Рекуперация энергии интенсивного протонного пучка тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

Всероссийский электротехнический институг им. В. И. Ленина

На правах рукописи

ФУНТИКОВ Виктор Петрович РЕКУПЕРАЦИЯ ЭНЕРГИИ ИНТЕНСИВНОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА (01.04. 08 - физика и химия плазмы)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико - математических наук

Москва-1992

Райота выполнена в Физико-технологическом центре Института ядерной физики Сибирского отделения Российской; академии наук.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Защита состоится

- член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук И.Н.МЕШКОВ

- доктор' физико-математических наук, профессор И. Н. ГОЛОВИН

- доктор технических наук, старший научный сотрудник М. А. ЗАВЬЯЛОВ

Институт электрофизики .

Уральского отделения

РАН (г.Екатеринбург).

" 1992 г. - в '

часов

на заседании специализированного совета Д 143.04.01 при Всероссийской электротехническом институте ки.В. И, Ленина по адресу: 111230, Москва, ул. Красноказарменная, 12. ;

С диссертацией ыокно ознакомиться в библиотеке ВЭИ. Автореферат разослан " " 1/Х> X 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат технических наук ^^-^¿¡^р ¿- С ^ А-с- СОБОЛЕВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одной из проблем использования ускорителей пучков заряхенных частиц является утилизация энергии "отработавшего", выполнявшего свое функциональнее назначение, пучка. Рекуперация, или прямое преобразование, кинетической энергии направленного потока заряженных частиц в знергкв электрического поля в замкнутом цикла "ускоритель - рекуператор - система питания" позволяет решить одновременно несколько вопросов: снихение тепловых нагрузок на коллектор, уменьшение интенсивности распыления материала приемное поверхности, а, следовательно, улучшение вакуумных условий, я экономия электроэнергии. Реализация многих ускорительных проектов вообще невозможна оез систем . рекуперации из-за чрезмерных энергетических затрат. Использование рекуператоров позволит в будущем увеличить КПД термоядерных реакторов. Системы торможения интенсивных ионных пучков могут быть использован« также в установках ионно-плазменной технологии.

К началу выполнения работы отсутствовали даяние о

3

возможности а способах преобразования энергии интенсивник ионних жучков с плотностью тока до 200 mMsm2. Это обстоятельство и определяет актуальность диссертации.

Осномиот целями исследований, описанных в диссертации, являлись следущие: разработка и создание рекуператоров интенсивного прогонного пучка; определение эффективности прямого преобразования энергии; исследование механизмов, являвшихся причиной ограничения КГЦ рекуператоров; изучение вопросов транспортировки интенсивных пучков в вакуумной камере с кагниттш линзаш и преобразования геометрии пучка.

Научная яовизна работа

Впервые создан й- исследован рекуператор с полезной импульсиой модностью 30 кВт и плотность» рекуперированного тока £00 i,A/c:r при ЩЬ 50'/..

Экспериментально исследовал баланс тока в рекуператоре. Установлено, что после отделения нкзхознергичньгс электронов в сепараторе рекуператора пучок,попадая в коллектор, вновь нейтрализуется за врем порядка S0' мхе и поступает преимущественно на заднов стенку коллектора - цилиндра Фарадея. Разработанная ы&тодика анализа баланса тока позволяет определять нейтрализованную дога протонного пучка и определять коэффициент" вторичной ионно-злектрокйой эмиссии с поверхности коллектора.

Показано, что КПД рекуператора с .сеточнш сепаратором принципиально ограничен вторичной ион-электронной эмиссией с сеток. .

Предложен способ преобразования цилиндрического интенсивного пучка в ленточный с помощью линзы Панофского, исследован

процесс преобразования я транспортировка пучка в ¡шадруполькои магнитном поле.

Предлокен, реализован и исследован сепаратор электронов и протонов в скрегэнгна полях для ленточного пучка, позволяющий снизить доли потерь мощности «а супрессорпом электроде до 3% .

Разработан рекуператор энергии ленточного протонного пучка с плоским коллекторов а сесазточшм сепаратором с эффективностью по МОДНОСТИ - 67'/..

