Диагностический атомарный инжектор с многощелевой системой формирования пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

На правах рукописи

ЛИСТОПАД Александр Алексеевич

ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ АТОМАРНЫЙ ИНЖЕКТОР С МНОГОЩЕЛЕВОЙ СИСТЕМОЙ ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА

01.04.08 — физика плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

3 1 'ЭД 2012

НОВОСИБИРСК - 2012

005045211

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения Российской академии наук - и в Институте физики плазмы Исследовательского центра Юлих (Германия).

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

ДАВЫДЕНКО Владимир Иванович

Ульрих Замм

доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, профессор, доктор физики, Исследовательский центр Юлих, Германия.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

ПОЛОСАТКИН Сергей Викторович

АФАНАСЬЕВ Валерий Иванович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ

Защита диссертации состоится

кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск, старший научный сотрудник, доктор физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург, ведущий научный сотрудник.

Институт физики токамаков

НИЦ «Курчатовский институт», г. Москва.

И4 >

2012 г.

в « і ¿-СО » часов на заседании диссертационного совета Д 003.016.03 Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, г. Новосибирск,

проспект Академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН.

Автореферат разослан « ' » /И _2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Для активной корпускулярной диагностики и нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием широко используются пучки быстрых частиц. Пучки быстрых атомов для нагрева плазмы позволяют производить некоторые диагностические эксперименты, но использование специализированных узких слаборасходящихся диагностических пучков является более предпочтительным.

В Институте ядерной физики разработана серия диагностических инжекторов, предназначенных для активной корпускулярной диагностики плазмы в открытых ловушках и токамаках средних размеров, которые позволяют получать слаборасходящиеся пучки быстрых атомов водорода, дейтерия, гелия с энергией в диапазоне 10 - 60 кэВ, эквивалентным током 1 - 10 А и длительностью импульса до 10 с.

В 1998 г. для спектроскопии перезарядки ионов примесей плазмы (CXRS) на токамаке TEXTOR (научно-исследовательский центр «Юлих», Германия) был разработан диагностический инжектор RUDI (Russian Diagnostic Injector). Разрешающая способность CXRS измерений и уровень диагностического сигнала напрямую связаны с угловой расходимостью и плотностью частиц диагностического пучка, соответственно. В связи с этим, принципиально важной является задача обеспечения высоких показателей таких параметров пучка, как его полное энергосодержание, плотность в области мишени, малая расходимость, высокое содержание компоненты с полной энергией. Кроме того, важным является вопрос диагностики и контроля данных параметров.

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 дугового источника плазмы, производство нового 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.

Цель диссертационной работы

Целью данной работы является исследование и повышение параметров ионного источника диагностического инжектора атомов водорода RUDI. В 2008 г. было принято решение об очередной модернизации инжектора. Прежде всего, она подразумевала разработку многощелевой ионно-оптической системы для увеличения полного тока пучка и снижения угловой расходимости (предыдущая версия ИОС имела круглые ячейки с гексагональной структурой, и была рассчитана на ток пучка 2 А). Данный вопрос включал в себя компьютерное моделирование формирования пучка с помощью щелевой элементарной ячейки, тепловые расчеты вариантов геометрии расположения ячеек, производство новой ионно-оптической системы.

Модернизация инжектора, помимо этого, предполагала проектирование нового разрядного элемента источника плазмы с увеличенным тепловым пределом, для обеспечения полной длительности импульса до 8 с, что соответствует максимальному времени работы токамака TEXTOR.

Создание новых диагностик для исследования непосредственно параметров нейтральных пучков также является одной из важных проблем в области плазменных экспериментов. В связи с этим, параллельно с модернизацией источника RUDI была поставлена задача расширить спектр используемого диагностического оборудования для измерения параметров пучка за счет использования оптических диагностик.

