Формирование многоамперных ионных пучков для нагрева плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ им. Г.И. Будкера СО РАН

На правах рукописи

МОРОЗОВ Иван Иванович ^ —-------^

ФОРМИРОВАНИЕ МНОГОАМПЕРНЬЧ ИОННЫХ ПУЧКОВ ДЛЯ НАГРЕВА ПЛАЗМЫ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК—1995

Работа выполнена в ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН".

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Димов — член-корреспондент РАН, ГНЦ РФ

Геннадий Иванович "Институт ядерной физики

им. Г.И. Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Дудников — доктор физико-математических наук,

Вадим Георгиевич профессор, ГНЦ РФ "Институт ядерной

физики им. Г.И.Будкера СО РАН", г. Новосибирск.

Тилинин — кандидат физико-математических наук,

Геннадий Никифорович РНЦ " Курчатовский институт",

г. Москва.

ВЕДУЩАЯ — Институт автоматики и электрометрии

ОРГАНИЗАЦИЯ: СО РАН, г. Новосибирск.

Защита диссертации состоится " Ю " ¿¿1? 1995 г.

в " / 6 часов на заседании специализированного совета Д.002.24.02 при ГНЦ РФ "Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН".

Адрес: 630090, г. Новоснбирск-90,

проспект академика Лаврентьева, 11.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН".

Автореферат разослан " ^ " _ 1995 г:

Ученый секретарь

специализированного совета Д.002.24.02,

академик

Б.В. Чириков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Инжекция многоамперных пучков быстрых

атомов изотопов водорода с энергией несколько десятков килоэлектронвольт в настоящее время является одним из основных способов создания и нагрева плазмы в магнитных ловушках. Основной способ получения пучков атомов с такими энергиями состоит в перезарядке пучка положительных ионов на газовой или парометаллнческон мишени. Для электростатического формирования и ускорения многоамперного пучка нонов необходимо сформировать пространственно однородную плазменную поверхность с высокой временной стабильностью. Интенсивные ионные и атомные пучки используются для различных других физических экспериментов и технологических исследований.

Основу настоящей работы составляют экспериментальные результаты но генерации низкотемпературных плазменных потоков, формированию из них однородной плазменной эмиссионной поверхности и извлечению из нее и фокусировке многоамперного квазистационарного пучка ионов.

Основные цели работы:

— дальнейшее развитие работ по созданию многоамперных газоразрядных дуговых квазистационарных и импульсных генераторов плазмы с холодным катодом;

— исследования способов формирования однородной эмиссионной плазменной поверхности из бесстолкновительных плазменных струй;

— получения интенсивных импульсных и квазистационарных протяженных пучков ионов.

Научная новизна и значимость работы. В работе изучены процессы, происходящие в генераторах плазмы с холодным катодом и маг-нитноизолированным анодом.

Обнаружено повышение потока плазмы, выходящего из генератора, прп увеличении магнитного поля в прианодной области.

Найдена область устойчивой генерации плазмы в зависимости от тока разряда и величины прианодного магнитного поля.

Изучено формирование однородной эмиссионной поверхности из плазменных струй при помощи периферийного магнитного поля и быстро спадающего магнитного поля.

Найдены и экспериментально реализованы конфигурации магнитного поля, выводящие на однородную эмиссионную поверхность до 50% плазмы, вышедшей из генераторов при плотности потока плазмы до 1 А/см2.

Исследована стабилизация тепловой неустойчивости электродов круглого сечения многоапертурнон ионно-оптической системы для формировании мощного квазистационарного ионного пучка.

Изучена возможность геометрической фокусировки пучка.

Практическая ценность работы. На основе проведенных исследований изготовлены и испытаны мощные импульсные и квазистационарные ионные источники для нагрева плазмы в открытых ловушках и для экспериментов по взаимодействию мощных ионных потоков с твердым телом.

