Интенсивные сфокусированные пучки быстрых атомов для активной корпускулярной диагностики плазмы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.20 ВАК РФ

На правах рукописи

ДАВЫДЕНКО Владимир Иванович

ИНТЕНСИВНЫЕ СФОКУСИРОВАННЫЕ ПУЧКИ

БЫСТРЫХ АТОМОВ ДЛЯ АКТИВНОЙ КОРПУСКУЛЯРНОЙ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ

01.04.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

НОВОСИБИРСК - 2006

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ: :

Иванов — доктор физико-математических наук,

Александр Александрович Институт ядерной физики

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

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Диканский - доктор физико-математических наук,

Николай Сергеевич профессор, член-корреспондент РАН,

Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, г. Новосибирск.

Кисляков - доктор физико-математических наук,

Анатолий Иосифович Физико-технический институт

им. А.Ф. Иоффе РАН, г. Санкт-Петербург. Красильников — доктор физико-математических наук,

Анатолий Витальевич ГНЦ РФ "Троицкий институт

инновационных и термоядерных исследований", г. Троицк. ВЕДУЩАЯ - Институт ядерного синтеза

ОРГАНИЗАЦИЯ РНЦ "Курчатовский Институт",

г. Москва.

Защита диссертации состоится « Л

» н -Л 2006 г.

в « Ю » часов на заседании диссертационного совета Д.003.016.01 Института ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН.

Адрес: 630090, Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 11.

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

Автореферат разослан: « (Л » —&—£_2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук

А.А. Иванов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Исследования по магнитному удержанию высокотемпературной плазмы проводятся во многих ведущих лабораториях мира и достигли значительных успехов. В настоящее ¡время на больших токамаках ШТ и ТГ-60 достигнуты условия зажигания термоядерной реакции и решен вопрос о строительстве международного токамака реактора ИТЕР. При этом также продолжаются интенсивные экспериментальные исследования поведения плазмы на токамаках средних размеров, стеллараторах, пинчах с обращенным полем, сферомаках, открытых ловушках. Для детального изучения поведения плазмы в магнитных ловушках используют множество диагностических методов. Среди этих методов можно выделить методы активной корпускулярной диагностики, основанные на применении специальных пучков быстрых атомов. При использовании этих методов параметры плазмы определяются в результате изучения взаимодействия атомов диагностического пучка с плазмой. Методы активной корпускулярной диагностики позволяют надежно определять локальные параметры плазмы и в течение последних десятилетий интенсивно развиваются. Для обеспечения методов активной корпускулярной диагностики нужны специализированные прецизионные пучки быстрых атомов с энергией в диапазоне 10 - 80 кэВ. Такие пучки получают перезарядным методом. В ионном источнике диагностического инжектора многоапертурная ионно-оптическая система формирует ионный пучок с током в несколько ампер с поверхности плазменного эмиттера. Затем пучок перезаряжается в атомы в газовой перезарядной мишени. Такая схема формирования используется также в мощных инжекторах пучков быстрых атомов для нагрева плазмы. Однако в диагностических инжекторах для получения более узкого пучка часто требуется фокусировка пучка с минимально возможной угловой расходимостью. Весьма часто в эксперименте также требуется модуляция диагностического пучка и высокая стабильность энергии атомов. Этими требованиями , определяется специфика диагностических инжекторов. . Инжекция пучков быстрых атомов водорода является одним из основных методов нагрева и создания плазмы в магнитных ловушках. Обычно инжекторы формируют пучки быстрых атомов с энергией

20 - 100 кэВ, потоком атомов 20 - 80 А, поперечными размерами пучка ~10 - 30 см. Однако для инжекции в плазму малых размеров или для ввода пучка через малое входное отверстие в вакуумной камере требуются сфокусированные мощные пучки быстрых атомов с поперечными размерами в несколько сантиметров.

Интенсивные пучки ионов и атомов с высокой яркостью необходимы для. инжекции в ускорительные комплексы. Отдельным применением пучков атомов водорода с высокой яркостью является их ин-! секция в источники поляризованных ионов с оптической накачкой.

; Интенсивные сфокусированные пучки быстрых ионов и атомов могут быть также использованы для проведения экспериментов по импульсному' ионному термоядерному синтезу, исследований по Атомной'физике и технологических применений.

>'!-' Основными целями работы являлись следующие: !

• Получение интенсивных пучков высокой, яркости с геометрической фокусировкой. : , ' -

• Выбор и исследование ионно-огггической системы для формирования диагностических пучков с большой длительностью импульса." ,. ^ . ••.,,■,. ■..:,,■■,.■. ■■■ -:.'■ ' V •• '■■■' '

• Разработка ионно-рптических систем: с геометрической фокусировкой пучкадля диагностических и нагревньгх инжекторов.

• Применение полученных геометрически сфокусированных пучков быстрых атомов для обеспечения современных методов активной корпускулярной Диагностики плазмы. ' ;

• Изучение способов получения субмикросекундных диагностических пунков быстрых атомов. ■ ..''...

• Изучение транспортировки сфокусированного пучка атомов водот рода высокой яркости, инжектируемого в источник поляризован-щах ионов с оптической накачкой. :<

Научная новизна работы. Основные результаты, взносимые на защиту

Предложен и исследован метод получения геометрически сфокусированных пучков высокой яркости, основанный на использовании плазменного эмиттера с малой поперечной температурой ионов, образованного расширяющейся плазменной струей, .и рщимздьном.формировании пучка • многоаперЧурной ионно-опггической системой ; с возрастающими по радиусу зазорами. . ,! V

и'.-! '*'" • -1 ■ 2 " '"

, Для формирования диагностических пучков с большой длительностью предложена многоапертурная четырехэлектродная .ионнот. оптическая система с электродами повышенной толщины, ограничивающими прирост температуры за счет теплоемкости. Исследованы ионно-оптические характеристики предложенной системы, изучено термомеханическое поведение электродов.

Разработана серия ионно-оптических систем с геометрической фокусировкой пучка для диагностических и пагревных инжекторов; Ч ...',.• Впервые получены импульсные геометрически сфокусированные диагностические пучки быстрых атомов с плотностью потока в фокусе до 0.3 А/см2 и квазистационарные с длительностью до 10 с. Полученные диагностические пучки быстрых атомов использованы для проведения ряда уникальных измерений методами активной корпускулярной диагностики на установках MST, ГДД, TEXTOR.

- Предложен и экспериментально исследован метод получения суб-микросекундных ¡диагностических пучков быстрых атомов за счет модуляции плазменного эмиттера сеточным электродом.

. Экспериментально - изучена транспортировка сфокусированного пучка атомов водорода, инжектируемого в источник поляризованных ионов с оптической накачкой. В результате инжекции- пучка достигнута рекордная величина тока поляризованных ионов II". : .

¡ Научная и практическая ценность работы

Полученные сфокусированные диагностические пучки быстрых атомов используются для активной корпускулярной диагностики плазмы на токамаках Т-10, TEXTOR, TGV, стеллараторе TJ-II, газодинамической ловушке ГДЛ, пинчах с обращенным полем MST . и RFX и будут использованы на других магнитных ловушках.

Подученные интенсивные сфокусированные пучки быстрых атомов применяются для нагрева плазмы на пинче с обращенным полем MST и газодйнамической ловушке ГДЛ и вследствие мапого входного диаметра- представляют интерес для инжекции, в пинчи с обращенным полем, сферомаки, сферические токамаки. •

, Результаты ' проведенных экспериментов по инжекции сфокусированного пучка высокой яркости в источник поляризованных ионов с оптической накачкой подтверждают возможность разработки источника' пучка поляризованных ионов Н"; для инжекции в современные большие ускорители: . •

Полученные пучки быстрых атомов могут быть использованы в экспериментах по атомной физике и для материаловедческих исследований.

Результаты проведенных исследований могут быть применены для получения сфокусированных пучков ионов и атомов с другими параметрами.

Апробация диссертации

Результаты работы представлялись автором на семинарах Института ядерной физики СО РАН, Института физики плазмы Исследовательского центра Юлих (Германия, 1998), Отдела физики плазмы Висконсинского университета (Мэдисон, США, 1997), Циклотронного отдела Канадской национальной мезонной фабрики ТШИМР (Ванкувер, 1997). ; /

Основные результаты работы докладывались на Международных конференциях по ионным источникам (Беркли, США, 1989; Вистлер, Канада, 1995; Дубна, Россия, 2003), Международных конференциях по диагностике высокотемпературной плазмы (Принстон, США, 1998; Таксон, США, 2000), Международной конференции МАГАТЭ (Лион, Франция, 2002), Международных конференциях по явлениям в ионизированных газах (Варшава, Польша, 1999; Нагоя, Япония, 2001; Грасвальд, Германия, 2003), Международной конференции по оптике заряженных частиц (Дельфт, Голландия, 1998), Международной конференции по открытым магнитным системам для удержания плазмы (Новосибирск, 1998), Международной Токи Конференции по физике плазмы и управляемому ядерному синтезу (Токи, Гифу, Япония, 2000), Международной конференции по диагностике для магнитного и инерциального синтеза (Варенна, Италия, 2001), Международных симпозиумах по термоядерным технологиям (Карлсруэ, Германия, 1994; Марсель, Франция, 1998), Конференциях отделения физики плазмы американского физического общества (Миннеаполис, США, 1994; Сиэттл, США, 1999; Квебек, Канада, 2000; Лонг Бич, Калифорния, США, 2001), Конференции германского физического общества (Аахен, Германия, 2.003), Международном совещании по поляризованным газовым мишеням и поляризованным пучкам (Урбана, Иллинойс, США, 1997), Международном совещания по поляризованным протонам высокой энергии (Гамбург, Германия, 1999), Европейском совещании по пучкам быстрых атомов (Юлих, Германия, 2001), Аме-риканско-японском совещании по поляризационной спектроскопии плазмы (Ливермор, США, 2001), Совещании по диагностике высоко' 4

температурной плазмы (Санкт-Петербург, 1997), Звенигородских конференциях по физике плазмы и УТС (1997-2004). Основные результаты диссертации представлены в 39 публикациях, их них 22 являются статьями в . ведущих международных и отечественных реферируемых журналах - Review of Scientific Instruments, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Plasma Physics and Controlled Fusion, Journal of Plasma Physics and Fusion Research, Transaction of Fusion Technology, Физика Плазмы, Приборы и Техника Эксперимента, Вопросы Атомной Науки и Техники.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из Введения, восьми глав, разбитых на параграфы, и Заключения. Текст диссертации содержит 160 страниц, 77 рисунков и 2 таблицы. Список литературы содержит 105 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность работы, приведен сжатый обзор развития диагностических инжекторов пучков быстрых атомов в Институте ядерной физики СО РАН и других лабораториях, представлено краткое описание каждой из глав диссертационной работы.

В первой главе 'приведен обзор современных методов активной корпускулярной диагностики плазмы и сформулированы требования к параметрам диагностических пучков быстрых атомов.

В §1.1 рассмотрено проникновение инжектируемых быстрых атомов в плазму магнитных ловушек. В современных больших токамаках ослабление инжектируемых пучков является существенным и для диагностики следует использовать пучки атомов водорода с энергией 50-80 кэВ.

В представленном в §1.2 методе искусственной мишени диагностический пучок используется для создания локальной мишени из быстрых атомов, на которых происходит перезарядка ионов плазмы. Образующиеся атомы перезарядки частично выходят из плазмы. Энергетический спектр атомов, перезарядившихся на локальной искусственной мишени, позволяет определить ионную температуру. Применение искусственной мишени требует повышенной плотности пучка быстрых атомов для выделения активного сигнала на фоне излучения плазмы. Фоновый сигнал атомов перезарядки определяется проникновением франк-кондоновских атомов с периферии плазмы. Для экспериментов с искусственной мишенью в токамаках требуются

5

пучки, атомов водорода с эквивалентной плотностью потока 0.1 -г 1 А/см2, энергией 30 - 50 кэВ, малым поперечным размером (несколько сантиметров) и полным потоком 1 — 10 А. Использование модуляции диагностического пучка позволяет отследить динамику фонового сигнала, в результате чего предельное отношение сигнал-шум может быть снижено и, следовательно, уменьшена требуемая величина плотности потока атомов пучка.

В основе метода резерфордовского рассеяния (§1.3) лежит измерение спектра энергий атомов пучка, рассеянных на ионах плазмы на малый угол, что позволяет определить локальную ионную температуру." Угловая и энергетическая зависимость сечения рассеяния атомов пучка близка к зависимости рез'ерфордовского сечения Ъг = сая , где с — вероятность рассеяния в виде'Ътома. Сечение стЛ ~ 'Э-4 и резко падает с увеличением угла в то время, как пространственное разрешение улучшается /Л ~ где й — ширина пучка. Поэтому следует выбрать некоторый оптимальный угол рассеяния, который обычно близок к 10е?. Выбор энергии атомов диагностического пучка также является результатом некоторого компромисса. Малая энергия предпочтительна тем, что <уа ~ Е^2, но, с другой стороны, энергия атомов пучка должна быть достаточной для проникновения пучка в плазму. Для токамаков средних размеров оптимальной является энергия Еь ~ 30 - 40 кэВ, для большинства открытых ловушек достаточно иметь я 10 - 20 кэВ. Энергетический разброс и расходимость пучка быстрых атомов должны быть достаточно малыми ДЕь <0.5 кэВ, 50 < 1 ° для 7} = 1 кэВ, Еь = 40 кэВ, 9=10°.