Практическая ценность работы. Полученные результаты по рекуперации кнгепсязных протонных пучков позволит сделать вывод о том, что использование прямых преобразователей энергии цияиндричэских пучков с электростатическим отделением электроноз при помоги сеточкого блока целесообразно в ннкнсторах, работаиих в импульсных и квазшитуяьсиих рзпшах. Ш приаэпевяо ограничено теплоэнделг:шом в соточком блоке. Эяспержкэнта по рекуперации проводились с источником протонов "СТАРТ", прообразом иигекторов "СТАРТ-2" и "СТДРГ-3", используешх в Институте ядер::оа физики СО РАН для создания вкеохотеипературяой плазкы а торцевых пробкотронах акб;гполяр:юЗ плазменной ловушки. Поэтому разработанный рекуператор по своим параметрам непосредственно моазт бить использован для прямого преобразования энергии шгперезар.чдЕзвайсяс часта когагого пучка в указанных . установках и установках подобного типа с эффективность» преобразования по коцностя в пределах 0.3+ 0.73 Сэ зависимости от янтаясивкоэти яучкаЗ. Конструкция вакуушоа части рэкуператорэ достаточно коипактяа я позволяет разкеотить его в объоыв, но правыш&пхеи разкэроз. источника ионов. Рекуператор ленточного пучка рассчитал для преобразования ыоадшя

непрерывных ионных пучков, так как в нем отсутствуют рабочие / ¡эверхности, бомбардируемые частицами пучка с полной энергией. Результаты представляют также несомненную практическую ценность для решения обцей проблемы рекуперации энергии и утилизации плазменного потока, покидающего термоядерный реактор. Последнее в первую очередь относится к так называемым "ловушкам открытого типа" САМБАЛ-М, ГОЛ, ГДЛ и другие). • / ,

Катоды исследования. Специфика диагностики заключается в том, что интенсивный ионный пучок кьазикеЛтрален; его простран-ствегашЗ заряд практически полностью нейтрализован медленными злектрошн. Для ваиереам распределения относительное плотности тока пучка яспольэозаяясь порс-шщдемае в вакуумной объеме вторачно- шоссиош» датчика. При их кспользоганюг особое вшшга* удалялось огсэчхе иодлвшш электронов от ионов пучка. Полоша той ленточного пучка нзиерялса - калориметрироваяиеи. Положение в раэдар цвлаздричесхсго пучка в рекуператоре, сфокусированного иалитноа линзой, регистрировались по свечению . титановой фольги толщиной 10 шеи,а $ораа сечения ленточного пучка - по свечению гаошшо$ора. Для . тюрею» углового расхождения ленточного пучка яспольаоаадйя; специально для этого раараеотгдйый секциоаароаанный датчик. Измерение в обработка . сигналов с даттакоа бшга аьтадатазироваяы с использованием блоков стандарта КАМАК и 5ВМ. Тока та электроды - рехуператора измерялись ; поясаын Рогозского {трансформатора® тока}, предварительно срошиброзаннаа да «верительном стенде.

Представленные в диссертации научные положения, акспериагентаяыше а теоретические результаты достаточно достоверны н обоснованы. Это определяете* ; систеиатическим

характером исследования, большим ойъемом экспериментального материала и согласованностью результатов, полученных различными методам».

Основные результаты, выносимые на защиту.

1.Рекуператор цилиндрического пучка с полезной мощностью 30 кВт в импульсе , плотностью рекуперированного тока 200 мА/см* и к. п. д. 5054.

2. Результаты исследования тормогения высокопервеаксного протонного пучка в коллектор типа "цилиндр Фарздея" с первеансом 100 мкА/В3/г.

3. Способ преобразования цилиндрического интенсивного протонного пучка в ленточний с помощью линзы Панофского, учитывавший особенности транспортировки такого пучка в квадрупольном магнитном поле.

4. Рекуператор энергии ленточного протонного пучка а КПД 67?; с магнитным сепаратором электронов и протонов, позволяющим реализовать бессеточну» конструкцию.

Апробация работы. Результата работа докладывались на VII Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике в г.Томске (1938г.), на }'.1 Всесоюзной сешнарэ по физика и технике интенсивных источников ионоз к ионных пучков з г.Киеве (1991г.), на семинарах ИАЭ им. И. Б. Курчатова, ЕЭИ кн. 8. И. Ленина, плазменные лабораторий ИЯФ СО РАЙ. Пагч'нкз несяодовазил, определивши) содерганйв серию: трех глаз, проводилась в соответствии с планов научно - ксоледовательскоЯ работа гю. договору К-30-03 С1935-В3гг.) , заключенному Ковоснбирсгаиг госудадэствэянш университетом с Институтом атомной экзрг.и км. Н. 3. Курчатова. По

материалам диссертации опубликовано 4 печатные работы. Пятая -

I

1 Н. Мешков, В. П. Фунтиков "Рекуперация энергии интенсивного протонного пучка.с преобразованием геометрии", находится в печати.

