СТАРТ – 5 5 мс инжектор для нагрева плазмы с фокусировкой пучка: состояние дел Абдрашитов Г.Ф., Абдрашитов А.Г., Дейчули П.П., Донин А.С., Иванов А.А., Капитонов В.А., Мишагин В.В., Савкин В.Я., Сорокин А.В.

Предыстория Мэдисонский Симметричный Тор (диаметр окна для инжекции~70 мм)

Параметры нагревного инжектора - рабочее напряжение -25 кВ -ток (в ионах) - до 60 А - длительность импульса 1,2 мс (ограничение системой питания) - 4-электродная ИОС, сферические сетки R=1500 мм - начальная апертура пучка 200 мм отверстия диаметром 2.5 мм - прозрачность ИОС ~53% - дуговой источник плазмы с током до 1200 А - мультипольная магнитная стенка на постоянных магнитах

Схема нагревного инжектора для MST

Внешний вид магнитной стенки

Внешний вид ионно-оптической системы

Встречный электронный пучок Плазменный U=25 кВ Вытягивающий U=22,5 кВ Ускоряющий U=-300 В U=0 Ионный пучок Расчет на PBGUNS: оптимальный ток доля всей ИОС 55 – 60 А, минимальная расходимость 12 мрад

Гексагональная структура отверстий 3433 отверстия 2,5 мм Прозрачность 52% Геометрический фокус ИОС меньше, чем радиус кривизны сеток. F 0,8R Геометрическая фокусировка 200

1.Получен 25 кВ пучок с током свыше 50 А и длительностью 1,2 мс 2.Оптимальный ток при напряжении 25 кВ, 48 – 50 А 3.Минимальный размер пучка r e =20 мм 4.Фокусное расстояние инжектора F = 120 см 5.Минимальная угловая расходимость 17 мрад 6.Максимальная плотность тока в фокусе 4 А/см 2 7.Массовый состав пучка H + : H 2 + : H 3 + = 90 : 7: 3 % 8.Коэффициент нейтрализации 70 % Достигнутые результаты Нерешенные проблемы 1.Поддержание стабильного во времени тока пучка в импульсах длиннее 1,2 мс 2.Увеличение полного потока плазмы из дугового генератора 3.Низкая надежность работы инжектора при больших токах и напряжениях

Увеличение длительности до 5 мс 1.Высоковольтный модулятор такой длительности еще можно изготовить основываясь на линии – относительно простой и дешевой схеме 2.Для ГДЛ (SHIP) требуются сфокусированные по двум координатам пучки. Разумный выбор – использование ИОС типа СТАРТ – 4 3.Проблема выбора источника плазмы – поддержание большого выхода плазмы, стабильного в течение длинного импульса

Повышающий трансформатор высоковольтного модулятора позволяет получить 5 мс импульс с напряжением до 30 кВ и током до 120 А. Масса трансформатора около 1 тонны. Внешний вид высоковольтного модулятора со стороны выходного в/в трансформатора

Неотожженная облицовка МС Спад тока в 3,5 раза Отожженная облицовка МС Спад тока на 40 % Желтый сигнал – напряжение, 5 кВ/клетка; синий – ток пучка, 10 А/клетка

Режим работы дугового генератора с разрядом, распределенным в объем камеры магнитной стенки и минимизированным по времени напуском катодного газа позволяет стабилизировать форму тока пучка. Спад тока не превышает 10 % Типичная осциллограмма сигналов тока и напряжения – полная мощность 1,25 МВт

Массовый состав измерялся оптическим спектрометром по свечению линии Н. Пики слева направо: несмещенная компонента, Е/18, E/3, E/2, E. Процентное содержание ионов Н + : Н 2 + : Н 3 + = 90 : 7 : 3 %, вода менее 1 % Перемещая линию наблюдения спектрометра по радиусу пучка по изменению интенсивности сигнала можно измерить угловую расходимость

Хорошая иллюстрация возросшего энергосодержания пучка при хорошей фокусировке – его след на различных материалах, помещавшихся в точку фокуса. След плавления на приемнике – нержавейной пластине толщиной 1 мм. Массивный приемник был закрыт медной фольгой толщиной 0,05 мм.

Следы пучка на различных материалах толщиной 0,1 мм. Медь прожигается за 1 выстрел, сталь за несколько десятков. На танталовой пластине виден след плавления (после 20 выстрелов).

Энергосодержание пучка В качестве приемника использовалась пластина из никеля диаметром 140 мм, толщиной 1,5 мм, размещенная в точке фокуса. Измеренное этим интегральным калориметром энергосодержание пучка с точностью 10 % совпадает с интегралом по току и напряжению.

В первых экспериментах надежность работы инжектора была неудовлетворительной. Энергия, выделяемая в пробой, составляла около 5 Дж. Использование снаббера (на фото) позволило снизить энергию в пробое до 1 Дж. Снаббер выполнен на сердечнике из аморфного железа. Надежность работы инжектора – отношение выстрелов без пробоя к полному числу выстрелов составляет 90 – 95 %

Выводы: 1.Создана и испытана система питания мощного инжектора, рассчитанная на напряжение 30 кВ, ток 120 А и длительность 5 мс. 2.Проведен цикл экспериментов с ионным источником СТАРТ – 5. 3.Продемонстрирована возможность работы дугового генератора плазмы при длительности импульса 5 мс с полным потоком плазмы 120 А. 4.Получен пучок энергией 23 кВ и током до 60 А стабильной формы в течение 4 мс. 5.Измерения показали фокусировку до диаметра 50 мм по уровню 1/е на расстоянии 190 см от ИОС при исходной апертуре 200 мм. 6.В режиме с распределенным дуговым разрядом в пучке содержится не менее 90 % частиц полной энергии. Измерение энергосодержания пучка интегральным калориметром показало соответствие с точностью 10 % с интегралом по току и напряжению. 7.Использование снаббера позволило снизить энергию пробоя до 1 Дж и значительно повысило надежность работы инжектора: до 90 – 95 % выстрелов полной длительности.