, В §1.4 обсуждается ситуация с многохордовым ослаблением пучка. При использовании пучка с достаточно большой плотностью потока регистрирующая аппаратура может быть довольно простой. Достоинством метода является слабая чувствительность величины ослабления пучка к флуктуациям параметров плазмы. Одним из факторов, затрудняющих применение этого метода, является присутствие в плазме примесей, в результате чего электронная плотность превышает ионную. В то же время, метод многохордового зондирования является адекватным для применения в открытых ловушках.

В §1.5 "рассмотрены методы пучковой спектроскопии, в которых используется регистрация оптического излучения, образующегося в результате взаимодействия атомов пучка с частицами плазмы. Достоинствами применения оптической регистрации являются отсутствие

ослабления выходящего излучения, возможность применения фокусирующей оптики и световодов, использование многоканальных спектрометров высокого разрешения, регистрация полученных спектров с помощью матриц приборов с зарядовой связью (ПЗС матриц).

Для определения температуры ионов плазмы используется допле-ровское уширение линии На, испускаемой возбужденными атомами, образовавшимися при перезарядке ионов плазмы на атомах пучка. В этом случае определяется температура основной части ионов, а не высокоэнергетических "хвостов". Из-за фонового излучения линии На с периферии плазмы для уверенного выделения сигнала требуемая плотность потока атомов в плазме должна составлять 10"' - 1СГ2 Л/см2. Регистрация пространственного профиля доплеровски сдвинутой линии На , испускаемой возбужденными атомами инжектируемого водородного пучка, позволяет определить профиль плотности плазмы.

Инжекция диагностических пучков быстрых атомов водорода широко используется для определения концентрации примесей в плазме, значительную часть которых составляют легкие элементы (углерод, кислород). Основным процессом при взаимодействии инжектированных атомов водорода с многозарядными ионами I" является перезарядка: I" +Н-> + Н+ . Электроны захватываются на возбужденные уровни образующегося иона меньшей зарядности и распад возбужденных состояний приводит к излучению характеристических линий иона . При перезарядке на полностью ободранных ионах образуются водородоподобные ионы в возбужденном состоянии. Процесс перезарядки на пучке атомов водорода с энергией 25 — 100 кэВ приводит к преимущественному заселению состояний с

главными квантовыми числами nopt »Z3/4 . Полное сечение перезарядки в этом случае достаточно велико. Таким образом, наблюдая излучение характеристических линий примесей, излучаемое в плазме вдоль пучка быстрых атомов можно определить локальную плотность полностью ободранных примесей. Для наблюдения можно использовать ряд интенсивно излучаемых характеристических линий, лежащих в Диапазонах вакуумного ультрафиолета и мягкого рентгена. В последнее время для пучковой спектроскопии примесей (Charge Exchange Recombination Spectroscopy - CXRS, CHERS) интенсивно используются оптические переходы, лежащие в области п > пор,.

Другим важным применением пучковой спектроскопии примесей

является определение температуры ионов примесей по доплеровской ширине возбуждаемых линий. Скорость кулоновской релаксации находящихся в плазме ионов примесей в Z2/~Jm быстрее скорости релаксации водородных ионов, поэтому ионы полностью ободранных примесей являются подходящими пробными частицами и заведомо имеют усредненную температуру ионов плазмы.

Измерение расщепления спектральных линий быстрых атомов водорода вследствие динамического эффекта Штарка (Motional Stark Effect — MSE) широко используется для определения магнитного поля. Идея метода состоит в том, что в движущейся системе отсчета

v

атома появляется электрическое поле Е = — В . При использовании

с

диагностического пучка атомов водорода с малым разбросом скоростей вдоль линии наблюдения можно разрешить отдельные спектральные линии мультиплета и определить магнитное поле из расстояния между ними. При более грубом разрешении для определения магнитного поля требуется сравнение измеренного контура линии с расчетным контуром.

Для применений рассмотренных пучково-спектроскопических методов в современных магнитных ловушках нужны пучки атомов водорода с энергией 30 - 60 кэВ, плотностью потока 0.01 - 0.1 А/см2, угловой расходимостью на уровне 1°, поперечным размером в плазме 2 - 10 см и полным потоком 1 - 5 А.

Во второй главе описаны подходы к формированию интенсивных пучков высокой яркости.

В §2.1 описывается плазменный эмиттер с малой поперечной ионной температурой, образованный плазменной струей, расширяющейся из анодного отверстия дугового генератора плазмы. Расширение плазменной струи сопровождается снижением поперечной, температуры ионов и ростом продольной энергии за счет, ускорения в амби-полярном поле плазмы. Рассмотрена модель поведения ионов в расширяющейся струе. В первом приближении предполагается, что начиная с некоторого расстояния расстояния от анода течение ионов становится бесстолкновительным, то есть ионы движутся по прямолинейным траекториям. При этом в плоскости плазменного электрода системы формирования создается ионный поток, имеющий регулярную радиальную расходимость с тепловым разбросом, снижающимся обратно пропорционально расстоянию до анода. В следующем приближении учтены кулоновские столкновения ионов в расширяющем-

ся потоке. В этом случае ионы расширяются адиабатически и, показано, ч^о температура ионов уменьшается по мере расширения плазменной струи. Экспериментально полученное значение поперечной ионной температуры 0.2 эВ подтверждает эффективное охлаждение ионов в расширяющейся плазменной струе.

В §2.2 рассмотрено формирование сфокусированного ионного пучка высокой яркости ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами! Такая ионно-оптическая система обеспечивает согласованное формирование интенсивного .ионного пучка из радиально неоднородного плазменного эмиттера,' образованного расширяющейся плазменной струей (рис. 1)! Т1оказано, /что для оптимального формирования протонного пучка из плазменной струи. С известным колоколообразным распределением плотности тока протонов в соответствии с законом «трех вторых» требуется возрастание зазоров ионно-оптической системы с радиусом по закону

( „2 N : ' "■ ' ''

¿(г) = «/0 1 + -

где £?0 - величина зазора нг£ оси, 2 — расстояние от

Ч ^ / анода до плазменного электрода.

, г П II

::>::: п и

Рис. 1. Формирование пучка из плазменного эмиттера, образованного расширяющейся плазменной струей.

Из приведенной зависимости следует, что оптимальное формирование пучка должно производиться ионно-оптической системой со сферически изогнутыми электродами.

В случае сферически изогнутых электродов наиболее целесообразно использовать круглые отверстия в качестве отдельных апертур. Для достижения минимальной угловой расходимости сформированного элементарного пучка следует использовать четырехэлектродную ионно-оптическую систему. Обычно применяется четырехэлектрод-ная система, в которой пучок движется параллельно оси. Однако в

нашем случае формирование пучка является принципиально трехмерным вследствие взаимного наклона электродов из-за разных радиусов кривизны. Трехмерность системы приводит к некоторому отклонению пучка при его формировании в элементарной ячейке. Это угловое отклонение необходимо учитывать при определении фокусного расстояния пучка, сформированного ионно-оптической системой.

Рассмотрено отклонение элементарного пучка в отдельной ячейке четырехэлектродной ионно-оптической системы под действием разного наклона электродов, начальной поперечной скорости ионов плазменного эмштера и расположения осей элементарных ячеек параллельно оси пучка. В результате учета перечисленных факторов получены выражения для фокусных расстояний для двух используемых вариантов четырехэлектродных ионно-оптических систем. В конце параграфа представлены результаты трехмерных численных расчетов формирования элементарного пучка в ионно-оптической системе с расширяющимися по радиусу зазорами.

Третья глава содержит результаты исследований ионно-оптической системы с "толстыми" электродами, предложенной для формирования пучков большой длительности в представленном далее диагностическом инжекторе RUDI (RUssian Diagnostic Injector). Значительная толщина электродов обеспечивает достаточно большую теплоемкость, в результате чего прирост температуры электрода за время работы инжектора остается на приемлимом уровне. В главе рассматриваются вопросы численной оптимизации геометрии элементарной ячейки, поведения электродов ионно-оптической системы при нагреве и прецизионной геометрической фокусировки сформированного пучка быстрых атомов.

Необходимость проведенной в § 3.1 численной оптимизации связана с тем, что при длине отверстий в электродах, сравнимой с диаметром, действие фокусирующих поперечных электрических полей электродов на частицы пучка ослабляется. Это приводит к появлению дополнительной поперечной скорости у ионов и увеличению поперечного размера элементарного пучка под действием поля пространственного заряда. Численное моделирование производилось с использованием компьютерного кода AXCEL. На рис. 2 приведены геометрия электродов, напряжения на них и траектории ионов в оптимизированном варианте ионно-оптической системы. Эмиссионная плотность тока в этом варианте составляла 100 мА/см2 , содержание водородных ионов в пучке: Н+ -90%, 5%, Hj - 5%, потенциал плаз-

мы 10 В, ионная температура - 0.1 эВ. В принятом варианте для обеспечения прецизионного формирования пучка на начальной стадии на выходной стороне плазменного электрода имеется конический срез с углом 60°, близким к углу Пирса. Для предотвращения попадания ионов на вытягивающий электрод в выходной части отверстие в нем имеет коническое расширение. Возрастание диаметра пучка при прохождении вытягивающего электрода объясняется действием поперечного электрического поля пространственного заряда.

1ЛГй&СЫ 3.4Э рэюгшапнгя/ваогурх*

ССМШГТГ 5Й«< I rA.tf.SOS.5yp Ю.~Г, 5

Рис. 2. Траектории ионов в оптимизированном варианте ионно-оптической системы.

Из полученной диаграммы эмиттанса элементарного пучка на выходе из ионно-огггической системы следует, что угловой разброс сформированного пучка имеет величину меньше 0.6°. С целью выяснения необходимой точности поддержания рабочих параметров ионно-оптической системы в результате ряда расчетов были получены V-образные зависимости угловой расходимости от эмиссионной плотности тока и напряжения на вытягивающем электроде.

Расчеты показали, что увеличение толщины ускоряющего электрода дает заметный благоприятный эффект, позволяя снизить величину прикладываемого к нему отрицательного напряжения до 200 В, необходимого для запирания электронов вторичной плазмы от попадания в ионно-оптическую систему.

В § 3.2 рассмотрены тепловые деформации и термомеханическая

устойчивость ионно-оптической системы с "толстыми" электродами. Использование периферийного охлаждения приводит к появлению в электродах значительных радиальных температурных градиентов. Соответствующие термомеханические напряжения могут вызывать заметные радиальные и продольные смещения электродов и изменения зазоров в iioHHö-бптической системе. Эти смещения могут изменять формирование пучка ионно-оптической системой, поэтому требуется определить величины смещений в зависимости от тепловых нагрузок. Другой приципиально важный вопрос состоит в определении порога неустойчивости резкого прогиба электродов, приводящей к значительным изгибам электродов и недопустимо большим изменениям зазора между ними.

В расчетах температуры и механических напряжений электродов использовалась упрощенная модель, в которой принято, что толщина электрода в области формирования пучка, такая же, как и на периферии, но его локальная теплопроводность, удельная теплоемкость и модуль упругости меньше, чем на периферии. Это предположение обосновывается величиной прозрачности электродов - 58%.

При оптимальном формировании пучка большинство ускоряемых в элементарных ячейках ионов не сталкивается с электродами, и основной их нагрев осуществляется вторичными частицами. Для ионно-оптической системы диагностического инжектора RUDI удельная мощность нагрева электродов составляет ~12 Вт/см2.

Радиальный профиль температуры электрода был получен численным решением уравнения теплопроводности. За время импульса формирования пучка длительностью 10 с прирост температуры в центре электрода составляет 260 °С, а прирост температуры на краю области формирования пучка составляет 60 °С .

Радиальные смещения и упругие напряжения электрода определялись из найденного профиля термоупругого потенциала Т,

удовлетворяющего уравнению: A4' = (1 + ц)а Г, где а - коэффициент

■ л

теплового расширения, Т = Г — Т(, где T-t — начальная температура и ц-коэффициент Пуассона. На рис. 3 приведены распределения по радиусу напряжений, возникающих в электроде при максимальном нагреве. >

Расчетная величина осевого смещения в максимуме нагрева для жестко заделанного края электрода составляет 0.14 мм. Полученные значения радиальных и осевых смещений электрода достаточно малы

и почти не сказываются на формировании пучка. Проведенный анализ показывает, что пороговая температура неустойчивости резкого

R, см

Рис. 3. Радиальные профили напряжений электрода.

Величина прогиба опытного образца электрода при нагреве также определялись в специально проведенном эксперименте. Опытный образец импульсно разогревался до 250 °С излучением омически раскаленной вольфрамовой нити. Измеренное максимальное осевое смещение центра электрода составило 0.075 мм. Отличие смещения от расчетного определяется, по-видимому, нежесткой заделкой края электрода.

В § 3.3 рассматриваются вопросы фокусировки диагностического пучка быстрых атомов, состоящего из достаточно большого количества элементарных пучков. Приведены выражения для огибающей сфокусированного пучка и для радиального профиля потока атомов. В фокальной плоскости радиального профиль плотности потока сводит-

j -SKbaFf

ся к следующему выражению j(r, F) = -2——-—-—, где 5а - угловая

яF 5а

расходимость элементарного пучка.

В реальной ситуации плотность потока атомов в фокусе может оказаться меньше ожидаемой вследствие увеличенной усредненной по всем элементарным пучкам угловой расходимости и углового отклонения ряда элементарных пучков.. Рассмотрены возможности достижения прецизионной геометрической фокусировки пучка, связанные с

повышением радиальнои однородности эмиссионной плотности тока, применением квазипирсовских электродов и снижением неточностей радиусов кривизны электродов.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований серии разработанных диагностических инжекторов с геометрической фокусировкой пучка.

