А и длительностью 1,2 мс
Оптимальный ток при напряжении 25 кВ, 48 – 50 А
Минимальный размер пучка re=20 мм
Фокусное расстояние инжектора F = 120 см
Минимальная угловая расходимость 15 мрад
Максимальная плотность тока в фокусе  4 А/см2
Массовый состав пучка H+ : H2+ : H3+ = 90 : 7: 3 %
Коэффициент нейтрализации 70 %
Нерешенные проблемы
1. Поддержание стабильного во времени тока пучка в
импульсах длиннее 1,2 мс
2. Увеличение полного потока плазмы из дугового генератора
3. Низкая надежность работы инжектора при больших токах и
напряжениях
Увеличение длительности до 5 мс
1. Высоковольтный модулятор такой
длительности еще можно изготовить
основываясь на линии – относительно
простой и дешевой схеме
2. Для ГДЛ (SHIP) требуются
сфокусированные по двум координатам
пучки. Разумный выбор – использование
ИОС типа СТАРТ – 4
3. Проблема выбора источника плазмы –
поддержание большого выхода плазмы,
стабильного в течение длинного
импульса
Желтый сигнал – напряжение, 5 кВ/клетка; синий – ток
пучка, 10 А/клетка
Неотожженная облицовка МС
Отожженная облицовка МС
Спад тока в 3,5 раза
Спад тока на 40 %
Типичная
осциллограмма
сигналов тока и
напряжения – полная
мощность 1,25 МВт
Режим работы дугового генератора с разрядом, распределенным в объем
камеры магнитной стенки и минимизированным по времени напуском
катодного газа позволяет стабилизировать форму тока пучка. Спад тока не
превышает 10 %
Расположение постоянных магнитов в вакууме – вынужденная мера.
Такая магнитная стенка хорошо работает при длительности 1,2 мс. В
5 мс импульсе происходит нагрев магнитов и их разрушение.
Внешний вид
магнитной стенки –
видны разрушенные
магниты.
Массовый состав измерялся
оптическим спектрометром по
свечению линии Н. Пики слева
направо: несмещенная
компонента, Е/18, E/3, E/2, E.
Процентное содержание ионов
Угловая расходимость, мрад
Н+: Н2+: Н3+ = 90 : 7 : 3 % , вода
менее 1 %
Перемещая линию наблюдения
спектрометра по радиусу пучка
по изменению интенсивности
сигнала можно измерить угловую
расходимость
Угловая расходимость пучка (покомпонентно), измеренная
при помощи оптического спектрометра вблизи точки фокуса.
Ускоряющее напряжение 22 кВ.
20
19
18
H
+
H
+
H
17
2
+
3
16
15
14
13
12
11
10
42
44
46
48
50
52
54
Ток пучка, А
56
Для усиления сигнала можно
использовать отраженный свет
пучка. Доплеровское смещение
при этом дает зеркальносимметричный спектр.
Другой метод бесконтактного
измерения профиля пучка –
сканирование твердотельной
мишени. На спектре видны
линии Н, тепловой фон от
нагретой мишени и очень
интенсивная линия цинка.
Хорошая иллюстрация возросшего энергосодержания пучка
при хорошей фокусировке – его след на различных
материалах, помещавшихся в точку фокуса.
Массивный приемник был закрыт
медной фольгой толщиной 0,05 мм.
След плавления на приемнике –
нержавейной пластине толщиной 1 мм.
Следы пучка на различных материалах
толщиной 0,1 мм. Медь прожигается за
1 выстрел, сталь за несколько десятков.
На танталовой пластине виден след
плавления (после 20 выстрелов).
Энергосодержание пучка
Интегральная калориметрия
В качестве приемника использовалась пластина из никеля диаметром
140 мм, толщиной 1,5 мм, размещенная в точке фокуса.
Измеренное этим интегральным калориметром энергосодержание
пучка с точностью 10 % совпадает с интегралом по току и напряжению.
2,0
2
Измеренная плотность тока, А/см
Измерение профиля пучка проволочным калориметром на расстоянии
165 см от ИОС. Напряжение 21,5 кВ, средний ток 46 А, длительность 3,6 мс.
1,8
1,6
d = 0,3 mm , re = 2,75 cm
d = 0,2 mm , re = 2,69 cm
d = 0,15 mm , re = 2,62 cm
1,4
1,2
1,0
0,8
Калориметрическое
измерение профиля
Измерения подвижным
проволочным калориметром
позволяют определить наряду с
размером полное
энергосодержание пучка.
0,6
Измеренная энергия составляет
около 75 % от интеграла по
току и напряжению.
0,4
0,2
0,0
0
2
4
6
8
10
12
14
16
Смещение подвижки, см
В первых экспериментах надежность работы инжектора
была неудовлетворительной. Энергия, выделяемая в
пробой, составляла около 5 Дж. Использование снаббера
(на фото) позволило снизить энергию в пробое до 1 Дж.
Снаббер выполнен на сердечнике из аморфного железа.
Надежность работы инжектора – отношение
выстрелов без пробоя к полному числу
выстрелов составляет  90 %
Выводы:
1.
Создана и испытана система питания мощного инжектора, рассчитанная на
напряжение 30 кВ, ток нагрузки 120 А и длительность 5 мс.
2.
Получен мощный сфокусированный пучок с энергией 23 кэВ и током до 60 А
стабильной формы в течение 4 мс.
3.
Найден режим работы дугового генератора плазмы при длительности импульса 5
мс с полным потоком плазмы 120 А. В этом режиме есть возможность вынести
магниты из вакуумной камеры.
4.
Предложены и опробованы новые оптические диагностики пучка. Измерена
покомпонентная угловая расходимость пучка.
5.
В режиме с распределенным дуговым разрядом в пучке содержится не менее 90 %
частиц полной энергии. Измерение энергосодержания пучка интегральным
калориметром показало соответствие с точностью 10 % с интегралом по току и
напряжению. Энергосодержание, измеренное проволочным калориметром,
составляет  75 % от интеграла по току и напряжению, а радиус пучка менее 2,5 см
6.
Надежность работы инжектора составляет свыше 90 % выстрелов полной
длительности.