Электронный пучок с плазменным эмиттером для нагрева плазмы в установке ГОЛ-3

Электронный пучок с плазменным
эмиттером для нагрева плазмы в
установке ГОЛ-3
Докладчик: Трунев Ю.А. (аспирант лаб. 10)
Научный руководитель: д.ф.-м.н. Бурдаков А.В.
План выступления
• Постановка задачи.
• Эксперименты на стендовом (30 кВ) источнике электронов с
плазменным эмиттером.
• Проект пучка «100 мкс, 150 кВ, 1 кА» для экспериментов на
ГОЛ-3.
Постановка задачи
Для повышения параметров плазмы в ГОЛ-3 необходимо:
• Обеспечить подавление электронной теплопроводности в
течении большого времени.
• За счет сохранения электронной температуры подавить
канал потери энергии ионов.
С этой целью проводятся исследования по созданию источника
пучка электронов с параметрами: энергия электронов ~150 кэВ,
ток пучка до 10 кА, длительность импульса не менее 0,1 мсек и
плотность тока 1 – 2 кА/см2 (в плазме ГОЛ-3).
Реализация пучка с длительностью 0,1 мс и более возможна в
источниках с плазменным эмиттером.
Эксперименты на стенде 30 кВ
Для проверки концепции был построен
экспериментальный стенд.
Цели экспериментов на стенде:
Исследовать
генерацию
длинноимпульсного
электронного пучка в источнике с плазменным
эмиттером и многоапертурной ЭОС.
• Получение пучка с максимальной плотностью тока
( ≥100 А/см2) и длительностью 0,1 мсек и более.
Большая плотность тока требует высокой
напряженности поля в зазоре ЭОС ( ≥ 100 кВ/см).
• Формирование, транспортировка и сжатие пучка в
магнитном поле.
Схема источника электронов
Катушка внешнего магнитного поля
Н2
Ускоряющий электрод
Лайнер с медным
коллектором
К вакуумной камере
10 см
Дуговой источник плазмы
Эмиссионный электрод
•Остаточное давление в камере 10-5 мм.рт.ст.
•Импульсный клапан- до 3 ·1018 молекул Н2 за импульс.
•Ведущее магнитное поле до 0,23 Тл.
Геометрия ЭОС
2.1
Ф 3.3
Многоапертурная (7 отв.) ЭОС, заполнение гексагональное,
прозрачность ~ 50 %
Мо
Ф 8.6
2.1
Ф 3.3
Нержавеющая сталь
12Х18Н10Т
Схема питания источника
–30kV
IHV
C
–
Ibeam
A
+
R
Rсм
Iarc
ArcPFL
Ig
Осциллограммы пучка.
•Без внешнего
магнитного поля.
•Ток дуги 480 А
•Магнитная изоляция
дуги максимальная.
•Плотность тока в
отверстии – 130 А/см2.
•Лайнер длиной 35 см,
диаметром 3 см.
ALL0002_19_04_2007
80
-40
60
-30
40
-20
20
-10
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Время, мкс
0
Напряжение, кВ
Ток, А
Ток пучка, А
Напряжение высоковольтного модулятора, кВ
Эффект переключения тока на эмиссионный электрод
в ток пучка
60
600
ALL0000_10_04_2007
Ток пучка, А
Ток на экспандер, А.
Ток на анод дуги
500
40
400
30
300
20
200
10
100
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Время, мкс
Ток, А
50
Ток пучка , А
•Без внешнего
магнитного поля.
•Ток дуги 420 А
•Магнитная изоляция
дуги максимальная.
•Rсмещения = 0,23 Ом.
ALL0004_12_04_2007
Ток пучка, А
Токовый сигнал на лайнер, А
80
60
Ток, А
•Плотность тока в отверстии130 А/см2 .
•Лайнер диаметром 30 мм, без
коллектора.
•Без внешнего магнитного
поля.
•Ток на ускоряющий электрод
пренебрежимо мал (300 мА).
•Характерное время ионизации
первичными электронами ~ 30
мкс.
40
20
t ~50мкс
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Время, мкс
80
Экспериментальная зависимость
тока пучка IВ от магнитного поля в области ЭОС Вэос
IB, А
60
40
Ток дуги 232 А
Ток дуги 304 А
Ток дуги 365 А
Ток дуги 436 А
Ток дуги 490 А
20
0
0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240
Вэос, Гс
40
Экспериментальная зависимость
тока пучка IВ от магнитного поля в области ЭОС Вэос
плотность тока в отверстии 50А/см2
35
30
IB, А
25
20
15
10
5
0
0
Ток дуги~175 А
параметры дуги за
пределами оптимальных!
