Инжекторы быстрых частиц являются одной из главных составляющих в установках для плазменного эксперимента. К настоящему времени подобные устройства также получили широкое распространение в прочих областях физических исследований и технических приложениях. Разработка ионных инжекторов, формирующих сильноточные пучки изотопов водорода и прочих элементов, производится в ряде ведущих лабораторий разных стран.
Одним из направлений деятельности Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН является постановка и проведение экспериментов в рамках программы по исследованию управляемого термоядерного синтеза. Для активной корпускулярной диагностики и нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием широко используются пучки быстрых частиц, в связи с чем в Институте ведется разработка и производство диагностических и нагревных инжекторов.
Диагностика плазмы играет важную роль во всех плазменных экспериментах. Пучки быстрых атомов для нагрева плазмы, обычно имеющие полный ток в десятки ампер, энергию до 100 кэВ и более, длительность до 10 -30 с, позволяют производить некоторые диагностические эксперименты, но использование специализированных узких слаборасходящихся диагностических пучков является более предпочтительным. В Институте ядерной физики СО РАН разработана серия диагностических инжекторов, предназначенных для активной корпускулярной диагностики плазмы в открытых ловушках и токамаках средних размеров. Эти инжекторы позволяют получать слаборасходящиеся диагностические пучки быстрых атомов водорода, дейтерия, гелия с энергией в диапазоне 10−60 кэВ, эквивалентным током 1 — 10 А и длительностью импульса 0,1 мс — 10 с.
Газоразрядные источники ионов появились в конце позапрошлого столетия одновременно с открытием «каналовых лучей», однако начало развития эффективных источников следует отнести к 30-м годам XX века.
Начиная с 30-х годов прошлого века в качестве источника ионов стали использовать дуговой разряд с накаливаемым катодом. В этих источниках применяли большие разрядные токи, ограничивали размеры анода, который помещали вблизи выходного канала, вводили зонд с отрицательным потенциалом и с каналом для извлечения ионов из плазмы.
Первые разработки сильноточных ионных источников относились главным образом к дуоплазматронам и дуопигатронам — устройствам с двухступенчатым разрядом [1]. В обоих случаях разряд поддерживается при относительно высоком давлении (около 3*10″ Topp) и низком напряжении (обычно, 10 В) между термоэлектронным катодом и промежуточным электродом, действующим как первичный анод.
Накаливаемый катод часто ограничивает величину разрядного тока. Поэтому в качестве ионного источника в некоторых случаях используют разряды других типов, не требующие накаливаемого катода. В 1950 г. было предложено использовать мощный импульсный дуговой разряд с холодным катодом, возникающий при переходе разряда Пеннинга в дугу, в качестве ионного источника [2].
Извлечение ионов из плазмы, их ускорение и формирование пучка осуществляется электростатически с помощью ионно-оптических систем (ИОС). При разработке ИОС ставится задача в отыскании оптимальной геометрии электродов для снижения аберраций и обеспечении минимально возможной угловой расходимости пучка. Впервые подобная задача была решена Пирсом для получения пучка электронов, вытягиваемого с помощью электродов с круглыми или щелевыми отверстиями [3]. Он разработал такую форму электродов, которая должна была бы создавать требуемые параллельные пучки.
Если требуется обеспечить очень малую угловую расходимость пучка, то следует особенно внимательно отнестись к конструкции системы извлечения пучка. Этого можно добиться либо с помощью цикла экспериментов, либо с помощью численного моделирования. Другой подход к конструированию электродов предлагает моделирование с использованием электролитических ванн. Сложная вычислительная программа была разработана Уитли с сотрудниками [4]. Используемые ими вычислительные методы позволили им «запускать» ионы из состояния покоя не с предполагаемой границы плазмы, а непосредственно из плазмы, что дало возможность учесть скорость в направлении электродов, сообщаемую ионам слабыми полями, существующими в плазме.
Настоящая революция в области разработок ионных источников произошла в 70-х годах прошлого столетия, и была связана с появлением мощных плазменных источников, обеспечивающих крупноразмерный однородный плазменный эмиттер, внедрением многоапертурных ионно-оптических систем больших размеров, и позволивших создавать пучки с током до десяти и более ампер [5, 6], а также появлением мощной компьютерной техники и созданием более совершенных программ численного моделирования [7]. Среди разработок того времени в первую очередь стоит отметить ионный источник, построенный в Оук-Риджской Национальной лаборатории по принципу дуопигатрона [8]. Наряду с этим в плазменных источниках ионов использовались разнообразные конфигурации периферийного магнитного поля для повышения однородности плазменного эмиттера и обеспечивающие формирование пучков в несколько десятков ампер [9].