Структура и объем работы. Диссертация содержит 95 страниц, 41 рисунок, 6 таблиц и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обосновывание актуальности работы, кратко -изложено современное состояние исследований ионных рекуператоров, сформулированы основные цели работы, описаны структура и содержание диссертации. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе делается обоснование выбора схемы рекуператора с сепарацией кошенсируюдих электронов и быстрых ионов в ионно-пучковой плазме. Для выбранной схемы рекуператора, состоящего из апертурной диафрагмы, заземленного и супр.ессорного сеточных электродов и коллектора, даны определения КПД и относительных потерь тока на перерезарядку и ионизацию .ионов пучка внутри рекуператора. Рассмотрена модель плоского диода с неэквипотенциальными плоскостями для оценки предельного тока в рекуператор. Предварительным анализом показано, что рекуператор с сеточным блоком может иметь высокий КПД. Ввиду отсутствия опыта преобразования энергии интенсивных ионных пучков в подобных системах сделан вывод о , необходимости их экспериментального исследования. :

Во второй главе даны характеристики ' экспериментального стенда , изображенного на рис.1, в котором использован импульсный источник протонов "Старт" с .'параметрами пучка, приведенными в таблице 1. Измерения распределения плотности тока

Рис.4 Зксперилеитйльный стэн.1

1. Инжектор протонов "Старт" б, Сеточный блок рекдтератоса

2. По1Еи,«иой датчик (2и-т,> 7. Коллектор

3. Брс.нироз'зм.«,оя акСг-й^ьпая иикза 5. Фольга

4. Сетка 9. Смотр лов ОШО 3. ¿иафрогнга 10. Стойка КПП

11- ЕЛ рекуператора

12. ИОХОС ?МД-0.4;2ат.)

13. Ааотноя меулч(2шт.)

14. Полос тМН)£3

15. ЕЛ инжектора"Старт'

пучка на входе в рекуператор показали, что размеры поперечного

Таблица 1

Параметры протонного пучка

Энергия протонов. кэВ 5-15

Ток протоного пучка, А 3-15

Диаметр на выходе инжектора, мм 90

Длительность импульса тока, мке 300

Частота повторения импульсов, Гц 0.1

сечения пучка, предварительно сфокусированного магнитной линзой, соответствуют полохеюш и размерам аппертуркой диафрагмы, расположенной непосредственно перед рекуператором. Приведена результаты экспериментов рекуператора цилиндрического пучка с треия типами коллекторов: плоский, цилиндром Фарадел без сетки и с сеткой на входном отверстии. Дано сравнение трек исследованиях схеи по эффективности преобразования. Введено понятие "глубины торможения" ¿и как разность мэхду ускорявши» напряжением и коллекторным, при котором рекуперируемая мощность максимальна. Зависимость "глубины торможения" Ш о? коллекторного тока /со1 приведена на рис.2. Показано, что дм плоского коллектора и цилиндра Фарадея с сеткой на входном отверстии Ш практически постоянно в диапазоне коллекторных токов 0.1 + 3.5 А, а для открытого цилиндра Фарадея эта зависимость соответствует "закону 3/2" с микропервеансок, соответствующий дакноа геокетрии. Величина "глубины тормоавния" связывается с ■угловой расходимостью пучка в области мезду сулроссороа а коллектором. Для подтверждения этой гипотезы представлены результаты расчета на ЭВМ угловой расходимости пучка с учетом влияния

Рис.2.Зависимость тормозного напряжения Ш от коллекторного тока /со1; а - экспериментальные точки для плоского коллектора, о . о - экспериментальные точки для цилиндра Фарадея с диаметром входного отверстия 110 мм и 63 мм соответственно;

1,2- расчетные зависимости Ш - (/оо1/Рсо! )я/,а;.

1 - Рсо1 -24 юсА-В"5"»,

2 - Рсо! « 80 мкА/В-3/".