Личный вклад автора

Личное участие автора в получении результатов, составляющих основу диссертации, является основным и определяющим. Им осуществлен анализ геометрии щелевых электродов и проведены компьютерные расчеты их термомеханических деформаций. При его непосредственном участии было выполнено производство, сборка и настройка щелевой ионно-оптической системы инжектора RUDI. Автором был проанализирован дуговой генератор RUDI и проведены термомеханические компьютерные расчеты, на основе которых был создан дуговой генератор с увеличенным временем работы. Автор провел несколько серий исследований пучка с помощью оптических спектральных диагностик, спроектированных им лично. Кроме того, автор принимал самое активное участие в плазменных измерениях на установке TEXTOR при помощи модернизированного пучка RUDI.

Научная новизна

1. Впервые была создана многощелевая фокусирующая ионно-оптическая система со сферической поверхностью ускоряющих электродов. Достигнутое значение угловой расходимости пучка вдоль щелей составило 0.35°.

2. Применение в генераторе плазмы дугового канала с улучшенным плосъемом обеспечило увеличение длительности разряда до 8 с.

3. Достигнуто повышение уровня диагностического сигнала CXRS >лее чем в 2 раза. При измерениях ионной температуры плазмы на токамаке EXTOR и скорости ее вращения временное разрешение составило ~1 с анее нижний предел составлял 2 - 4 с).

4. Выполнены оптические измерения угловой расходимости компонент /чка в двух направлениях при наблюдении из одной точки.

Научная и практическая ценность

Научная ценность результатов работы состоит в новых возможностях ) диагностике плазмы, развитии исследований по УТС и других травлений, использующих атомарные и ионные пучки:

1. Многощелевая ионная оптика будет реализована в следующих юектируемых в ИЯФ инжекторах нейтральных пучков: большой «гностический инжектор RUDI-X для стелларатора Wendelstein-7X, иревной и диагностический пучки для токамака TCV и других.

2. Дуговой генератор модернизированного источника RUDI является ютотипом квазистационарного источника для работы в непрерывном жиме 100 с и более, что актуально в настоящее время, когда строятся :тановки с многосекундным режимом работы и существует спрос на гжекторы подобной длительности.

3. В новом спектральном диагностическом комплексе пучка RUDI ¡ализована идея универсальной бесконтактной диагностики, с >зможностью наблюдения эволюции его основных параметров, что является 1жным для исследования мощных квазистационарных пучков.

4. В результате экспериментальных исследований на токамаке TEXTOR модернизированным инжектором RUDI получены уточненные результаты > переносу примесей в плазме.

Основные положения, выносимые на защиту

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.

Апробация работы

Работы, положенные в основу диссертации, неоднократн представлялись и докладывались на Международных конференциях п физике (Москва, 2008; Грайфсвальд, Германия, 2009), Международны конференциях по ионным источникам (Гатлинбург, США, 2009; Джардиш Италия, 2011), Международной конференции по открытым магнитны! системам для удержания плазмы (Новосибирск, 2010), Международно летней школе по физике плазмы (Хербемонт, Бельгия, 2009' Международному совещанию по установкам для исследовани взаимодействия плазмы с поверхностью (Юлих, Германия, 2011).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, разбитых н параграфы, и заключения. Текст диссертации содержит 115 страниц, 9 рисунок и 7 таблиц. В конце диссертации приведен список литературы из 3 названий.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении представлен краткий экскурс о роли атомарных пучков экспериментах по управляемому термоядерному синтезу, указан актуальность использования специализированных диагностических пучко для исследования плазмы, поставлена задача модернизации инжектора RUE для активной корпускулярной диагностики плазмы на токамаке ТЕХТОБ сформулированы основные цели диссертационной работы и приведен краткое по главам изложение основных результатов работы.

В первой главе приведено описание диагностического инжектор RUDI. Представлен плазменный генератор с компактным разрядом на основ полого накаливаемого катода, в сравнении с предшествующей версие источника на базе высокочастотного разряда. Показана ионно-оптическа система.