Специфика разработки диагностических инжекторов обусловлена требованиями, предъявляемыми к диагностическим пучкам. Для обеспечения малой угловой расходимости существенно возрастают требования к однородности плазменного потока из источника на первый электрод ИОС, оптимизации геометрии формирующей системы и допускам ее изготовления, ужесточаются требования к системам питания, поскольку стабильность параметров пучка играет определяющую роль в обеспечении точности диагностических исследований.
В 1998 г. для спектроскопии перезарядки ионов примесей плазмы (CXRS) на токамаке TEXTOR (научно-исследовательский центр «Юлих», Германия) был спроектирован диагностический инжектор RUDI [10]. Первоначально, для генерации плазмы в нем использовался источник с высокочастотным разрядом. В ходе модернизации в 2006 г. он был заменен дуговым генератором с накаливаемым катодом, что позволило существенно улучшить массовый состав водородного пучка (содержание атомарных ионов с полной энергией с 60%-70% до 80−85%), а также исключить влияние ВЧ помех на оборудование, используемое на токамаке. При этом, по конструктивным причинам нового дугового источника, предельная длительность пучка была снижена с 10с до 4с в режиме модуляции 1:1.
Разрешающая способность CXRS измерений и уровень диагностического сигнала напрямую связаны с угловой расходимостью и плотностью частиц диагностического пучка, соответственно. В связи с этим, принципиально важным является вопрос обеспечения высоких показателей таких параметров пучка, как его полное энергосодержание, плотность в области мишени, малая расходимость, высокое содержание компоненты с полной энергией.
Основу данной диссертации составляют результаты по разработке системы формирования пучка на основе щелевой геометрии элементарных ячеек, исследованию конструкций дуговых источников плазмы с увеличенным временем работы (близким к стационарному режиму). В диссертацию также включены результаты разработки и испытаний спектроскопического диагностического оборудования для мониторинга основных параметров пучка. Эти результаты в основном были получены в период с 2009 по 2011 г.
В 2008 г. было принято решение о дальнейшей модернизации инжектора [11]. Прежде всего, она подразумевала разработку новой ионно-оптической системы для увеличения полного тока пучка и снижения угловой расходимости. Результатом предварительных исследований, в ходе которых были проведены компьютерное моделирование формирования пучка с помощью щелевой элементарной ячейки, и тепловые расчеты вариантов геометрии расположения ячеек, стало создание системы с параллельными щелями (предыдущая версия ИОС имела круглые ячейки с гексагональной структурой). Щелевая ионная оптика ранее разрабатывалась для диагностического инжектора RUDI-X, в ходе которой были проведены компьютерные расчеты и тестовые эксперименты формирования пучка при помощи элементарной щели [22]. Однако ранее не предпринимались попытки создания многоапертурной щелевой ионно-оптической системы с геометрической фокусировкой пучка.
Модернизация инжектора также предполагала разработку нового разрядного элемента источника плазмы с увеличенным тепловым пределом, для обеспечения полной длительности импульса до 8 с. По результатам предварительных исследований было решено изготовить новый металлокерамический дуговой канал с усиленными диафрагмами и более интенсивным водяным охлаждением.
Внедрение новых диагностик для исследования непосредственно параметров нейтральных пучков также является одной из важных задач в области физики плазмы в рамках УТС. Параллельно с модернизацией источника RUDI был расширен набор используемого диагностического оборудования для измерения параметров пучка. На базе применявшегося ранее одноканального На спектрометра был построен многоканальный покомпонентный измеритель профиля пучка, включающий в себя специально разработанную оптическую систему эндоскопа, установленную в вакуумном объеме инжектора. В качестве приемника использована двумерная CCD матрица. В данном устройстве была реализована возможность отслеживания массового состава и профиля пучка на протяжении всей длительности импульса. Помимо этого, в использование были введены спектроскопической измеритель поперечных скоростей в пучке по уширениям На пиков, и оптической сканер пучка для его фото и видеосъемки.