В §4.1 приведено описание конструкции и результаты стендовых испытаний инжекторов ДИНА-5Ф,6,7, разработанных для диагностики плазмы в магнитных: ловушках средних размеров. В ионных источниках этих инжекторов используется плазменный эмиттер с малой поперечной ионной температурой, образованный расширяющейся плазменной струей. Оптимальное формирование пучка осуществляется ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами.

Инжектор ДИНА-5Ф (рис. 4) состоит из ионного источника и перезарядной трубки - нейтрализатора. Ионный источник формирует сфокусированный ионный пучок, который затем перезаряжается в атомы в импульсной газовой мишени перезарядной трубки. В ионном источнике плазменный эмитгер создается дуговым генератором плазмы, расположенным на расстоянии 10 см от ионно-оптической системы.

Рис. 4. Ионный источник диагностического инжектора ДИНА-5Ф: 1 - дуговой генератор плазмы, 2 - ионно-оптическая система, 3 - экспандерный объем, 4 - импульсные газовые клапана, 5 - газовые трубки, 6 - корпус.

Многоапертурная четырехэлектродная система со сферическими электродами обеспечивает фокусировку пучка на расстоянии 130 см. Каждый электрод ионно-оптической 'системы имеет 547 отверстий диаметром 2.5 мм. Отверстия образуют гексагональную структуру с шагом 3.2 мм и внешним диаметром 8 см. Электроды изготовлены из молибдена толщиной 0.5 мм. Отверстия в электродах изготавливались методом фототравления. Сферическая'форма электродов задавалась термоштамповкой в вакууме при температуре рекристаллизации молибдена.

Ионный источник водородного инжектора ДИНА-5Ф формирует пучок ионов с энергией 30 кэВ и током 4 А, ионный источник гелиевого инжектора - пучок с энергией 20 кэВ и током 4.5 А. Измеренная угловая расходимость обоих пучков имеет величину 1.6-10~2 рад, плотность потока атомов в фокусе для водородного пучка составляет 210 мА/см2, для гелиевого пучка-300 мА/см2.

Состав водородного пучка измерялся магнитным анализатором, перед которым была установлена обдирочная гелиевая мишень. Измеренное содержание водородных атомов с полной энергией превышает 90%. Такое высокое содержание объясняется значительной плотностью плазмы и, соответственно, высокой скоростью диссоциации молекулярных ионов в области анодного отверстия дугового генератора плазмы.

Диагностический инжектор ДИНА-6 формирует пучок атомов водорода с энергией 30 кэВ и эквивалентным током 1.4 А, инжектор ДИНА-7 - пучок атомов с энергией 40 кэВ и эквивалентным током 0.7 А. Пучок этих инжекторов состоит из серии 20 миллисекундных импульсов с промежутками не короче 15 мс.

Инжекторы ДИНА-6 и ДИНА-7 имеют сходную конструкцию, включающую ионный источник, перезарядную трубку и вакуухмный сорбционный насос с электродуговым распылением титана. В связи с многоимпульсным режимом работы уделялось значительное внимание минимизации напуска в каждом импульсе и повышению скорости откачки.

В инжекторе ДИНА-6 при энергии 30 кэВ ток протонного пучка составил 2.5 А, в инжекторе ДИНА-7 при энергии 40 кэВ ток протонного пучка составил 1.8 А. Полученные профили потока атомов водорода согласуются с расчетными для принятых значений фокусного расстояния 2.5 м и 4 м для инжекторов ДИНА-6 и ДИНА-7 соответственно и угловой расходимости 1.2-Ю-2 рад и 1.5-Ю-2 рад. Измерен-

ные величины плотностей потока атомов в максимуме составляют 49 мА/см2 и 14 мА/см2 для инжекторов ДИНА-6 и ДИНА-7 соответственно.

Представленный в §4.2 диагностический инжектор RUDI с длительностью импульса до 10 с разработан для токамака TEXTOR (Юлих, Германия). Инжектор оборудован расположенными в вакуумной камере водоохлаждаемыми элементами — нейтрализатором, магнитным сепаратором ионов, приемником отклоненных ионов, подвижным калориметром. Вакуумная камера инжектора откачивается

Рис. 5. Ионный источник диагностического инжектора RUDI: 1 - корпус из мягкой стали, 2 - капиллярная газовая трубка, 3 - пермаллоевый экран, 4 -поджиговый электрод, 5 - керамическая стенка, 6 - антенна, 7 - стягивающие стеклотекстолитовые стержни, 8 - алундовые разделители, 9 - трубка нейтрализатора, 10 - ввод воды для охлаждения электродов, 11 - заземленный электрод, 12 - ускоряющий электрод, 13 - вытягивающий электрод, 14 -плазменный электрод, 15 - постоянные магниты, 16 - коаксиальный ввод питания.

Ионный источник инжектора, показанный на рис. 5, состоит из высокочастотного источника плазмы, создающего плазменный эмиттер, и многоапертурной четырехэлектродной ионно-оптической системы. Цилиндрическая часть газоразрядной камеры изготовлена из алундовой керамики. Водород подается в камеру через отверстие в

охлаждаемом водой торцевом медном фланце. Эмиттйрующая плазма в газоразрядной камере создается индукционным высокочастотным разрядом. Внешняя антенна представляет собой шестивигковую катушку. При работе плазменного эмиттера с номинальной плотностью тока ~120 мА/см2 амплигуда высокочастотного напряжения на антенне равна 2.4 кВ, а поглощаемая в разряде мощность составляет около 3 кВт. Зондовые измерения показали, что эмиссионная плотность тока снижается от центра к краю ионно-оптической системы примерно на 20%.

В ионно-оптической системе ионного источника для формирования пучка используются "толстые" электроды, позволяющие избежать значительного прогрева в импульсах длительностью до 10 с. Ионно-оптическая система состоит из четырех электродов с 163 круглыми отверстиями диаметром 4 мм. Отверстия образуют гексагональную структуру с шагом 5 мм. Зазор между плазменным и вытягивающим электродами составляет 2.6 мм, между вытягивающим и ускоряющим - 7 мм и между ускоряющим и заземленным - 1 мм. Вытягивающий и ускоряющий электроды имеют толщину 4 мм, плазменный и заземленный — 2 мм. Электроды изготовлены из хорошо механически обрабатываемого молибдена с добавками титана и циркония. Для обеспечения геометрической фокусировки пучка все электроды имеют заданную термоштамповкой сферическую форму с радиусом кривизны 4 м. В ионно-оптической системе оси всех элементарных ячеек направлены в фокус пучка, что достигается небольшим изменением шага между отверстиями в разных электродах.

Радиальные профили полученного пучка быстрых атомов измерялись на экспериментальном стенде с помощью линейки вторично эмиссионных детекторов и подвижного калориметра, установленных вблизи фокуса пучка на расстоянии 4.1 м от источника. Кроме того, профиль пучка можно было оперативно контролировать при работе инжектора вводимым в пучок сегментированным калориметром, располагавшимся внутри вакуумной камеры инжектора на расстоянии 2.2 м от ионного источника. Экспериментальное значение интегральной угловой расходимости пучка -0.52-0.55° находится в соответствии с результатами численного моделирования формирования пучка в ионно-оптической системе с "толстыми" электродами.

В обычном режиме работы на токамаке TEXTOR ионный источник диагностического инжектора формирует пучок с током 1.7 А, энергией 50 кэВ, длительностью 4 с и интервалом между импульсами 4 ми-

нуты. Также были проведены успешные испытания по увеличению длительности импульса до запланированных 10 с. Л

Измерения состава пучка проводились магнитным масс-анализатором.и оптическим методом по относительной интенсивности допплеровски смещенных линий На компонент пучка. При токе пучка 1.9 А и энергии 50 кэВ соотношение между молекулярными ионами Н*и Щсоставляет, соответственно, 71.5%, 13% и 15.5%. ;■

. Для пучково-эмиссионной спектроскопии на токамаке TGV (Лозанна, Швейцария) разработана и испытана модифицированная версия диагностического инжектора RUDI. Ионный источник этого инжектора формирует пучок ионов водорода с током. 2.7 А, энергией 53 кэВ и длительностью 2 с. Повышение тока пучка Достигнуто за счет увеличения диаметра эмиссионной области с 72 до 87 мм и возрастания количества апертур до 241.

Для применения методов активной пучковой спектроскопии на установке RFX (Падуя, Италия) разработан описанный в §4.3 диагностический инжектор, ионный источник которого формирует пучок водородных ионов с энергией 50 кэВ, током 5 А, длительностью 50 мс. Вследствие относительно небольшой длительности пучка в ионном источнике используется плазменный эмиттер на основе дугового генератора плазмы. Особенностью плазменного эмиттера на основе дугового разряда является применение создаваемого постоянными магнитами периферийного мультипольного магнитного поля. Вследствие отражения периферийной части плазменной струи от мультипольного магнитного поля в области плазменной сетки формируется плазменный эмиттер с достаточной пространственной однородностью.;

Электроды ионно-оптической системы изготовлены методом фототравления из молибдена толщиной 0.7 мм и имеют 421 отверстие диаметром 4 мм. С учетом опыта разработки ионного источника RUDI в данной ионно-оптической системе используется составной ускоряющий электрод, представляющий собой две сетки толщиной 0.7 мм, установленные с зазором 2.1 мм. Увеличение эффективной толщины ускоряющего электрода позволило снизить величину запирающего вторичные электроны отрицательного напряжения с —800 В до-200 В.

Фокусное расстояние пучка равно 4 м, минимальная интегральная

угловая расходимость 0.5° достигается при токе пучка 4.6 А. Величина плотности потока атомов в фокусе ~ 50 мАУсм2.

Дальнейшее развитие диагностических инжекторов представляется следующим. В ионных источниках инжекторов с длительностью импульса в диапазоне 1-10 с следует переходить к плазменному эмиттеру на основе интенсивно охлаждаемого дугового генератора плазмы с полым боридлантановым катодом. При этом повышается содержание протонов в эмитгирующей плазме и, соответственно, атомов водорода с полной энергией в инжектируемом в плазму диагностическом пучке. При использований в качестве эмиттера свободно расширяющейся плазменной струи и формировании пучка ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами вследствие снижения поперечной температуры плазменного эмиттера интегральная угловая расходимость сфокусированного диагностического пучка может быть уменьшена до 0.4 - 0.35°.

При длительности импульса пучка более 10 с следует переходить к электродам ионно-оптической системы, имеющим водяные каналы между апертурами.

В пятой главе приведены результаты по формированию интенсивных сфокусированных пучков быстрых атомов водорода для нагрева плазмы.

Инжекция пучков быстрых атомов водорода является одним из основных методов нагрева плазмы в магнитных ловушках. Обычно инжекторы формируют пучки быстрых атомов с энергией 20 - 100 кэВ, потоком атомов 20 — 80 А, поперечными размерами пучка ~10 - 30 см. Однако для инжекции в плазму малых размеров или для ввода пучка через малое входное отверстие' в йакуумной камере требуются сфокусированные мощные пучки быстрых атомов с поперечными размерами в несколько сантиметров! В главе представлены два варианта инжектора с геометрической фокусировкой пучка, которые могут быть использованы для этих целей.

Инжектор ИФ-6 (Инжектор с Фокусировкой, 6 кэВ) разрабатывался для поддержания йонно-горячей плазмы в полукаспе амбиполяр-ной ловушки АМБАЛ-М. Поскольку энергия инжектируемых атомов относительно невелика - 6 кэВ, то для снижения температурного вклада в угловую расходимость сформированного пучка в ионном источнике этого инжектора используется плазменный эмиттер с малой поперечной температурой ионов, образованный бесстолкнови-тельно расширяющейся плазменной струей. Формирование пучка

производится фокусирующей ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами. Ионный источник отличается высокой эффективностью использования генерируемой плазмы, на эмиссионную область падает примерно половина потока плазменной струи.

Вначале был исследован модельный вариант ионно-оптической системы, в котором радиус кривизны плазменного электрода составляет 90 см. Зазоры между плазменным и вытягивающим и между плазменным и ускоряющим электродами на оси ионно-оптической системы — 1 и 2.5 мм соответственно. На периферийном радиусе ионно-оптической системы 7 см указанные зазоры возрастают вдвое. Формирование протонного пучка осуществляется 2700 апертурами диаметром 2 мм. Электроды ионно-оптической системы изготовлены из тантала толщиной 0.5 мм, отверстия в электродах просверлены на прецизионном станке. Конструкция ионно-оптической системы допускает прогрев электродов до 400 °С.

При экспериментальном исследовании источника получен импульсный протонный пучок с током 12 А, энергией протонов 6 кэВ, длительностью импульса 0.2 мр. Протонный пучок перезаряжался в атомы в импульсной перезарядной мишени, расположенной на расстоянии ~10 см от ионно-оптической системы. Полученный пучок атомов фокусировался на расстоянии 65 см от источника и в области фокуса имел диаметр на уровне 1/е 2.5 см, что соответствует интегральной угловой расходимости 2-Ю"2 рад. Максимальный ток пучка в импульсном режиме составил 36 А при энергии протонов 14 кэВ. В ходе квазистационарных испытаний источника получен пучок с током 17 А, энергией протонов 8 кэВ, длительностью импульса 0.1 с. В дальнейшем была разработана и испытана версия ионного источника с фокусным расстоянием 250 см. Кроме того, на основе подобного источника был изготовлен диагностический инжектор с энергией 14 —16 кэВ, обеспечивший пучок с плотностью потока атомов до 0.8 А/см2 в схеме диагностики с искусственной мишенью на установке газодинамическая ловушка (ГДЛ).