И

пространственного заряда. Расчетные к экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуется. Максимальный КПД 2! 75:4 получен в рекуператоре с цилиндром Фарадея при плотности тока 4 кА^см2, и максимальная рекуперированная шаность С с тем же коллектором) 30 кВт при плотности тока ЙООмА/см2 и КПД а 50Я.

Третья глава посвящена описанию экспериментов по исследовании баланса тока в рекуператоре и анализу возможных источников потерь тока в транспортировочном тракте и на электродах. Возмодность раздельного измерения тока с внутренних боковых стенок и дна цилиндра фарадея с варьированием потенциалов на них позволили измерить эквивалентный ток в коллектор быстрых нейтралов, образовавшихся в результате перезарядки ионов пучка при столкновении с частицами остаточного газа. В этих кз экспериментах измерено время повторной нейтрализации пучка медленными электронами внутри цилиндра и показано, что в рехиие нейтрализации весь пучок попадает на дно цилиндра. Попутно предложена методика измерения коэффициента вторичной кон-электронной эмиссии материала коллектора. Показано, что коэффициент вторичной ион-электронной эмиссии с цилиндрической поверхности проволочек супрессоркого электрода в 1.5 _ 3 раза выше, чей с плоской поверхности того тв материала. Этим и объяснено большое значение тока в цепи супрессорного электрода, не соответствующее геометрической прозрачности этой сетки. Итоговый баланс протонного тока от источника до коллектора сходится с точностью ±1054,

В четвертой главе рассмотрены вопросы преобразования цилиндрического протонного пучка в ленточный в квадруполькой магнитной линзе с прямоугольной аппертурой (линза Пакофского). Измерение профиля преобразованного пучка с поыощьэ

секционированного поворотного датчика и фотографирование следа пучка на лвминофоре показали, что расчетные значения размеров ленточного пучка совпадают с реально полученными (8x300 ?м* 5. Минимальная толщина ленты ограничена начальной угловой расходимость» пучка С20 мрад) на входе в линзу. Установка внутри линзы прозрачной металлической сетки под нулевым потенциалом улучшает условия транспортировки пучка в линзе, т.к. уменьшается зремя коютенсации пространственного заряда пучка вторичными электронами. Предложена и исследована конструкция рекуператора для ленточного пучка с магнитной и электростатической сепарацией электронной компоненты. Поперечное магнитное поле с напряженностью в пролетном зазоре 0.08 Тл создается двумя полосками постоянных магнитов из сакгрня-кобальтового сплава, размещениями на первом, заземленном электроде. Описаям результаты экспериментов по рекуперации ленточного протонного пучка. Максимальны? КПЛ г» 67'/. получен яял лучка с плотностью тока 15 мАхсм*. Делается вывод, что отсутствие в ленточяоя рекуператоре сеточного блока для отделения электронной компонотй дает возможность рекуперировать непрерывные ионные пучки большой мощности.

В заключении сформулированы осисвяие результаты работа, кратко изложенные вьш и приведен пример использования рекуператора в инжекторном тракта.

ОСНОВНОЙ МАТЕРИАЛ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАН В РАБОТАХ:

1.В. П.Фунтиков, В.И.Гусельников, И.Н.Мешков, Т.И.Ор&ййЧ* В. Я.Савкин. Рекуперация энергии интенсивного пучка протонов. Новости термоядерных исследований. Т.1(41). ИАЭ им. И. В.Курчатова

г.Москва, 1988 г.

2. Гусельников В, И.. Мешков И.Н., Оришич Т. И. .Савкин В. Я., фунтиков В. П. Рекуперация энергии интенсивного пучка протонов. -В кн.: Тезисы докладов VII Всесоюзного симпозиума по сильноточной электронике. Томск, 1938, часть 2, 0,269-272.

3. В. И. Гусельников, И. Н. Мешков, Т. И. Оришич, В. Я. Савкин, В. П. Фунтиков. Рекуперация энергии интенсивного пучка протонов, компенсированного медленными электронами. Атомная энергия, 1990, т. 68. : ____'

4. V. P.Funtikov, V. I.Guselnikov, I.N.Heshkov, V. Ya.Savkin Т.I.Orishlch. Energy recuperation of Intense proton beam neutralized by slow electrons.Preprint 89-82. Institute of Nuclear Physics. Novosibirsk, 1989.

ПМБ ВЭИ. Красноказарменная. 12

Тирах 75 экз. Заказ IBO