Апробация работы. Работы, положенные в основу диссертации, докладывались и обсуждались: на Всесоюзных и Международных семинарах по физике и технике интенсивных источников ионов и ионных пучков (Киев, 1980, 1981, 1983, 1984, 1988, 1989, 1990, 1991, 1992 гг.); на Всесоюзных конференциях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу (Звенигород, 1980, 1982, 1993 гг.); на Всесоюзной конференции по физике низкотемпературной плазмы (Ленинград, 1983 г.); на Всесоюзной конференции по плазменным ускорителям и ионным инжекторам (Днепропетровск, 1986 г.); на Международной конференции по ионным источникам (Беркли, США, 1989).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Текст диссертации изложен на 97 страницах, включая 51 рисунок и 2 таблицы. Список литературы содержит 63 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко обосновывается актуальность темы и дается обзор структуры диссертации.

В первую главу включены результаты работ по исследованию газоразрядных дуговых генераторов низкотемпературной плазмы с холодным катодом и магнитной изоляцией прианодной области.

В §1.1 приведены исследования импульсного генератора плазмы. Показано, что применение магнитной изоляции прианодной области дугового разряда позволяет при фиксированной мощности, вкладываемой в разряд, увеличить поток выходящей плазмы в несколько раз. Экспериментально найдена область токов разряда н напряженности магнитного поля, в которой устойчив выход плазмы из генератора.

В §1.2 описываются исследования квазистационарного генератора плазмы с холодным катодом и магнитной изоляцией анода. Изучена долговечность л газовая эффективность таких генераторов плазмы, способных производить потоки плазмы до 75 Л с газовой эффективностью до 95%. Продемонстрирована возможность, в случае необходимости, получать большие потоки плазмы, собирать блоки из нескольких генераторов плазмы.

В §1.3 описываются исследования бесстолкновитсльной плазменной струн, выходящей из генератора плазмы.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию и численному моделированию формирования однородной плазменной эмиссионной поверхности из бесстолкновительных плазменных струй, выходящих из генераторов плазмы.

Первый параграф главы посвящен описанию эксперимента по формированию однородной эмиссионной поверхности при помощи мульти-полыюй магнитной стенки. Приведена конфигурация магнитной стенки, позволяющая выводить на однородную эмиссионную поверхность при магнитном поле в линейных каснопых щелях 4,2 кЭ до 40% от потока плазмы, вышедшей из генератора. Экспериментально измерены потери плазмы через боковую поверхность стенки при таком способе формирования эмиссионной поверхности.

В §2.2 излагаются результаты экспериментальных работ по исследованию и формированию однородного потока плазмы при помощи тороидальной магнитной стенки. Описан метод моделирования взаимодействия бесстолкновнтельного плазменного потока с периферийным магнитным полем. Приводится сравнение экспериментальных результатов и численных расчетов. Проводится анализ потерь плазменного потока.

Продемонстрирована возможность выводить до 50% плазмы, вышедшей из генератора на однородную эмиссионную поверхность при магнитном поле в магнитной стенке до 600 Э.

В §2.3 для формирования однородного потока плазмы предложена конфигурация магнитного поля с напряженностью, быстро спадающей при удалении от генератора плазмы. Показано, что такая конфигурация магнитного поля собирает ноны на ограниченной поверхности. Путем численного моделирования найдены условия, при которых плотность потока плазмы достаточно однородна. Приведены результаты экспериментальной проверки численной модели. Продемонстрирована возможность выводить до 50% потока плазмы, вышедшей из генератора, на однородную эмиссионную поверхность при магнитном поле, спадающем обратно пропорционально квадрату расстояния, от генератора плазмы.

Третья глава посвящена исследованию четырехэлектродной нонно-оптической системы для ускорения и фокусировки ионов извлекаемых из плазмы.

В первом параграфе изложен принцип работы многоапертурной четырехэлектродной ионно-оптнческой системы, экспериментально продемонстрирована возможность геометрической фокусировки мощного квазистационарного протонного пучка.

Во втором параграфе проанализированы причины возникновения и предложен способ устранения тепловой неустойчивости проволочных электродов в ионно-оптических системах, служащих для формирования многоамперных квазистационарных ионных пучков.