Другой вариант нагревного инжектора с геометрической фокусировкой пучка является более мощным и предназначен для нагрева плазмы в пинче с обращенным полем MST (Мэдисон, США) и для создания популяции быстрых ионов в плазме ГДЛ. Для получения пространственно однородного плазменного эмиттера используется отражение плазмы от периферийного мультипольного магнитного поля. Отражение плазменной струи от "магнитной стенки" увеличи-

вает поток плазмы на эмиссионную поверхность в 1.5 раза. Измеренная величина неоднородности плазменного эмиттера не превышает ±10%. ■■■

Сетки ионно-оптической системы изготовлены из чистого молибдена толщиной 0.5 мм методом фототравления. Каждая сетка имеет более 3000 отверстии диаметром 2.5 мм, расположенных внутри круга диаметром 200 мм. Период гексагональной структуры отверстий для всех сеток составляет 3.2 мм, прозрачность сеток имеет величину 53%. Все электроды имеют одинаковый радиус кривизны 150 см.

В результате испытаний источника был получен протонный пучок с током 50 А , энергией 25 кэВ и длительностью импульса 3 мс. Перезаряженный пучок атомов фокусировался на расстоянии 120 см от источника, радиус сфокусированного пучка на уровне 1/е составляет 2.5 см, что соответствует интегральной угловой расходимости 2-Ю2 рад. Плотность потока атомов в фокусе составляет 2.4 А/см2. 1

Мощность полученного пучка быстрых атомов составила 0.9 МВт. Дальнейшее повышение мощности целесообразно производить за счет увеличения прозрачности ионно-оптической системы при использовании электродов с азимутальными щелями.

В шестой главе приведен краткий обзор применений разработанных диагностических инжекторов пучков быстрых атомов для ряда корпускулярных диагностик на различных установках.

На установке MST одновременно используются два диагностических инжектора ДИНА-5Ф - гелиевый с энергий атомов пучка 20 кэВ для резерфордовского рассеяния быстрых атомов и водородный с энергий атомов 30 кэВ для пучковой спектроскопии примесей и измерению магнитного поля по эффекту Штарка.

В схеме резерфордовского рассеяния регистрация рассеянных атомов осуществляется двумя расположенными с разных сторон от пучка электростатическими энергоанализаторами. Оси анализаторов могут независимо наклоняться или перемещаться. В начальной серии экспериментов угол рассеяния составлял 10° и зоны просмотра анализатора находились примерно на 15 см от центра плазмы. Использование двух анализаторов предназначено для измерения полоидальной скорости ионов плазмы, приводящей к противоположному сдвигу регистрируемых в анализаторах энергетических пиков рассеянных атомов. Резерфордовское рассеяние позволяет измерять ионную температуру плазмы MST, составляющую ~ 250 - 400 эВ с временным разрешением ~ 10 мкс.

Для измерений ионной температуры по доплеровскому уширению используется линия СУ1 (п = 7—*6) с длиной волны 343.37 нм. Спектральная форма линии, излученной во время импульса диагностического пучка, определяется с помощью быстрого спектрометра, в его выходной плоскости установлены 12 световодов, передающих сигнал на фотоумножители. Для динамического вычитания фона используется спектральная форма линии, измеренная вдоль хорды, параллельной измерительной хорде, но сдвинутой на 2.5 см от оси пучка в тороидальном направлении. Измерение ионной температуры по допле-ровской ширине линии обеспечивает временное разрешение 10 мкс и совместно с резерфордовским рассеянием позволят отслеживать динамику ионной температуры во время пилообразных срывов плазмы в пинче.

Для измерений магнитного поля в центре плазмы по динамическому эффекту Штарка используется линия наблюдения, пересекающая ось пучка под углом 22.5°. Свет из плазмы проходит через поляризатор, пропускающий я-компоненты. Измеренный спектр я-компонент линии На атомов пучка представлен на рис. 6. Сглаженность спектра в основном связана с разбросом поперечных скоростей атомов водорода в сфокусированном пучке и углом сбора линзы ~5°. Обработка приведенного спектра показала, что тороидальное магнитное поле в приосевой области пинча составляет величину 0.4 - 0.5 Т, согласующуюся с предсказаниями модели магнитного равновесия плазмы пинча.

|№> а.и. ЮЕДОкЛРРСО

Рис. 6. Спектр я-компонент линии На атомов пучка.

На установке ГДЛ измерения по эффекту Штарка используются для определения радиального профиля магнитного поля в зоне оста-

22

новки быстрых ионов. На установке также были выполнены измерения локальной функции распределения быстрых ионов методом искусственной мишени. В центральной плоскости ловушки на расстоянии 1.2 м от оси был установлен диагностический инжектор атомов водорода с плотностью потока атомоц в плазме до 0.8 А/см2. Инжек-ция диагностического пучка позволяет уверенно выделить активный сигнал атомов перезарядки в анализатор на фоне пассивного, в основном связанного с перезарядкой быстрых ионов на атомах нагревных пучков. . :

На токамаке Alcator C-mod (Бостон, США) диагностический пучок атомов водорода с энергией 50 кэВ инжектируется вдоль большого радиуса и зона взаимодействия пучка с пучка с плазмой просматривается спектральными диагностиками в тороидальном направлении. Набор диагностик включает в себя пучково-эмиссионную спектроскопию, пучковую спектроскопию примесей, штарковскую спектроскопию.

Пучково-эмиссионная спектроскопия позволят определить частотный спектр и длину корреляций флуктуаций в основной и периферийной плазме по свечению возбуждаемых атомами пучка линий СП, FIII, ¿ также мониторировать профиль пучка по линии Da. : * Вследствие боронизации внутренних стенок вакуумной камеры токамака наиболее подходящими для пучковой спектроскопии примесей оказались линии бора, в основной плазме используется линия иона В+4 с длиной волны 4945 Á и линия иона B+1 с длиной волны 4940 Â в периферийной плазме. Регистрация спектров используется для измерений ионной температуры и полоидальной скорости вращения плазмы.

Измерения по динамическому эффекту Штарка применяются для определения угла наклона силовых линий магнитного поля на разных радиусах, что позволяет получить радиальный профиль полоидально-го магнитного поля. Эмиттируемое атомами пучка излучение На проходит через фильтр Фабри-Перо, выделяющий красную я-компоненту, угол поляризации которой измеряется поляриметром.

На токамаке TEXTOR диагностический инжектор RUDI используется для пучковой спектроскопии примесей и пучково-эмиссионной спектроскопии. Пучок атомов водорода с энергией 50 кэВ инжектируется вдоль большого радиуса, а регистрирующая аппаратура расположена сверху и снизу и просматривает плазму вдоль пучка .

Для выделения полезного сигнала на уровне фонового использует-

ся модуляция пучка с периодом 100 ме, который определяется временным разрешением регистрирующей аппаратуры. Пучковая спектроскопия примесей на токамаке TEXTOR применяется для определения радиального профиля ионной температуры. Профили, измеренные на ионах различных примесей, хорошо согласуются между собой. Кроме того, были выполнены измерения профилей плотности различных примесей в плазме токамака. В настоящее время на токамаке TEXTOR выполняются эксперименты по измерению радиального профиля полоидальной скорости вращения плазмы. При этом область взаимодействия пучка с плазмой одновременно просматривается сверху и снизу шнура. Излучение линий примесей направляется в спектрометр с высоким разрешением и скорость вращения плазмы определяется из относительного сдвига спектров на ПЗС матрице.

На токамаке TCV установлен инжектор, формирующий диагностический пучок атомов водорода с энергией до 53 кэВ. Инжекция диагностического пучка используется для определения пространственного профиля ионной температуры по излучению линии CVI с длиной волны5290А.

Проведенный обзор применений разработанных диагностических инжекторов показывает, что полученные пучки способны поддерживать ряд современных активных корпускулярных диагностик - резер-фордовское рассеяние атомов, искусственную мишень, пучковую спектроскопию примесей, пучково-эмиссионную спектроскопию примесей, определение магнитного поля по динамическому эффекту Штарка. Наиболее широко полученные пучки используются для определения профиля ионной температуры по доплеровскому ушире-нию возбуждаемых при перезарядке на атомах пучка линий примесей.

В седьмой главе изложены результаты по формированию диагностических пучков быстрых атомов субмикросекундной длительности. В настоящее время появилось несколько предложений по использованию инжекции таких пучков для диагностики плазмы в системах с магнитным удержанием. В результате инжекции в плазме создается пространственно локализованный сгусток пробных ионов, изучение движения которого позволяет определить структуру магнитного поля, измерить величины электрического и магнитного полей, электронную температуру и другие важные характеристики.

Предварительные оценки показывают, что для реализации диагностических методов, связанных с наблюдением движения быстрых ио-

нов, требуется длительность пучка менее или порядка микросекунды. Рассмотрены следующие способы получения пучков с субмикросе-кундными фронтами: отклонение сформированного протонного пучка на небольшой угол низкоиндуктивной системой катушек, быстрое включение высоковольтного модулятора, использование частичной модуляции пучка и сепарирования по энергии. Импульсный пучок быстрых атомов водорода может быть также получен при нейтрализации пучка отрицательных ионов водорода лазерной фотообдиркой.

Приведенные выше способы получения пучков быстрых атомов являются достаточно сложными и требующими специального оборудования. В то же время для получения субмикросекундных пучков можно использовать относительно простой способ модуляции плазменного эмиттера сеточным электродом, расположенным непосредственно перед плазменной сеткой. Подавая напряжение на модулятор, можно изменять плотность тока пучка, сформированного ионно-оптической системой.

Эксперименты по получению субмикросекундного пучка с использованием сеточного модулятора проводились с использованием ионного источника диагностического инжектора ДИНА-4А. Водородная плазма из анодного отверстия генератора расширялась в экспандерное пространство и проходила модулятор,. ограниченный диафрагмой. Модулятор представлял собой сетку из молибденовой проволочки диаметром 0.05 мм с внутренним размером ячейки 0.28*0.28 мм. Напряжение на сетку подавалось от тиристорного генератора, обеспечивающего длительность переключения 200 не.

Вначале были проведены эксперименты в статическом режиме при подаче на модулирующую сетку постоянного напряжения. При подаче на сетку отрицательного напряжения ток на установленный за модулятором зонд снижается вследствие поглощения ионов сеткой. Подача положительного напряжения на сетку при невысокой плотности тока приводит к уменьшению тока на зонд из-за отражения ионов се гкой. При большой плотности тока ионов обнаруживается интересный эффект: с увеличением положительного напряжения на сетке ток на зонд не падает, а, наоборот, возрастает. По-видимому, это связано с перестройкой разряда вследствие появления дополнительного анода. Кроме того, при отрицательном потенциале сетки наблюдались высокочастотные колебания тока на зонд. Вследствие этих причин для осуществления импульсной модуляции использовалась подача отрицательного напряжения на сетку.

Для получения переднего фронта вначале на сетку.подавалось^ отрицательное напряжение, а затем в заданный момент времени напряжение с сетки снималось. При малой плотности потока длитель-«' ность переключения составляет 400 не. При повышенной плотности потока длительность возрастает до 800 не и, кроме того, через 1.2 мке после снятия напряжения происходит импульсное снижение плотности потока. Обнаруженный переходный процесс, по-видимому, связан со сбросом облака ионов, находящихся в ленгмюровском слое вблизи модулирующей сетки. . .. .

Для формирования импульсного протонного пучка использовалась многощелевая четырехэлектродная ионно-оптическая система с эмиссионным диаметром 4 см. Сеточный модулятор был установлен на расстоянии 5 мм перед плазменным электродом. Измерения плотности тока сформированного пучка производились вторично-эмиссионным детектором, расположенным на расстоянии 70 см от ионно-оптической системы. ,

При создании переднего фронта отношение плотности тока пучка к плотности тока пьедестала для энергии протонов 5 кэВ, тока пучка 0.4 А и напряжения на модуляторе —100 В составило 5 при длительности фронта 0.4 мкс. Для энергии протонов 9 кэВ и тока пучка 1 А отношение плотностей токов составило 3, а длительность фронта возросла до 1 мкс. ,...... ......

В последней, восьмой главе рассматривается применение сфокусированных пучков атомов водорода высокой яркости для внешней инжекции в источник поляризованных ионов с оптической накачкой. Источник предназначен для перезарядной инжекции в ускорители и способен обеспечить требуемый ток пучка поляризованных ионов Н~ ~ 10 — 20 мА. В источнике поляризованных ионов с оптической накачкой получение интенсивного пучка достигается инжекцией пучка атомов водорода высокой яркости. В этом случае подходы, примененные в диагностических инжекторах пучков быстрых атомов и экспериментальные результаты, полученные при испытаниях этих инжекторов, могут быть успешно использованы. Схема источника поляризованных ионов с оптической накачкой и инжекцией пучка атомов водорода показана на рис. 7. Ионный источник импульсного диагностического инжектора с дуговым генератором плазмы и многощелевой четырехэлектродной иоНно-оптической системой формирует протонный пучок. Далее пучок фокусируется магнитной линзой и перезаряжается в атомы в импульсной водородной мишени. Получен-

ный пучок атомов входит в магнитное поле соленоида и часу низируется в Не ячейке. Затем пучок проходит через поляризоь^ мишень из паров КЬ, накачка которой производится резонанс^ лазерным излучением с круговой поляризацией. Полученный в ре зультате перезарядки протонов на атомах Шэ пучок поляризованных по спину электрона атомов водорода на выходе из соленоида претерпевает переход Сона, где быстрое прохождение через магнитное поле передает поляризацию электрона протону. Поляризованные по ядерному спину атомы водорода затем перезаряжаются в ионы Н~ в Иа ячейке. .