Инжектор RUDI (Russian Diagnostic Injector) был создан для активно корпускулярной диагностики CXRS на токамаке TEXTOR. В соответствии требованиями диагностического комплекса инжектор был спроектирован дл создания пучка атомов водорода энергией 50 кэВ и эквивалентным токо нейтралов около 1 А. Пучок быстрых атомов инжектируется в плазм радиально в экваториальной плоскости. Ниже приведены основны параметры диагностического водородного пучка RUDI (в скобках указага параметры после последней модернизации):

■ Энергия частиц 50 кэВ; " Ток ионного пучка 2 (3) А;

■ Ток пучка 50 кэВ атомов 1.1 (1.5) А;

■ Длительность импульса 4 с (8 с) с модуляцией 50%/50%;

■ Фокусное расстояние 4 м;

■ Диаметр пучка 1/е (в фокусе) 80 мм (50 х 90 мм);

" Угловая расходимость ±0.55° (0.35° х 0.6°).

Первоначально, для генерации плазмы в нем использовался источник с высокочастотным разрядом. В ходе модернизации в 2006 г. он был замещен 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.

Схема ионного источника приведена на рис. 1. Он состоит из дугового генератора плазмы, расширительной камеры с магнитной стенкой, и системы формирования пучка.

Все основные элементы источника имеют активное водяное охлаждение. Применение дугового генератора обеспечивает высокое содержание (до 80 - 85%) атомарных ионов Н+ в производимой плазме, что является важным фактором для СХЯБ диагностики, поскольку уровень диагностического сигнала определяется содержанием в пучке фракции ионов

Рис. 1. Схема ионного источника RUDI. 1 - термокатод, 2 - плавающий электрод, 3 - дуговой канал, 4 - анод, 5 -расширительная камера с магнитной стенкой, 6 - ионно-оптическая система, 7 - нейтрализатор.

Для ускорения и формирования диагностического пучка RUDI используется четырехэлектродная ионно-оптическая система. В данной сеточной системе реализован принцип геометрической фокусировки, то есть полный пучок формируется из множества направленных в точку фокуса элементарных пучков. По этой причине рабочие поверхности сеток имеют сферическую форму с радиусом кривизны, определяющим фокусное расстояние, которое в данном случае составляет 4 м.

Помимо этого, в главу включено краткое описание систем питан;-инжектора, рассмотрены основные элементы инжекторного объема.

Вторая глава посвящена созданию оптических диагностик пучка, г рамках модернизации инжектора, для измерения и контроля стабильности ключевых параметров пучка в течение выстрела была разработана систем оптических диагностик, включающая в себя:

- многоканальный спектрометр, предназначенный для измерена профилей всех компонент пучка, а также определения массового состава на основе анализа смещенных Н„ линий;

- спектрометр высокого разрешения для мониторинга поперечны скоростей в пучке по уширениям Н„ пиков;

- CCD камера для сканирования оптического профиля пучка с высока пространственным и временным разрешением.

Для покомпонентного сканирования профиля пучка RUDI бы ■ разработан многоканальный спектрометр. Принцип его измерение основывается на Допплеровском смещении спектральных лині' соответствующих фракций пучка. В данном случае рассматривается лині* излучения водорода На (к = 656.3 нм).

В соответствии с требованиями диагностики, при помощи программ ZEMAX-2004 была спроектирована оптическая система эндоскоп«, располагаемого внутри инжекторного объема с достаточно близкв»-расположением входной апертуры к оси наблюдаемого пучка, с цель1 собрать максимум излучаемого света (рис. 2).

Рис. 2. Оптическая схема эндоскопа.

В качестве приемника использована двумерная CCD матрица. В даннс устройстве была реализована возможность отслеживания эволющ массового состава и профиля пучка на протяжении всей длительное-импульса. Типичный многоканальный спектр пучка приведен на рис. 3.