В четвертой главе приведены описания мегаваттных ионных источников, разработанных на основании проведенных исследований.

В §4.1 дано описание конструкции квазистацнонарного ионного источника ИК-50 для атомарных инжекторов амбиполярной ловушки АМБАЛ-М, дающего пучок дейтонов с током 50 А при энергии 30 кэВ и длительности импульса 0,1 с. Применение фокусирующей ионно-оптической системы позволяет устанавливать источник на расстоянии 4 м от центра пробкотрона, в который производится инжекция, при размере пучка в области нагреваемой плазмы меньше 30 см.

В §4.2 описана конструкция импульсного ионного источника СТАРТ-3, разработанного для исследования взаимодействия мощных ионных потоков с полупроводниковыми материалами Этот источник производит пучки ионов неагрессивных газов с токами до 80 А (для водорода), при энергии до 20 кэВ и длительности импульса 1,2 мс.

В заключении перечислены основные результаты, представленные в настоящей диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:

1. Изучены процессы, происходящие в генераторах плазмы с холодным ка тодом и магнитноичолированным анодом. Обнаружено повышение потока плазмы, выходящего из генератора, при увеличении магнитного поля в прианодной области.

2. Найдена область устойчивой работы генератора плазмы в зависимости от тока разряда и величины прианодного магнитного поля. Полный поток выходящей из генератора водородной плазмы достигает 150 А.

3. Изучено формирование однородной эмиссионной поверхности из плазменной струн при помощи периферийного магнитного поля и быстро спадающего магнитного поля. Найдены и экспериментально реализованы конфигурации магнитного поля, выводящие на однородную эмиссионную поверхность до 50% потока плазмы, вышедшей из генераторов.

1. Разработана многоаиертурная ионно-онтическая система со стабилизацией тепловой неустойчивости электродов круглого сечения и геометрической фокусировкой пучка для формирования мощного квазпстаиио-нарного ионного пучка. Изучен профиль распределения плотности потока мощного квазистационарного пучка ионов водорода.

5. Па основе произведенных исследований изготовлены и испытаны мощные импульсные ионные источники с током пучка до 80 А, с энергией ионов 20 кэВ и квазнстационарныс ионные источники с током пучка до ■30 А, с энергией ионов 30 кэВ, предназначенные для нагрева плазмы в открытых ловушках п для экспериментов по взаимодействию мощных ионных потоков с твердым телом.

Основные результаты диссертации содержатся в следующих работах:

1. Морозов И.Л., Росляков Г.В. Квазистационарный плазменный эмиттер протонов. - В кн.: Тез. докл. 6-й Всесоюзной конф. по физике низкотемпературной плазмы, Ленинград, 1983, Л:, 1983, с.411-413.

2. Давыденко В.И., Димов Г.И., Морозов И.И., Росляков Г.В. Многоамперный импульсный источник протонов. - ЖТФ, 1983, т.53, в.2, с.258-263.

3. Давыденко В.И., Димов Р.И., Морозов И.И., Росляков Г.В., Сав-кин В. Я. Многоамперный шнрокоапертурный импульсный ионный источник СТАРТ-3 - В сб. Тез. докл. 6-й Всесоюзной конф. по плазменным ускорителям и ионным инжекторам, Днепропетровск, 1986, С.97.

4. Давыденко В.И., Морозов И.И., Росляков Г.В., Савкин В.Я. Протонный источник инжектора атомов установки АМБАЛ. - ПТЭ, 1986, N6, с.39.

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

6. Давыденко В.И., Димов Г.И., Морозов И.И., Савкин В.Я. Развитие ионных источников для инжекторов АМБАЛ-М Новосибирск, 1989, 17 с. Препринт ИЯФ СО АН СССР 89-163

7. Dimov G.I., Morozov I.I. "50 A Ion Source IK-50 for AMBAL-M Device." - Rev. Sei. Instrum., 1990, N 1(11), p.401-402.