@ ® '®

Рис. 7. Схема источника поляризованных ионов с оптической накачкой и внешней инжекцйей пучка атомов водорода: 1 - протонный источник, 2 -магнитная линза, 3 - перезарядная трубка, 4 - сверхпроводящий соленоид, 5 -Не ячейка, 6 - КЬ ячейка, 7 - отклоняющие пластины, 8 - область перехода Сона, 9 - № ячейка, 10 - накачивающее лазерное излучение

По предложению коллаборации SPIN были проведены . эксперименты по использованию инжекции пучка атомов водорода с высокой яркостью для повышения тока поляризованных ионов на источ-дике с оптической накачкой-Канадской национальной лабораторий TRIUMF. Эти эксперименты выполнялись-в два этапа.1 Вначале в Институте ядерной физики были выполнены эксперименты по фокусировке пучка атомов водорода с энергией в диапазоне с'0.8 до 8 кэВ, затем были выполнены совместные эксперименты в TRIUMF. ■' Для формирования протонного пучка с энергией 3 - 8 кэВ использовалась многощелевая четырехэлектродная ионно-оптическая система. Ионно-оптическая система формировала протонный пучок с током до 3 А и энергией до 8 кэВ. Для формирования пучка с энергией

-пользовалась ионно-оптическая система типа ускорение-

_^гк??экспериментальном изучении фокусировки пучка атомов во-

у<вда с энергией 0.8 - 8 кэВ фокусное расстояние составляло 2 м, /то соответствовало положению № ячейки в источнике поляризованных ионов с оптической накачкой циклотрона ТШиМБ. Сформированный протонный пучок фокусировался магнитной линзой и перезаряжался в атомы в импульсной водородной мишени. Результаты измерений профилей и интенсивности потока сфокусированного пучка атомов показали, что эффективная компенсация первичного протонного пучка обеспечивается только в диапазоне энергий 5-8 кэВ. Причиной плохой фокусировки пучка атомов водорода с меньшей энергией является недостаточная компенсация пространственного заряда пучка в магнитном поле линзы. Для улучшения компенсации остаточного пространственного заряда пучка за счет поступления вторичных электронов в область магнитного поля в центральной плоскости линзы была установлена изолированная сетка из медной проволочки.

В 1997 г. были проведены эксперименты по инжекции сфокусированного пучка атомов водорода в источник поляризованных ионов с оптической накачкой Канадской мезонной фабрики ТЛЮМР. В этих экспериментах вначале проводились измерения тока неполяризован-ных ионов Н~, выходящих из Ыа ячейки. При этом Не и КЬ ячейки были убраны и пучок атомов водорода фокусировался на вход Иа ячейки. Для обеспечения фокусировки протонного пучка на низких энергиях кроме компенсации пучка электронами, эмитгируемыми с установленной в линзе сетки, использовалась также подача электроотрицательного ССЬ газа. Максимальная величина тока неполяризо-ванных ионов Н~ составляет 28 мА. Далее были выполнены эксперименты по получению пучка поляризованных ионов Н~. Максимальный ток пучка поляризованных ионов Н~, достигнутый в результате этих экспериментов, составил 14 мА.

Дальнейшее повышение интенсивности и степени поляризации пучка ионов Н~ может быть произведено за счет применения нового сверхпроводящего соленоида, создающего пространственно однородное магнитное поле с напряженностью до 2.5 Т, и использования внешнего источника протонного пучка с геометрической фокусировкой, позволяющей избежать трудностей с компенсацией на малых энергиях. При этом сферические сетки формируют сходящийся протонный пучок, который перезаряжается в атомы в перезарядной ми-

шени, расположенной на коротком расстоянии от ионно-огги системы. Поток атомов водорода через Na ячейку диаметром ^ должен составить 0.98 А, что соответствует 70 мА тока неполяри-ванных ионов Н'.

В Заключении представлены основные результаты диссертационной работы:

1. Предложен и исследован метод получения геометрически сфокусированных пучков высокой яркости, основанный на использовании плазменного эмиттера, образованного расширяющейся плазменной струей, и формировании пучка ионно-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами.

2. Для формирования пучков с большой длительностью предложена многоапертурная четырехэлёктродная ионно-оптическая система с "толстыми" электродами* исследованы ее ионно-сптические характеристики, изучено термомеханическое поведение электродов.

3. Разработана серия ионно-оптических систем с геометрической • фокусировкой пучка для диагностических и нагревных инжекторов.

4. Получены импульсные геометрически сфокусированные диагностические пучки быстрых атомов с плотностью потока в фокусе до 0.3 А/см2 и квазистационарные с длительностью до 10 с.

5. Выполнена оптимизация параметров полученных диагностических диагностических пучков быстрых атомов для обеспечения ряда активных корпускулярных диагностик на установках

. MST, ГДЛ, TEXTOR.

6. Предложен и экспериментально исследован метод получения субмикросекундных диагностических пучков быстрых атомов за счет модуляции плазменного эмиттера.

7. Экспериментально изучена транспортировка сфокусированного пучка атомов водорода, инжектируемого в источник поляризованных ионов с оптической накачкой. В результате инжекции пучка достигнута рекордная величина тока поляризованных ионов Н~.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. В.И. Давыденко, Г.И. Димов, И.И. Морозов, В.Я. Савкин. Развитие ионных

источников для инжекторов АМБАЛ-М. Труды Всесоюзного совещания по

открытым ловушкам. М, Энергоатомиздат, 1989, с.24-30.

лшденко, Н.Г< Хавин. Получение интенсивных пучков протонов и водорода с энергией ~1 кэВ. Вопросы атомной науки и техники. Сер.: оядерный синтез, вып.3,1990, с.58-59. , ✓YiiJ. Belchenko, V.I. Davydenko, G.E. Derevyankin, G.I. Dimov, V.G. Dud-nikov, I.I. Morozov, G.V. Roslyakov, and A.L. Shabalin. Ion Sources at the No, vosibirsk Institute of Nuclear" Physics. Rev. Sci. Instrum.,1990, v.61, N1, p.378-384. ' ..

4. V.I. Davydenko, A.A. Ivanov. Feasibility Study for a novel pulsed neutral beam diagnostics for tokamak. BINP preprint 93-10. Novosibirsk^ 1993^

5. YJ. Davydenko, A.A. Ivanov; A.N. Karpushov, R. Pozzoli, M Rome and D.D. Ryutoy. Radial electric fields rneasurement in a tokamak Ъу the injection of a pulsedneutralbeam. Plasma Phys. Control. Fusion, .1994, v."36, p;1805-1817.

6. V.I. Davydenko. High brightness ion and atomic beam formation. Bulletin of the American Physical Society, 1994, v.39, N7, p.1624. • -

7. ' G.F. Abdrashitov, E:D. Bender, V.I. Davydenko et al. Diagnostic Neutral Beam

.;, -•,Injector for!TEXTOR-94. Proc:XVlII Symp."on Fusion .Techn., Karlsruhe, Ger.... .many, 1994, v.l,p.601-G04. - ! '

8. A.N. Zelenski, V.I. Davydenko, G.I. Dimov , C.D.P. Levy,' W.T.H, van Oers,

1 . P.M. Schmpr, G.W. Wight,-G. Dutto and T. Sakae:'Pulsed optically-pumped polarized H- ion sourse . development. Rev. Sci. Instrum, 1996, v.67, N3, p.1359-

- ■• I36il " ' ' " " ■

9. Е.Д. Бендер, C.A. Вибе, В.И., ДаЬыденко, Г.И. Димов, Ю.В. Коваленко, В Л. Савкин, ПИ. Шульженко. Диагностические инжекторы пучков быстрых

- - атомов водорода - ДИНА-6 и ДИНА-7, ПТЭ, 1996, №6, с.78-81.

10. В.И.Давыденко,' А.А.Крейтер,_ Получение диагностического субмикросе-кундного пучка быстрых атомов с использованием сеточного модулятора. Физика плазмы, 1996, т.22, №11, с.1067-1069.

И. В.И. Давыденко, А-А. Иванов, А.Н. Карпушов, А.И. Рогозин, Н.В. Ступи' шин, И.В. Шиховцев. Измерения параметров быстрых ионов на установке ГДЛ методом искусственной мишени. Физика плазмы, 1997, т.23, №5, с.427-430. ; ; •■■■. •

12. V.I. Davydenko, A.A. Ivanov. A.I. Rogozin and R..{Jhlemann. Optimization of an ion-optics system with '4hi'ck" electrodes for the diagnostic neutral beam injcctor

• of the TEXTOR tokamak. Rev. Sci. Instrum.,1997,,y'.68,N3, р.1418-14.22.-:

13. A.D. Beklemishev, V.I. Davydenko, A A. Ivanov, АЛ. Podyrninogin. Assessment .,. of thermo-meclianical stresses and stability of ion-source grids.with peripheral

cooling. Rev. Sci. Instrum., 1998, v.69; N4, p. 2007-2011. -' ^

14. G.F. Abdrashitov, V.S. Bellan, A.I. Gorbovsky, V.I. Davydenko et al. Diagnostic Neutral Beam Injector with RF Plasma Emitter. Proc. XX Symp. on Fusion Techn., Marseille, irance, 1998, v.l,p.605-608v . „ni'-iriyc""

15. A.N. Zelenski, V.L Davydenko, G. Dutto, A.A. Hamian, V.Klenov, C.D.P. Levy, I.I. Morozov, P.W. Schmor, W.T.H. van Oers, G-Wy Wright. OPPIS development: for precision experiment and high energy colliders..ALP, Conf. Proc., 1998, N421, p.372-380. : ' ' /.-^¿-'д-Л

16. A A. Ivanov, G.F. Abdrashitov, V.S. Belkin,'AX Gorbovsla, V.I. E>av^4enkoet; . . al. Diagnostic neutral beam injectors for large plasma physics experiments. Yusion

Technology. 1999, v.35, NIT, p.180-184. ■ :v'

17. Den Hartog, G. Fiksel, V. Davydenko, A.- Ivanov, and V: Mishagin.,A diagnostic neutral beam system for the MST reversed-field pinch: Charge-exchange recombination spectroscopy and Rutherford scattering. Rev. Sci. Instnimi,;l999, v.70,

NI,p.859. :

18. V.I. Davydenko. Formation of intense focused ion and atomic beams.' Nucl, Instr. Meth. A, 1999, y. 427, p. 230-234. . ' , ■ - ' : ; ',/'

19. V.I. Davydenko. Development, of the BINP type atomic injector for the OPPIS. Proc. of the Workshop "Polarized Protons at High Energies- AcceleratorChallen-gies anil Physics Opportunities", DESY,1999, DESY-Proc-1999-03, 187-192:;,.

20. I.V. Shiidiovtsev, G.F. Abdrashitov, V.I. Davydenko et al. RF-Plasma Emitter For Diagnostic Neutral Beam Injector. Proc. XXIV Inter. ' Conf. on Phenomena in Ionized Gases, 1999, Warsaw, Poland, v.III, p.99-100.

'21. A.A.Ivanov, VJ.Davydenko, P.P.Deichuli,: V.V.Mishagin, A.A.Podminogin, I.V.Schikhovtsev, A.Kreiter, R.Uhlemann. Radio frequency ion source for plasma diagnostics in magnetic fusion experiments.'Rev. Sci. Iristrum., 2000, v.71, N10, p.3728-3735

22. V.I. Davydenko, A.A. Ivanov. Steady state diagnostic neutral beam injector, J, Plasma Fusion Res., 2000, v.3, p.456-459.

23. I,V.,.Shikhovtsev, I.I. Averbuch, V.I. Davydenko et al. Study of Ion Source: of Diagnostic Neutral Beam Injector. Proc. XXV Inter. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Nagoya, Japan, 2001. v.I. p.329-330. ;

24. G.F. Abdrashitov, V.I. Davydenko, P.P. Deichuli, D.J. Den Hartrog, G. Fiksel, A.A. Ivanov, S.A. Korepanov, S.V. Murakhtin, and G.I. Shulzhenko. A diagnostic neutral beam system for the MST reversed-field pinch. Rev: Sci. Instrum., 2001, . v.72, N1, p.594-597. - _

25. J.C. Reardon, Q. Fiksel, C.B. Forrest, G.F. Abdrashitov, V.I. Davydenko, A.A. Ivanov, S.A. Korepanov, S.V. Murakhtin, and G.I. Shulzhenko. Rutherford scattering diagnostic for the Madison symmetric toms reversed-field pinch. Rev. Sci. Instrum:, 2001, v.72, N1, p.598-601. • V

26. D. Craig, D.J. Den Hartrog, G. Fiksel, V.I. Davydenko, arid A.A. Ivanov. First charge, exchange recombination spectroscopy* and motional Stark effect results

. from the Madison Symmetric Torus reversed field pinch. Rev. Sci. Instrum., 2001, v.72, Nl,p.l008-1011. ■

27. A. Zelcnski, J. Alessi, S. Kohanovski, A. Kponou, H.' Huang, V. Klenov, V. Davydenko. Feasibility study of 20-50 mA polarized H' source for high energy collid-

. ers.BNL.LDRD, 2001. ■"<." ' ' " -

28. D.J. Den Hartog, D. Graig, G. Fiksel, J.C. Reardon, VJ. Davydenko, and A-A.^ v . Ivanov. Innovative Beam Based-Diafgnostics on the MST 'Reversed-Field Pinch.:

Proc. of the Inter. Conf. on Advanced Diagnostics "for Magnetic and Inertial Fusion, Varenna, Italy, 2001, p.237-240.

Hartog, D.Graig, G.Fiksel, J.C.Reardon, V.I.Davydenko, A.A.Ivanov, and A.A.Lizunov. Spectral Motional Stark Effect Measurement of | В | in Low-Field Devices. Proc. of the 3-rd US-Japan Plasma Polarization Spectroscopy Workshop, Livermore, California, 2001, p.205-208.