Разработанная диагностика распределения поперечных скоростей в пуч: RUDI через уширения спектральных линий компонент имеет уг<

наблюдения 5 - 10°, и установлена на расстоянии 1.7 м от ионно-оптический системы. Подобные измерения_предъявляют жесткие требования к спектраль-

_<• і . -

* І ■/ fr * .': £ *

ö * • о р Ж

с *

Рис. 3. Исходное изображение профиля спектра пучка RUDI.

ному разрешению диагностического оборудования. Оценки показали, что для измерения угловой расходимости пучка с разрешением 0.1°, требуется спектрометр с разрешением порядка Х/5Я.-50000. Пример ' измерений уширенных спектральных линий пучка, показан на рис. 4. На основе данного спектра расходимость быстрой компоненты составила -0.8°.

Ярщстъ.у. е. 350D0і-

Рис. 4. Уширение линий, измеренное с разрешением Х/8Х = 60000 для 50 кВ, 2.5 А пучка.

Использование многоканального измерителя спектральных профилей пучка в паре с диагностикой уширения спектральных линий компонент пучка на основе спектрометра высокого разрешения позволило наладить покомпонентные измерения угловой расходимости пучка в двух направлениях при наблюдении из одной точки.

В дополнение к спектральным диагностикам, на инжекторе была использована цифровая CCD камера Allied Vision Tec PIKE 100 для сканирования оптического профиля пучка с высоким пространственным и временным разрешением. Камера установлена в 1.7 м от ИОС.

Третья глава описывает ход модернизации инжектора RUDI. Показаны принципы ускорения и формирования пучков быстрых частиц. Описана разработка новой ионно-оптической системы с щелевой геометрией, включавшая в себя моделирование формирования пучка и численный анализ деформации электродов на основе компьютерных термомеханических расчетов.

10mm ] J -----

Рис. 5. Сравнение существующей и щелевой геометрии электродов.

Первая версия ионно-оптической системы RUDI (рис. 5), спроектированная с круглыми ячейками диаметром 4мм, была оптимизирована дня создания водородного пучка с энегрией 50 кэВ и угловой расходимостью 0.55°. Данная величина была обусловлена аберрациями ионной оптики по причине неоднородности электрического поля от центра элементарной апертуры к периферии.

Одним из вариантов формирования пучка с более низкими значениями угловой расходимости является применение щелеобразной геометрии электродов, где угловая расходимость вдоль щелей определяется главным образом поперечной температурой ионов в источнике.

При анализе вариантов щелевой геометрии за основу была взята геометрия круглой элементарной ячейки инжектора RUDI с исходными значениями толщин электродов, фасок и зазоров. Для подтверждения работоспособности щелевой геометрии было проведено трехмерное моделирование формирования пучка одиночной щелевой ячейкой 4мм х 20мм при помощи кода KOBRA-3D, в ходе которого вычислялись значения угловой расходимости как поперек, так и вдоль щели (рис. 6).

Для получения количественной оценки величин тепловых деформаций, на программе ÄNSYS были проведены тепловые расчеты существующей геометрии ИОС, после чего был проведен анализ возможных вариантов щелевой геометрии.

Плотность тока пучка, тА/сгтг

Рис. 6. Согласование трехмерных компьютерных расчетов кода КО!ЖА-ЗЬ с результатами экспериментальных измерений.

10

Вычисления показали, что оптимальной, в отношении величин продольных и поперечных деформаций, является геометрия с щелями длиной до 60мм, и прозрачностью -67%.

Геометрия и взаимное расположение электродов ИОС показаны на рис. 7. Согласно результатам тепловых расчетов финальной версии щелевой ИОС, под действием пучка с током 3 А, энергией 50 кэВ и длительностью 8 с, максимальная температура нагрева 287°С достигается на первой сетке, наибольшие деформации вдоль и поперек оси пучка наблюдаются на четвертой сетке и составляют соответственно 0.131 мм и 30.7 мкм.