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100
Вэос, Гс
Резюме по экспериментам на стенде
•Получен пучок в многоапертурной ЭОС с током до 70 А
(плотность тока 140 А/см2) и длительностью 250 мкс
(ограничивается системой питания) при энергии
электронов 26 кэВ.
•В многоапертурной ЭОС ток вырос пропорционально
количеству отверстий.
•Зазор ЭОС работает при средней напряженности поля
120 кВ/см.
•Наложение внешнего магнитного поля способствует
компрессии потока дуговых электронов на эмиссионный
электрод, что очевидно приводит к росту плотности тока
пучка.
•Получен пучок с плотностью тока 50 А/см2 в магнитном
поле в 1 кГс.
Планы на ближайшее будущее:
•Установка ЭОС с 19 отверстиями (следующий шаг в
гексагональной структуре).
•Эксперименты по транспортировке и сжатию пучка в
магнитном поле.
•Модернизации системы высоковольтного модулятора для
получения больших токов пучка.
•Модификация источника плазмы.
Схема размещения ГИН-150 кВ в зале установки ГОЛ-3
На первой стадии проекта рассматривается пучок с током 1 кА
ГИН по схеме Аркадьева-Маркса
Напряжение 150 кВ, энергозапас ГИНа > 50 кДж
Расширитель с высоковольтным вводом на 200 кВ
Монтаж нового выходного расширителя (19.04.2007)
Схема размещения диода для генерации
микросекундного пучка в расширителе и
конфигурация магнитного поля в нем
7 втк
(140 втк)
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0O 4 0
0
120
(30/90 втк)
(32 втк)
50
R,
m
910 (16 втк)
640
(0 втк)
B, кГс
(16 втк)
(9 втк)
( 2х69 втк)
(140 втк)
O 360
50
100
O 15
1
150
200
O 700
300
250
O 1000
2
3
5
4
3
2
1
0
1.5кГс
0
1
2
50
40
30
20
10
0
3
Численное моделирование (POISSON -2)
формирования пучка в диоде
(12-cat-4)
B = 1.5 кГс
U = 150 кВ
d = 2 cм
D = 9 см
Прозр. 50%
Z = 55 мм
Ie ~ 1.2 кА
je ~ 40 А/см2,
q < 0.1 рад
Астрелин, 2007
Резюме по проекту
•Определена система питания для будущего источника
на 150 кВ - ГИН по схеме Аркадьева-Маркса.
•Определена компоновка и размещение для ГИНа на
установке ГОЛ-3.
•Численным моделированием показано, что даже
простая двухэлектродная многоапертурная ЭОС, в
отсутствии нейтрализации пучка в трубе дрейфа,
позволяет генерировать пучок, пригодный для
последующего сжатия в магнитном поле до 100 раз.
Спасибо за внимание!
Численное моделирование (POISSON -2)
формирования пучка в диоде
(12-cat-6)
D - плазма
B = 1 кГс
U = 150 кВ
d = 2 cм
D = 9 см
Прозр. 50%
Ie ~ 1.7 кА
Z = 90 мм
je ~ (60-80 А/см2),
q < 0.08 рад
Ii ~ 1 А/см2 ,
что соответствует
n ~1012-13 см-3
при Te ~ 10 эВ
3,6
3,3
Одноапертурная ЭОС
2,5
75 мм до источника дуги
•Ток разряда дуги ~ 200 А.
•Магнитное поле 0.1 Тл.
•энергосодержание пучка по
интегралу UI подтверждается
калориметрическими измерениями.
•Длительность пучка определяется
16
-40
12
-30
8
-20
4
-10
Ток, А
системой питания
x10
Напряжение, кВ
Результаты экспериментов с одноапертурной ЭОС
0
0
50 100 150 200 250 300 350 400
Время, мкс
Звенигород 2007
Ток пучка в зависимости от магнитного поля
10
Экспериментальная зависимость
тока пучка IВ от магнитного поля в области ЭОС Вэос
8
IB, А
6
4
2
ток дуги 175 А
0
0
0.04
0.08
0.12
Вэос, Тл
0.16
0.2
0.24
Звенигород 2007
Численное моделирование (POISSON -2)
формирования пучка в диоде
(12-cat-6)
B = 1.5 кГс
U = 150 кВ
d = 2 cм
D = 9 см
Прозр. 50%
Ie ~ 1.2 кА (<1.4 кА)
Z = 90 мм
je ~ 40 А/см2,
q < 0.05 рад
Схема размещения ГИН-150 кВ в зале
ГОЛ-3
Распределение магнитного поля на оси источника
250 microseconds electron beam
with plasma emitter
Authors: Astrelin V.T., Burdakov A.V.,
Derevyankin G.E., Kandaurov I.V.,
Trunev Yu.A.,