30. G. Fiksel, G.I.Abdrashitov, V.l. Davydenko et al. 1.5 MW Neutral Beam Injector for MST Reversed Field Pinch. Bulletin of the American Physical Sociely, 2001, v.46, N8, p.l 12.

31. A.A. Иванов; И.В. Шиховцев, A.A. Подыминогин, И.И. Авербух, Т.Д. Ахме-тов, В.И. Давыденко, П.П. Дейчули. Плазменный эмиттер на основе высоко... частотного разряда. Физика плазмы, 2002, т. 28, №3, с.221 -228.

32. А-А. Ivanov, V.l. Davydenko, P.P. Deichuli, S.A. Korepanov, V.V. Mi shagin, \ A.A., Podminogin, I.V. Shikhovtsev. B. Schweer, A. Kreiter, R. Uhlemann. Dig-

nostic Neutral Beams for Plasma Studies in Magnetic Fusion Devices. Proc. of 19th IAEA Fusion Energy Conf., Lyon, France, 14-19 October, 2002, paper IAEA-CN-94/FT/P1-18. .

33. V.l. Davydenko, P.P. Deichuli, A.A. Ivanov, A.A. Kreter, B. Schweer, G.I. , Kuznetsov, ,V.V. Mishagin, N.V. Stupishin,. G.I. Shulzhenko. A Plasma Source

with LaB6 Hollow Cathode for a Diagnostic Beam Injector. Proc. XXVI Inter. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Greifswald, Germany, 2003, v. 4, p.127-128.

34. A. Kreter, J. Baldzuhn, V.l. Davydenko, A.A. Ivanov, T. Richert, В. Schweer, and R. Uhlemann. Development of the diagnostic neutral beam injector for Wendelstein 7-X. Proc. of German Physical Society, Aahen, Germany, 2003, v.38, p.33.

35. V.l. Davydenko, A.A. Ivanov. Development of Neutral Beam Injectors for Plasma Diagnostic in Budker Institute of Nuclear Physics. Rev. Sei. Instrum., 2004, v.75,

• N5, p.1809-1812. ;

36. S.A. Korepanov, G.F. Abdrashitov, D. Beals, V.l. Davydenko, P.P. Deichuli, R. Granetz, A.A. Ivanov, V.V. Kolmogorov, V.V. Mishagin, M. Puiatti, B. Rovan, N.V. Stupishin, G.I. Shulzhenko, and M. Valisa. Neutral beam injector for active plasma spectroscopy. Rev. Sei. Instrum., 2004, v.75, N5, p.1829-1831.

. 37. I.V. Shikhovtsev, G.F. Abdrashitov, I.I. Averbouch, V.l. Davydenko, S.F. Dribin-ski, B. Duval, A.A. Ivanov, A.N. Karpushov, V.V. Kolmogorov, V.V. Mishagin, A.A. Podyminogin, and H. Weisen. Results of upgrade of diagnostic neutral beam injector for the TCV tokamak. Rev. Sei. Instrum., 2004, v.75, N5, p.l 844-1846.

38. P.P. Deichuli, V.l.' Davydenko, A.A. Ivanov, S.A. Korepanov, V.V: Mishagin,

A.V. Sorokin, N.V. Stupishin, and G.I. Shulzhenko. High power hydrogen neutral beam injector with focusing for plasma heating. Rev. Sei. Instrum., 2004, v.75, N5, p.1816-1818. -

39. А.Г. Барсуков, A.B. Волков, В.И, Давыденко, В.Ф. Королев, A.A. Медведев,

B.А. Никулин, В.Я. Савкин, Г.И. Шульженко, Г.Н. Тилинин. Диагностиче-: ский инжектор "ДИНА-б" для активного зондирования плазмы в установке

"Токамак-10". Препринт ИАЭ-6328/7. М, 2004.

ДАВЫДЕНКО Владимир Иванович

Интенсивные сфокусированные пучки быстрых атомов для активной корпускулярной диагностики плазмы

АВТОРЕФЕРЕТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Работа поступила 3.02. 2006 г Подписано в печать 6.02.2006 г. Формат бумаги 60x90 1/? Объем 2,0 печ.л., 1,6 уч.-изд.л.

_Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № 7_

Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ГНЦ РФ "ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН", Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11

Введение

Глава 1. Требования к пучкам быстрых атомов для активной корпускулярной дпагпостпки плазмы.

§1.1. Проникновение пучка быстрых атомов в плазму.

§ 1.2. Метод искусственной мишени.

§ 1.3. Резерфордовское рассеяние пучка быстрых атомов.

§ 1.4. Многохордовое ослабление пучка.

§ 1.5. Спектроскопия с применением пучков быстрых атомов.

Глава 2. Формирование интенсивных ионных пучков высокой яркости с геометрической фокусировкой.

§ 2.1. Плазменный эмиттер, образованный расширяющейся плазменной струей.

§ 2.2. Геометрическая фокусировка пучка в ионно-оптической системе с возрастающими по радиусу зазорами.

Глава 3. Мпогоапсртурная четырехэлектродиая ноппо-оптпчсская система с толстыми" электродами.

§3.1. Численная оптимизация геометрии электродов.

§ 3.2. Тепловые деформации и термомеханическая устойчивость ионнооптической системы с "толстыми" электродами.

§ 3.3. Аккуратная геометрическая фокусировка пучка быстрых атомов.

Глава 4. Диагностические инжекторы с геометрической фокусировкой 77 пучка.

§ 4.1. Диагностические инжекторы ДИНА-50,6,7.

§ 4.2. Диагностический инжектор RUDI.

§ 4.3. Диагностический инжектор для установки RFX.

Глава 5. Формирование интенсивных сфокусированных пучков быстрых атомов водорода для нагрева плазмы.

Глава 6. Применение разработанных диагностических инжекторов.

Глава 7. Получение диагностических субмикросекуидных пучков быстрых 122 атомов.

Глава 8. Инжскцнн сфокусированного пучка атомов водорода высокой яркости в источник поляризованных попов с оптической накачкой.

Исследования по магнитному удержанию высокотемпературной плазмы проводятся во многих ведущих лабораториях мира и достигли значительных успехов. В настоящее время па больших токамаках JET и JT-60 достигнуты условия зажигания термоядерной реакции и решен вопрос о строительстве международного токамака реактора ИТЕР. При этом также продолжаются интенсивные экспериментальные исследования поведения плазмы на токамаках средних размеров, стеллараторах, пинчах с обращенным нолем, открытых ловушках. Для детального изучения поведения плазмы в магнитных ловушках используют множество диагностических методов. Среди этих методов можно выделить методы активной корпускулярной диагностики, основанные на применении специальных пучков быстрых атомов. При использовании этих методов параметры плазмы определяются в результате изучения взаимодействия атомов диагностического пучка с плазмой. Методы активной корпускулярной диагностики позволяют надежно определять локальные параметры плазмы и в течение последних десятилетий интенсивно развиваются. Для обеспечения методов активной корпускулярной диагностики нужны специализированные прецизионные пучки быстрых атомов с энергией в диапазоне 10-80 кэВ. Такие пучки получают перезарядным методом. В ионном источнике диагностического инжектора миогоапертурпая иоиио-оптическая система с поверхности плазменного эмиттера формирует ионный пучок с током в несколько ампер, который затем перезаряжается в атомы в газовой перезарядной мишени. Такая схема формирования используется также в мощных инжекторах пучков быстрых атомов для нагрева плазмы. Однако в диагностических инжекторах для получения более узкого пучка часто требуется фокусировка пучка с минимально возможной угловой расходимостью. Весьма часто в эксперименте также требуется модуляция диагностического пучка и высокая стабильность энергии атомов. Этими требованиями определятся специфика диагностических инжекторов.

Развитие диагностических инжекторов пучков быстрых атомов в течение более чем трех десятилетий лет ведется в Институте ядерной физики СО РАН. В 70-х годах в Институте были разработаны первые два инжектора серии ДИНА (Диагностический Инжектор Нейтральных Атомов). Инжектор ДИНА-1 [1] формировал пучок атомов водорода с энергией до 15 кэВ, потоком атомов до 3 А (здесь и далее интенсивность пучка атомов измеряется в эквивалентных амперах, 1 экв. А = 6-1018 атомов/с), длительностью 100 мкс. В инжекторе ДИНА-2 [2] дополнительно была предусмотрена модуляция пучка с частотой 500 кГц. В ионном источнике этих инжекторов плазменный эмиттер создавался струей плазмы из дугового источника, ионный пучок формировался мелкоструктурной мпогощелевой трехэлектродной ионно-оптической системой. Сформированный ионный пучок перезаряжался в атомы в перезарядной трубке, установленной непосредственно на выходе из ионно-оптической системы, плотность потока атомов па расстоянии 1 м от инжектора составляла 90 мА/см2. Инжекторы ДИНА-1,2 были использованы для выполнения ряда первых успешных измерений параметров плазмы методами активной корпускулярной диагностики [3-8].

В 80-х годах для токамака Т-10 был разработан диагностический инжектор ДИНА-3 [9] с энергией атомов пучка до 25 кэВ, потоком до 3.2 А, длительностью импульса 200 мкс. В ионном источнике этого инжектора использовался плазменный эмиттер е периферийным магнитным полем, в результате чего достигалась пространственная однородность эмиттера. Формирование ионного пучка осуществлялось мпогощелевой четырехэлектродиой ионно-оптической системой с круглыми электродами. Неперезаряженная на выходящем из источника газе часть пучка фокусировалась магнитной линзой и затем нейтрализовалась в импульсной перезарядной мишени. В результате плотность потока атомов па расстоянии 1.5 м от инжектора составила 250 мА/см2 . С помощью инжектора ДИНА-3 на токамаке Т-10 были проведены локальные измерения ионной температуры по доплеровскому уширепию атомов перезарядки [10] и по резерфордовскому рассеянию быстрых атомов [11].

В разработанном позже диагностическом инжекторе ДИНА-4А [12] использовался плазменный эмиттер с малой поперечной ионной температурой, образованный бесстолкновителыю расширяющейся плазменной струей, в конструкции источника были приняты меры по снижению перезярядки сформированного ионного пучка па вытекающем из источника газе. В результате принятых мер практически весь сформированный пучок далее фокусировался магнитной линзой и затем нейтрализовался в перезарядной трубке. Сфокусированный на расстоянии 1 м от инжектора пучок атомов водорода с энергией 15 кэВ имел размеры 0.6 см><2.6 см и плотность потока до 1.7 А/см2. Этот инжектор использовался на токамаке Туман-3 [13] ив Институте ядерной физики [14].

В 90-х годах развитие диагностических инжекторов серии ДИНА было продолжено. Следующим необходимым шагом развития инжекторов являлось увеличение длительности импульса тока пучка. Поскольку при повышении длительности импульса магнитная фокусировка сформированного протонного пучка становится неэффективной вследствие перезарядки па вытекающем из источнике газе, то в следующих диагностических инжекторах серии ДИНА была использована геометрическая фокусировка пучка. За счет использования иопно-оптических систем с геометрической фокусировкой и возрастающими по радиусу зазорами длительность импульса тока пучка была увеличена более чем на порядок. В инжекторе ДИНА-5Ф [15,16] длительность импульса составляла 3 мс, при энергии атомов до 30 кэВ и потоке атомов до 3 А.

Инжекторы ДИНА-6,7 [17] формировали пучки атомов, состоящие из серии импульсов (до 20) с длительностью 1 мс.

В 1992-97 годах для пучковой спектроскопии примесей на токамаке TEXTOR (Юлих, Германия) был разработан и исследован диагностический инжектор RUDI [18-22] (RUssian Diagnostic Injcctor), формирующий пучок атомов водорода с энергий 50 кэВ, потоком 1 А, и длительностью до 10 с. Значительное по сравнению с иижскторами ссрии ДИНА увеличение длительности пучка было достигнуто за счет применения в ионном источнике диагностического инжектора RUDI плазменного эмиттера на основе высокочастотного разряда и иопно-оптической системы с "толстыми" электродам, позволяющими за счет значительной теплоемкости ограничить прирост температуры за время импульса. Затем на основе этого инжектора для токамака TCV (Лозанна, Швейцария) был изготовлен инжектор пучка атомов водорода с энергией до 52 кэВ, потоком до 1.4 А, длительностью импульса 2 с [23].

В текущем десятилетии, начиная с 2000 года для пинча с обращенным полем RFX (Падуя, Италия) был разработан и испытан диагностический инжектор [24,25] с пространственно однородным плазменным плазменный эмиттером, создаваемым при расширении плазменной струи в экспандер с периферийным магнитным полем. Полученный из инжектора пучок атомов водорода с энергией 50 кэВ имеет поток ~ 2.5 А при длительности импульса 50 мс. Плотность потока атомов в фокусе пучка, расположенном па расстоянии 4 м от источника составляет ~ 50 мА/см2. Для токамака Alcator C-Mod (Бостон, США) подготовлен вариант подобного инжектора с повышенным до 4 А потоком атомов и увеличенной до 1.5 с длительностью импульса пучка. Ведется разработка диагностического инжектора пучка атомов водорода [26] с энергией 60 кэВ, потоком атомов 5 А, длительностью импульса 10 с и более для сооружаемого большого стелларатора W-7 (Грассвальд, Германия).