Рис. 7.

В главу включены экспериментальные измерения основных параметров диагностического пучка при помощи созданного оптического оборудования, а также результаты калориметрических измерений. Исследовано поведение пучка при различных настройках дугового генератора, выявлена зависимость расходимости по двум координатам от распределения высоковольтных потенциалов на ускоряющих электродах, проанализирована эволюция параметров пучка в течение импульса.

1.2 т 1.1 1.0 0.9

I "

| 0,7

¡5 0.6

о

о

ш 0,5

£

|

СО

О- 0,3 0.2 0,1 0.0

>

• • в Расходимость поперек щелей Расходимость вдоль щелей

• •

• •

1.4 1,6 1.8 2.0 2.2 2,4 2.6 2.8 3,0 Ток пучка, А

Рис. 8. Сопоставление расходимости пучка вдоль и поперек щелей.

Расположение электродов 1-4 ИОС (слева направо).

В направлениях вдоль и поперек щелей были измерены спектральные профили пучка, из которых вычислялись значения угловой расходимости для всех его компонент. Помимо этого, в направлении поперек щелей На спектр пучка был исследован с высоким QJ8X = 60000) спектральным разрешением, что на основе анализа уширенных спектральных линий позволило восстановить расходимости компонент пучка из измеренных значений поперечных скоростей в пучке.

В соответствии со свойствами щелевой ионной оптики, угловая расходимость пучка вдоль и поперек щелей имеет различные значения. Это наглядно продемонстрировано на сканах расходимости для 45 кэВ пучка (рис. 8). В направлении вдоль щелей пучок, как ожидалось, имеет пониженный уровень расходимости по сравнению со случаем наблюдения поперек щелей, или с предыдущей версией ИОС RUDI с круглыми отверстиями, поскольку в формирующей структуре вдоль щели практически отсутствуют аберрации, связанные с неоднородностью электрического поля.

Представлены варианты усиленного разрядного канала плазменного источника, для увеличения времени импульса до 8 с (рис. 9). Приведены несколько вариантов его конструкции, разработанные на основе компьютерного моделирования дугового разряда и его влияния на элементы канала.

Рис. 9. Разборная версия дугового канала с витоновыми плотнениями. 1 - катодная вставка, 2 - анод, 3 - диафрагмы, 4 — изоляторы, 5 -уплотнительное кольцо.

С помощью программы ANSYS были проведены тепломеханические вычисления нескольких версий оптимизированного дугового канала с увеличенной теплоемкостью. Помимо усиления диафрагм разрядного канала, были приняты меры по снижению нагрузок на анод, в частности, проведено компьютерное моделирование приложенных на него тепловых нагрузок, а также исследование распределения магнитного поля в его области с помощью программы SAM. Для распределения падающей мощности по внутренней поверхности анода, для нее была выбрана новая форма, повторяющая по форме силовые линии магнитного поля катушки магнитной изоляции.

Кроме того, рассмотрена проблема вакуумных условий в инжекторном бъеме и нейтрализации ионов пучка в перезарядной трубе. Для новой гометрии нейтрализатора рассчитан газонапуск, обеспечивающий авновесную плотность мишени.

Четвертая глава содержит краткий обзор диагностических методов на снове нейтральных пучков. Приведено описание спектроскопического омплекса CXRS на токамаке TEXTOR, с пояснением его основных иагностических принципов; описаны оптические системы наблюдения. В паву включены примеры CXRS измерений распределения температуры онной компоненты вдоль малого радиуса токамака, и профили скоростей олоидального вращения плазмы, проведенных в новой конфигурации иагностического инжектора RUDI.