На защиту выносятся следующие положения:
Разработана многощелевая система формирования пучка с геометрической фокусировкой.
Создан дуговой генератор плазмы с увеличенным временем работы (близким к стационарному режиму).
Применено спектроскопическое диагностическое оборудование для мониторинга основных параметров атомарного пучка.
— Значительно увеличен сигнал комплекса CXRS и расширены его диагностические возможности.
Диссертация была подготовлена в Институте ядерной физики совместно с Институтом физики плазмы Исследовательского центра Юлих (Германия). Вклад обоих институтов в выполнении данной работы был соразмерным и равноценным. В Институте ядерной физики была проведена разработка многощелевой ИОС инжектора и модернизированного дугового источника плазмы, производство дугового генератора было выполнено на экспериментальном производстве ИЯФ. Щелевые электроды были изготовлены в Германии по конструкторской документации, составленной в НКО ИЯФ. Оптические диагностики были подготовлены и запущены в Институте физики плазмы в Юлихе. Испытания модернизированного инжектора и оптические исследования пучка были проведены в Юлихе в реальных рабочих условиях токамака TEXTOR. На заключительном этапе была проведена серия измерений температуры и вращения плазмы с помощью CXRS диагностики при обновленной конфигурации пучка RUDI.
Заключение
.
Основу настоящей диссертации составили разработка щелевой ионно-оптической системы диагностического инжектора RUDI, исследования по продлению времени работы плазменного генератора, создание новых диагностик пучка, выполненные в рамках модернизации инжектора, которая была проведена в период с 2009 по 2011гг:
1. Рассчитана, изготовлена и испытана фокусирующая ионно-оптическая система с многощелевой геометрией элементарных формирующих ячеек. В результате полный ток ионов увеличен до 3 А, угловая расходимость пучка в направлении вдоль щелей снижена до 0.35°.
2. Разработана и испытана конструкция разрядного канала с увеличенной длительностью импульса до 8 с для обеспечения диагностических измерений плазмы на протяжении всего выстрела токамака TEXTOR.
3. На разработанном спектроскопическом оборудовании проведены измерения угловой расходимости пучка RUDI в двух направлениях и ее временной эволюции, а также массового состава пучка.
4. Увеличение тока пучка и снижение угловой расходимости привело к двукратному росту диагностического сигнала CXRS. Диагностический пучок RUDI в новой конфигурации обеспечивает стабильные измерения скорости вращения плазмы и ионной температуры на токамаке TEXTOR с временным разрешением порядка 1 с.
В заключение автор выражает глубокую признательность всем коллегам, оказывавшим помощь в подготовке настоящей работы. Особенную благодарность хочется выразить моим научным руководителям — д.ф.-м.н., проф. Иванову Александру Александровичу, д.ф.-м.н. Давыденко Владимиру Ивановичу и руководителям с немецкой стороны — Профессору Доктору.
Ульриху Замму и Доктору Бернду Швееру за наставление и ценные советы на протяжении всей работы. Также хочу сказать огромное спасибо Шульженко Григорию Ивановичу и Савкину Валерию Яковлевичу, принимавшим непосредственное участие в модернизации инжектора и системы питания, и внесшим неоспоримый вклад в решение технических вопросов по его матчасти, к.ф.-м.н. Ахметову Тимуру Дарвиновичу за ценную помощь и советы по аналитической интерпретации экспериментальных результатов, членам инжекторной группы — к.ф.-м.н. Дейчули Петру Петровичу, к.ф.-м.н. Шиховцеву Игорю Владимировичу, Ступишину Николаю Валериевичу и Сорокину Алексею Валерьевичу за советы и вклад в решении технических и организационных вопросов, Капитонову Валериану Александровичу за постоянную помощь в решении вопросов по производственной части, Доктору Яну Коенену за помощь в проведении эксперимента на токамаке TEXTOR и обработке результатов и Доктору Рейнарду Улеманну за численные расчеты ионной оптики инжектораГюнтеру Херперсу, Норберту Зандри, Манфреду Зауэру и Вильфреду Шальту, оказывавшим постоянную помощь в решении рабочих вопросов в Юлихе, конструкторам Рухляде Ларисе Петровне, Мишагину Валерию Викторовичу и Белову Виктору Петровичу за серьезный вклад в разработку и подготовку технической документации производимого в ходе работы оборудования. Большое всем спасибо!