Диагностические инжекторы разрабатывались также в ряде других лабораторий, занимающихся созданием инжекторов пучков быстрых атомов для нагрева плазмы [27-32]. В ряде ранних экспериментов в качестве диагностических инжекторов использовались уменьшенные варианты нагревпых инжекторов, разработанных в LNBL [27]. В Culham Laboratory, UKAEA в конце 80-х годов разработан специализированный диагностический инжектор [28], формирующий пучок атомов водорода с энергией 60-80 кэВ, потоком атомов 2-3 А, плотностью потока атомов в расположенном на 4 м от фокусе пучка ~ 3-6 мА/см2, длительностью импульса 20-100 мс и возможностью модуляции па частоте 1 кГц. В СЕА Cadarache для обеспечения измерения магнитного поля по динамическому эффекту Штарка на токамаке Tore Supra разработан мощный диагностический иижектор пучка атомов водорода и дейтерия с энергией атомов 70 кэВ, мощностью пучка атомов 500 кВт, угловой расходимостью 0.6° [31]. Особенностью этого инжектора является использование рекуперации нсперезаряжепного в нейтрализаторе ионного пучка. В LBNL для измерений магнитного поля по эффекту Штарка с применением значительно повышающей чувствительность измерений лазерной флюоресценции исследуется ионный источник [32] с высоким содержанием иротопов, энергией 35 кэВ и током пучка всего 35 мА. Однако разработка и исследование диагностических инжекторов в этих лабораториях носит единичный характер, в отличие от Института ядерной физики, где благодаря многолетней интенсивной работе создана серия диагностических инжекторов с параметрами пучков быстрых атомов, способных обеспечить применение современных методов корпускулярной диагностики плазмы в магнитных ловушках средних и больших размеров.

Ионно-оптические системы с геометрической фокусировкой, развитые для ионных источников диагностических инжекторов, были также модифицированы для применения в инжекторах для нагрева плазмы мощными сфокусированными пучками быстрых атомов.

В начале 90-х годов в Институте ядерной физики был разработан пагревный инжектор, формирующий сфокусированный пучок атомов водорода с энергией 6 кэВ и потоком ~20 А [33,34]. В 2001-2003 годах был создан инжектор для нагрева плазмы сфокусированным пучком атомов с энергией 25 кэВ и мощностью ~ 900 кВт [35,36]. Оба инжектора обеспечивают диаметр сфокусированного пучка несколько сантиметров.

Отдельным применением полученных в Институте ядерной физики диагностических пучков быстрых атомов водорода с высокой яркостью является их ипжекция в источники поляризованных ионов с оптической накачкой. В 1995-96 годах в Институте ядерной физики были проведены модельные эксперименты по транспортировке и фокусировке пучка атомов водорода с энергией в диапазоне 0.8-8 кэВ [37]. В 1997 г. па источнике поляризованных ионов с оптической накачкой Канадской национальной лаборатории TR1UMF были проведены эксперименты с использованием внешней ипжекции сфокусированного пучка атомов водорода с высокой яркостью. В результате этих экспериментов ток пучка поляризованных ионов II" вырос более чем на порядок и достиг рекордного значения 14 мА [38,39].

Основу настоящей диссертации составляют результаты по формированию, транспортировке и применению сфокусированных пучков ионов и атомов. Эти результаты в основном получены в период с 1990 г. по 2003 г. в ходе создания перечисленных выше диагностических инжекторов. В диссертацию также включены результаты по формированию мощных сфокусированных пучков быстрых атомов для нагрева плазмы, получению субмикросеуидных диагностических пучков быстрых атомов и применению сфокусированных пучков атомов с высокой яркостью в источниках поляризованных ионов с оптической накачкой.

Диссертация состоит из Введения, восьми глав и Заключения. В первой главе приведен обзор современных методов активной корпускулярной диагностики плазмы,

Заключение

В заключение приведем основные результаты диссертации:

1. Предложен и исследован метод получения геометрически сфокусированных пучков высокой яркости, основанный на использовании плазменного эмиттера, образованного расширяющейся плазменной струей, и формировании пучка иоппо-оптической системой с возрастающими по радиусу зазорами.

2. Для формирования пучков с большой длительностью предложена многоапертурная четырехэлектродная иоппо-оптическая система с "толстыми" электродами, исследованы ее иоипо-оптические характеристики, изучено термомехапическое поведение электродов.

3. Разработана серия иопио-оптических систем с геометрической фокусировкой пучка для диагностических и нагревных инжекторов.

4. Получены импульсные геометрически сфокусированные диагностические пучки быстрых атомов с плотностью потока в фокусе до 0.3 А/см2 и квазистациопариые с длительностью до 10 с.

5. Выполнена оптимизация параметров полученных диагностических диагностических пучков быстрых атомов для обеспечения ряда активных корпускулярных диагностик па установках MST, ГДЛ, TEXTOR.

6. Предложен и экспериментально исследован метод получения субмикросекупдных диагностических пучков быстрых атомов за счет модуляции плазменного эмиттера.

7. Экспериментально изучена транспортировка сфокусированного пучка атомов водорода, инжектируемого в источник поляризованных ионов с оптической накачкой. В результате инжекции пучка достигнута рекордная величина тока поляризованных ионов Н".

Автор выражает искреннюю благодарность А.А.Иванову за интенсивное плодотворное сотрудничество и многочисленные обстоятельные дискуссии. Автор признателен Э.П.Круглякову за постоянную поддержку работы. Автор благодарен А.Д.Беклемишеву, Г.И.Димову, П.П.Дейчули, А.Н.Зеленскому, В. А.Капитонову, А.П.Карпушову, С.А.Корепапову, А.Крейтеру, В.В.Мишагииу, Д.Д.Рютову, А.А.Подыминогину, В.Я.Савкину, Н.В.Ступишииу, Р.Улемапиу, Г.Фикселю, Д.Хартогу, Б.Швееру, И.В.Шиховцеву, Н.Г.Хавипу, Г.И. Шульжснко за сотрудничество и полезные обсуждения, Н.И. Лиске за прецизионную сборку ионно-оптических систем, В.А.Новикову за помощь в проведении ряда экспериментов.

1. Г.И.Димов, Г.В.Росляков, В.Я.Савкин. Диагностический инжектор атомов водорода. ПТЭ, 1977, №4, е.29-32.

2. Г.В.Росляков, В.Я.Савкин. Получение модулированного пучка атомов водорода с энергией 3-15 кэВ. ПТЭ, 1978, № 1, с. 148-150.

3. Л.М.Кудрявцев, А.Ф.Сорокин. Метод измерения локальных параметров плазмы с помощью пучка быстрых атомов. Письма в ЖЭТФ, 1973, т.18, в.8, с.486-490.

4. Е.В.Александров, В.В.Афросимов, Е.Л.Березовский и др. Измерения локальных параметров ионов в плазме токамака Т-4. Письма в ЖЭТФ, 1979, т.29, в.1, с.3-7.

5. В.В.Афросимов, Ю.С.Гордеев, А.П.Зииовьев, А.А.Коротков. Диагностика легких примесей в плазме токамака Т-4. Физика плазмы, 1979, т.5, в.5, с.987-995.

6. В.В.Афросимов, Е.Л.Березовский, А.Б.Извозчиков, М.П.Петров. Корпускулярная диагностика по перезарядке ионов плазмы на искусственной мишени в установке Токамак-4. Физика плазмы, 1980, т.6, в.2, с.240-248.

7. Е.Л.Березовский, А.И.Кисляков, С.Я.Петров, Г.В.Росляков. Измерение температуры ионов в горячей плазме по рассеянию быстрых атомов. Физика плазмы, 1980, т.6, в.6, с.1385-1395.

8. В.И.Терешии, В.В.Чеботарев, Б.А.Шевчук и др. Локальное измерение температуры иоиов в потоке плазмы по упругому рассеянию атомов водорода. Письма в ЖТФ, 1981, т.7, в.1, с.22-26.

9. В.И.Давыдеико, И.И.Морозов, Г.В.Росляков. Диагностический инжектор атомов водорода. Физика плазмы, 1981, т.7, в.2, с.262-469.

10. Е.Л.Березовский, М.М.Березовская, А.Б.Извозчиков и др. Локальные измерения ионной температуры по доплеровскому уширеиию водородной липни с использованием пучка быстрых атомов. Письма в ЖТФ, 1982, т.8, № 12, с.1382-1386.

11. Е.Л.Березовский, С.Л.Ефремов, А.Б.Извозчиков и др. Измерения ионной температуры плазмы на токамаке Т-10 по рассеянию пучка быстрых атомов. Диагностика плазмы. Выпуск 5. М, Эпсргоатомиздат, 1986, с.157-160.

12. В.И.Давыдсико, А.А.Иванов, А.А. Кабанцев и др. Корпускулярные методы диагностики плазмы па установке АМБАЛ. Диагностика плазмы. Выпуск 5. М, Энергоатомиздат, 1986, с. 147-152.

13. А.В.Григорьев, А.II.Зиновьев, А.И.Кисляков и др. Измерения локальной функции распределения ионов по энергии в плазме токамака "Туман-3". Письма в ЖТФ, 1984, т. 10, в.2, с.76-80.

14. Г.В.Росляков, С.Ю.Таскасв, Г.И.Фиксель. Измерение коэффициентов отражения протонов низкой энергии от металлической поверхности методом резерфордовского рассеяния быстрых атомов. Препринт ИЯФ СО АН СССР 86-168. Новосибирск, 1986.

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

16. V.I.Davydenko, A.A.Ivanov. Development of Neutral Beam Injectors for Plasma Diagnostic in Budkcr Institute of Nuclear Physics. Rev. Sci. Instrum., 2004, v.75, p. 1809-1812.

17. Е.Д.Беидср, С.А.Вибе, В.И.Давыденко и др. Диагностические инжекторы пучков быстрых атомов водорода ДИНА-6 и ДИНА-7. ПТЭ, 1996, №6, с.78-81.

18. G.F.Abdrashitov, E.D.Bender, V.I.Davydenko et al. Diagnostic Neutral Beam Injector for TEXTOR-94. Proc. XVIII Symp. on Fusion Tcchn., Karlsruhe, Germany, 1994, v.l, p.601-604.

19. G.F.Abdrashitov, V.S.Belkin, A.I.Gorbovsky, V.I.Davydenko et al. Diagnostic Neutral Beam Injector with RF Plasma Emitter. Proc. XX Symp. on Fusion Techn., Marseille, France, 1998, v.l, p.605-608.

20. A.A.Ivanov, G.F.Abdrashitov, V.S.Belkin, A.I.Gorbovski, V.I.Davydenko et al. Diagnostic neutral beam injectors for large plasma physics experiments. Fusion Technology, 1999, v.35, NIT, p. 180-184.

21. A.A.Ivanov, V.I.Davydenko, P.P.Deichuli et al. Radio frequency ion source for plasma diagnostics in magnetic fusion experiments. Rev. Sci. Instrum., 2000, v.71, p.3728-3735.

22. I.V.Shikhovtsev, I.I.Averbuch, V.I.Davydenko et al. Study of Ion Source of Diagnostic Neutral Beam Injector. Proc. XXV Inter. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Nagoya, Japan, 2001, v.l, p.329-330.

23. I.V.Shikhovtsev, G.F.Abdrashitov, I.I.Averbouch, V.I.Davydenko et al. Results of upgrade of diagnostic neutral beam injector for the TCV tokamak. Rev. Sci. Instrum., 2004, v.75, p. 1844-1846.

24. A.A.Ivanov, V.I.Davydenko, P.P.Deichuli et al. Diagnostic Neutral Beams for Plasma Studies in Magnetic Fusion Devices. Proc of the 19 th IAEA Fusion Energy Conference, Lyon, France, 14-19 October, 2002, paper IAEA-CN-94/FT/P1-18.

25. S.A.Korcpanov, G.F.Abdrashitov, D.Bcals, V.I.Davydenko et al. Neutral beam injector for active plasma spectroscopy. Rev. Sci. Instrum., 2004, v.75, p. 1829-1831.

26. A.Kreter, J.Baldzuhn, V.I.Davydenko et al. Development of the diagnostic neutral beam injector for Wendelstein 7-X. Proc. of German Physical Society, Aahen, Germany, 2003, v.38, p.33.

27. A.Nudclman, R.Goldston, R.Kaita. The fast ion diagnostic's neutral beam injector on the poloidal divertor experiment. J. Vac. Sci. Techn., 1982, v. 20, N4, p.1218-1221.

28. H.W.Kugel, R.Kaita, G.M.Gammel et al. The PBX-M 80 kV Neutral Probe Beam. Nucl. Instrum. Meth., 1989, B40/41, p.988-991.

29. A.II.Sarkissian, D-Nbi team. Tokamak de Varenne's diagnostic neutral beam injector. Rev. Sei. Instrum., 1998, v.69, p.923-925.

30. H.L.Yang, S.J.Yoo, S.MThvang et al. Development of a radio-frequency-driven ion source of the diagnostic neutral beam for the Hanbit device. Rev. Sci. Instrum., 2002, v.73, p. 10681070.

31. A.Simonin, A.Armitano, R.Brugnetti et al. 70 keV neutral hydrogen beam injector with energy recovery for application in thermonuclear research. Rev. Sci. Instrum., 2002, v.73, p.2886-2889.

32. S.T.Hahto, S.T.Hahto, Q.Ji, K.N.Leung et al. Multicusp ion source with external rf antenna for production of protons. Rev. Sci. Instrum., 2004, v.75, p.355-359.

33. В.И.Давыдепко, Г.И.Димов, И.И.Морозов, В.Я.Савкин. Развитие ионных источников для инжекторов АМБАЛ-М. Труды Всесоюзного совещания по открытым ловушкам. М, Энергоатомиздат, 1989, с.24-30.