При усреднении по всему 6 с импульсу достигнутая точность измерений онной температуры плазмы составила около 3 эВ в районе границы со генкой, скорость вращения плазмы была измерена с точностью 0.5 км/с. [еобходимо отметить, что все экспериментальные данные CXRS являются адежным подтверждением теоретических предсказаний и демонстрируют орошую стабильность измерений даже при усреднении на коротких нтервалах (порядка 1 с). Представленные результаты свидетельствуют о олее чем двукратном росте диагностического сигнала после проведенной (одернизации инжектора.

В заключении представлены основные результаты и выводы иссертации.

Основные результаты работы

Основу настоящей диссертации составили разработка щелевой ионно-птической системы диагностического инжектора RUDI, исследования по родлешпо времени работы плазменного генератора, создание новых иагностик пучка, выполненные в рамках модернизации инжектора:

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

2. Разработана и испытана конструкция разрядного канала с величенной длительностью импульса до 8 с для обеспечения иагностических измерений плазмы на протяжении всего выстрела токамака •EXTOR.

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

4. Увеличение тока пучка и снижение угловой расходимости привели к вукратному росту диагностического сигнала CXRS. Диагностический пучок LUDI в новой конфигурации обеспечивает стабильные измерения скорости

вращения плазмы и ионной температуры на токамаке TEXTOR с временнъ

разрешением порядка 1 с.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующ!

работах:

1. А.А. Листопад. «Исследование распространения газовых потоков инжекторном тракте при импульсном газонапуске». // Международн; конференция студентов, аспирантов и молодых ученых i фундаментальным наукам "Ломоносов-2008". Секция "Физика": Сборш тезисов. // М.: Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 200 с. 133.

2. А.А. Listopad, J.W. Coenen, В. Schweer, V.I. Davydenko, and A.A. Ivano "Diagnostics for optical measurements of RuDI neutral beam parameters". DPG Friihjahrstagung 2009, Greifswald, Germany. Published online at: http://www.dpg-verhandlungen.de/2009/greifswald/p3 .pdf

3. A.A. Listopad, J. W. Coenen, V.I. Davydenko, P.P. Deichuli, A.A. Ivano V.V. Mishagin, V.Ya. Savkin, W. Schalt, B. Schweer, G.I. Shul'zhenk N.V.Stupishin, R. Uhlemann. Operation and upgrade of diagnostic neuti beam injector RUDI at TEXTOR tokamak. // Rev. Sci. lustrum., Vol. 81, Issi 2, 02B104 (Feb, 2010); ISSN: 0034-6748.

4. A. Listopad, V. Davydenko, S. Freutel, A. Ivanov, B. Schweer, M. Zlobinsl Characterization of RUDI neutral beam parameters by optical diagnostics. Fusion Science & Technology, Vol. 59, Number IT, FUSTE8 (2) 1-324 (201 ISSN: 1536-1055.

5. A.A. Листопад, В.И. Давыденко, A.A. Иванов, B.B. Мишагин, Р. Улеман Б. Швеер. Многощелевая четырехэлектродная ионно-оптическая систе? для формирования диагностического пучка быстрых атомов. // Препри] ИЯФ 2012-6.

6. A. Listopad, J. Coenen, V. Davydenko, A. Ivanov, V. Mishagin, V. Savkin, ] Schweer, G. Shul'zhenko, R. Uhlemann. Use of the focusing multi-slit i( optical system at RUssian Diagnostic Injector (RUDI). // Rev. Sci. Instrun Vol. 83, Issue 2, 02B707 (Feb, 2012); ISSN: 1089-7623.

ЛИСТОПАД Александр Алексеевич

Диагностический атомарный инжектор с многощелевой системой формирования пучка

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Сдано в набор 23.04.2012 г. Подписано в печать 24.04.2012 г. Формат 60x90 1/16 Объем 0.8 печ.л., 0.7 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 9_

Обработано на РС и отпечатано на ротапринте «ИЯФ им. Г.И. Будкера» СО РАН, Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

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.

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

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

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.