34. Yu.I.Belchenko, V.I.Davydenko, G.E.Derevyankin et al. Ion Sources at the Novosibirsk Institute ofNuclear Physics. Rev. Sci. Instrum., 1990, v.61, p.378-384.

35. G.Fiksel, G.I.Abdrashitov, V.I.Davydenko et al. 1.5 MW Neutral Beam Injector for MST Reversed Field Pinch. Bulletin of the American Physical Society, 2001, v.46, N8, p.l 12.

36. P.P.Deichuli, V.I.Davydenko, A.A.Ivanov et al. High power hydrogen neutral beam injector with focusing for plasma heating. Rev. Sci. Instrum., 2004, v.75, p. 1816-1818.

37. A.N.Zelenski, V.I.Davydenko, G.I.Dimov et al. Pulsed optically-pumped polarized H- ion sourse development. Rev. Sci. Instrum., 1996, v.67, p.1359-1361.

38. A.N.Zelenski, V.I.Davydenko, G.Dutto et al. OPPIS development for precision experiment and high energy colliders. AIP Conf. Proc., 1998, N421, p.372-380.

39. C.D.P.Levy, A.N.Zelenski. Polarized ion sources for high-energy accelerators. Rev. Sci. Instrum., 1998, v.69, p.732-736.

40. V.V.Afrosimov and A.I.Kislyakov. Neutral particle diagnostics of plasma. Proc. of the Inter. School of Plasma Physics, Varcnna, Italy, 1982, p.289-310.

41. G.V.Roslyakov. Neutral beam injectors for plasma diagnostics. Proc. of the Inter. School of Plasma Physics, Varenna, Italy, 1982, p.311-323.

42. Р.Дж.Голдстои. Диагностика высокотемпературной плазмы в магнитных ловушках. Основы физики плазмы. Том 2. М, Эпергоатомиздат, 1984, с.583-627.

43. В.В.Афросимов, М.П.Петров. Состояние и перспективы корпускулярных методов исследования плазмы на термоядерных установках. Диагностика плазмы. Выпуск 5. М, Эпергоатомиздат, 1986, с.135-146.

44. А.Н.Зиновьев, В.В.Афросимов. Корпускулярно-спектроскопическая диагностика высокотемпературной плазмы. Диагностика плазмы. Выпуск 7. М, Эпергоатомиздат, 1990, с.56-111.

45. Л.И.Крупник, В.И.Терёшип. Методы активной корпускулярной диагностики плазмы. Физика плазмы, 1994, т.20, № 2, с.157-170.

46. E.IIintz, B.Schweer. Plasma edge diagnostics by atomic beam supported emission spectroscopy status and perspectives. Plasma Phys. Control. Fusion, 1995, vol.37, A87-A101.

47. В.И.Давыдепко, А.А.Иванов, Г.Вайсен. Экспериментальные методы диагностики плазмы. Новосибирск, Издательский центр НГУ, 1999.

48. В.С.Заверяев, А.Б.Извозчиков, С.Е.Лысенко, М.П.Петров. Нагрев ионов в установке Токамак Т-10. Физика плазмы, 1978, т.4, в.6, с. 1205-1210.

49. В.Г.Абрамов, В.В.Афросимов, И.П.Гладковский, А.И.Кисляков, В.И.Перель. Метод измерения температуры разреженной плазмы по рассеянию пучка атомных частиц. ЖТФ, 1971, т.41, с.1924-1932.

50. Т.Д.Ахмстов, В.С.Белкин, И.О.Беспамятпов, В.И.Давыдепко и др. Получение и исследование горячей плазмы в центральном соленоиде АМБАЛ-М. Физика плазмы, 2002, т.28, №9, с.816-821.

51. А.Н.Зиновьев, Е.Р.Кржижановский, А.А.Иванов, В.В.Клесов. Определение концентрации и температуры электронов по спектральным измерениям излучения водорода па установке ГДЛ. Препринт ИЯФ СО АН СССР 90-20. Новосибирск, 1990.

52. В.В.Афросимов, Ю.С.Гордеев, А.Н.Зииовьев. Возможности активной локальной диагностики ионов примесей в горячей плазме. Письма в ЖТФ, 1977, т.З, с.97-101.

53. В.И.Давыдепко, Г.И.Димов, Г.В.Росляков. Получение прецизионных ионных и атомных пучков высокой интенсивности. ДАН, 1983, т.271, №6, с.1380-1383.

54. В.В.Мирнов, Д.Д.Рютов. Газодинамическая ловушка. Итоги науки и техники. Серия Физика плазмы, 1988, т.8, с.72.

55. В.И.Давыдепко, Г.В.Росляков, Н.Г.Хавин. Исследование четырехэлектродпой многоцелевой системы формирования иоипого пучка. ПТЭ,1981, №5, с.21-22.

56. A.B.Wittkover, P.N.Rose, R.II.Bastidc, N.B.Brooks. Small Angle Scattering Observed in the Formation of Neutral Atoms from 10- to 55- keV Positive Ion Beams. Phys. Rev. A., 1964, v.136, p.1254-1259.

57. Физика и техника плазменных источников ионов. М.Д.Габович. М, Атомиздат, 1972.

58. V.I.Davydenko. High brightness ion and atomic beam formation. Bulletin of the American Physical Society, 1994, v.39, N7, p. 1624.

59. V.I.Davydenko. Formation of intense focused ion and atomic beams. Nucl. Instrum. Meth. A, 1999, v. 427, p.230-234.

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

61. K.Jinchoon, J.II.Whealton, G.Schilling. A study of two-stage ion-beam optics. J. Appl. Phys., 1978, v.49, N2, p.517-524.

62. J.H.Whealton, R.W. McCaffey, and P.S.Mesaros. A Finite Difference Method of 3-D Poison-Vlasov Algorithm for Ion Extraction from a Plasma. J. Сотр. Phys., 1986, v.63, N1, p.20-32.

63. M.M.Menon, C.C.Tsai, J.H.Whealton, D.E.Schcchter et al. Quasi-stcady-state multimegavvatt ion source for neutral beam injection. Rev. Sci. Instrum., 1985, v.56, p.242-249.

64. M.C.Vella, W.S. Cooper, P.A. Pincosy et al. Development testing of the U.S. common long pulse source at 120 kV. Rev. Sci. Instrum., 1988, v.59, p.2357-2365.

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

66. A.D.Beklemishev, V.I.Davydenko, A.A.Ivanov, A.A.Podyminogin. Assessment of thcrmo-mechanical stresses and stability of ion-source grids with peripheral cooling. Rev. Sci. Instrum., 1998, v.69, p.2007-2011.

67. AXCEL-codc. P.Spaedtke. Ing. Buero fuer Naturwissenshaft und Programm-Enwicklung, Junkerstrasse 99, D-65205 Wiesbaden, Germany.

68. The Physics and Technology of Ion Sources. Edited By Ian G. Brown. Wiley, New York, 1980, chapt.3.

69. Y.Ohara, M.Akiba, Y.Arakavva, Y.Okumura, and J.Sakuraba. Electron backstream to the source plasma region in an ion source. J. Appl. Phys., 1980, v.51, p.3614-3621.

70. Теория упругости. Л.Д.Ландау, Е.М.Лифшиц. М, Паука, 1987.

71. Thermal expansions in stationary temperature fields. E.Melan and H.Parcus. Vienna, Springer, 1953.

72. Theory of thermal stresses. B.A.Boley and J.H.Weiner. New York, Wiley, 1960.

73. B.Fomel, M.Tiunov, V.Yakovlev. SAM an interactive code for evaluation of electron guns. BINP Preprint 96-11. Novosibirsk, 1996.

74. А.Г.Барсуков, А.В.Волков, В.И.Давыденко, В.Ф.Королев, А.А.Медведев, В.А.Никулин, В.Я.Савкин, Г.И.Шульженко, Г.Н.Тилинип. Диагностический инжектор "ДИНА-6" для активного зондирования плазмы в установке "Токамак-10". Препринт ИАЭ-6328/7. М, 2004.

75. V.Shikhovtsev, G.F.Abdrashitov, V.I.Davydenko et al. RF-Plasma Emitter For Diagnostic Neutral Beam Injector. Proc. XXIV Inter. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, 1999, Warsaw, Poland , v.III, p.99-100.

76. А.А.Иванов, И.В.Шиховцев, А.А.Подыминогии, И.И.Авербух, Т.Д.Ахметов, В.И.Давыдсико, П.П.Дсйчули. Плазменный эмиттер на основе высокочастотного разряда. Физика плазмы, 2002, т. 28, № 3, с.221-228.

77. R.Uhlemann and J.Ongena. Variation of Injected Neutral Beam Power at Constant Particle Energy by Changing the Beam Target Aperture of the TEXTOR Neutral Beam Injectors. Fusion Technology, 1999, v.35, p.42-53.

78. L.Carraro, M.E.Puiatti, F.Sattin, P.Scarin, and M.Valisa. Requirements for an active spectroscopy diagnostic with neutral beams on the RFX reversed field pinch. Rev. Sci. Instrum., 1999, v.70, p.861-864.

79. V.I.Davydenko, P.P.Deichuli, A.A.Ivanov et al. A Plasma Source with ЬаВб Hollow Cathode for a Diagnostic Beam Injcctor. Proc. XXVI Inter. Conf. on Phenomena in Ionized Gases, Grcifswald, Germany, 2003, v. 4, p.127-128.

80. V.I.Davydenko, A.A. Ivanov. Steady state diagnostic neutral beam injcctor. J. Plasma Fusion Res., 2000, v.3, p.456-459.

81. Инжекторы быстрых атомов водорода. Н.П.Семашко, А.Н.Владимиров, В.В.Кузнецов и др., М.: Эисргоатомиздат, 1981.

82. В.И.Давыдснко, А.А.Иванов, А.Н.Карпушов и др. Измерения параметров быстрых ионов на установке ГДЛ методом искусственной мишени. Физика плазмы, 1997, т.23, №5, е.427-430.

83. J.C.Reardon, G.Fiksel, C.B.Forrest, G.F.Abdrashitov, V.I.Davydenko et al. Rutherford scattering diagnostic for the Madison symmetric torus reversed-field pinch. Rev. Sci. Instrum., 2001, v.72, p. 598-601.

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

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

86. W.L. Rowan, R.V.Bravenec, M.B. Sampsell et al. Development of CXRS on Alcator C-Mod Using a Diagnostic Neutral Beam. Bulletin of the American Physical Society, 2002, v.47, N9, p.235.

87. Y.H. Yuh, S.D.Scott, R.S.Granetz et al. Calibration of and Measurements from the Alcator C-Mod Motional Stark Effect Diagnostic. Bulletin of the American Physical Society, 2001, v.48, N7, p.99.

88. A.J.II.Donne, R.Jaspers, C.J.Barth et al. New diagnostics for physics studies on TEXTOR-94, Rev. Sci. Instrum., 2001, v.72, p.1046-1053.

89. P.Bosshard, B.P.Duval, J.Mlynar, H.Weisen. Charge exchange recombination spectroscopy optimization with the TCV diagnostic neutral beam. Proc. of the 28 th EPS Conf. on Contr. Fusion and Plasma Phys., Madeira, Portugal, 2001, v. 25A, p.365-368.

90. K.J.McCarthy, R.Balbin, A. Lopez-Fraguaz et al. Diagnostic neutral beam injector and associated diagnostic systems for the TJ-II stellarator device. Rev. Sci. Instrum., 2004, v.75, p.3499-3501.

91. D.Farina, R.Pozzoli, D.Ryutov. Resonance phenomena accompanying the injection of a periodically pulsed neutral beam into a tokamak. Plasma Phys. Control. Fusion, 1994, v.35, p.1243-1260.

92. V.I.Davydenko, A.A.Ivanov, A.N.Karpushov, R.Pozzoli, M.Rome and D.D.Ryutov. Radial electric field measurement in a tokamak by the injection of a pulsed neutral beam. Plasma Phys. Control. Fusion, 1994, v.36, p.1805-1817.

93. V.I.Davydenko, A.A. Ivanov. Feasibility study for a novel pulsed neutral beam diagnostics for tokamak. DINP preprint 93-10. Novosibirsk, 1993.

94. W.M.Belokopytov, N.N.Semashko and P.D.Chromov. Proc. XVII Symp. on Fusion Techn., Roma, Italy, 1992, v.l, p.637-640.

95. В.И.Давыдепко, А.А.Крейтер. Получение диагностического субмикросекупдпого пучка быстрых атомов с использованием сеточного модулятора. Физика плазмы, 1996, т.22, №11, с. 1067-1069.

96. Метод частиц в динамике разреженной плазмы. Ю.Л.Березин, В.Л.Вшивков. Новосибирск, Наука, 1980.

97. В.И.Давыдепко, Н.Г.Хавин. Получение интенсивных пучков протонов и атомов водорода с энергией ~ 1 кэВ. Вопросы атомной науки и техники. Сер.: Термоядерный синтез, вып.З, 1990, с.58-59.

98. Численные методы решения задач электрооптики. В.П.Ильин. Новосибирск, Наука, 1974.

99. P.A.Pincosy, W.C.Turner. Development of low-energy beams for fueling the central cell of a tandem mirror. Rev. Sci. Instrum., 1987, v.58, p. 1576-1578.

100. V.I.Davydenko. Development of the BINP type atomic injector for the OPPIS. Proc. of the Workshop "Polarized Protons at High Energies- Accelerator Challengies and Physics Opportunities", DESY, 1999, DESY-Proc-1999-03, p.l 87-192.

101. A.Zelenski, J.Alessi, S.Kohanovski, A.Kponou, H.Huang, V.Klenov, V.Davydenko. Feasibility study of 20-50 mA polarized H* source for high energy colliders. BNL, LDRD, 2001.