Мощный 5 мс атомарный инжектор с фокусировкой пучка для нагрева плазмы СТАРТ – 5 А.В. Сорокин

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 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

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 15 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

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

Расположение постоянных магнитов в вакууме – вынужденная мера. Такая магнитная стенка хорошо работает при длительности 1,2 мс. В 5 мс импульсе происходит нагрев магнитов и их разрушение. Внешний вид магнитной стенки – видны разрушенные магниты.

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

Для усиления сигнала можно использовать отраженный свет пучка. Доплеровское смещение при этом дает зеркально- симметричный спектр. Другой метод бесконтактного измерения профиля пучка – сканирование твердотельной мишени. На спектре видны линии Н, тепловой фон от нагретой мишени и очень интенсивная линия цинка.

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 Интегральная калориметрия 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. Калориметрическое измерение профиля Измерения подвижным проволочным калориметром позволяют определить наряду с размером полное энергосодержание пучка. Измеренная энергия составляет около 75 % от интеграла 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 %

Выводы: 1.Создана и испытана система питания мощного инжектора, рассчитанная на напряжение 30 кВ, ток нагрузки 120 А и длительность 5 мс. 2.Получен мощный сфокусированный пучок с энергией 23 кэВ и током до 60 А стабильной формы в течение 4 мс. 3.Найден режим работы дугового генератора плазмы при длительности импульса 5 мс с полным потоком плазмы 120 А. В этом режиме есть возможность вынести магниты из вакуумной камеры. 4.Предложены и опробованы новые оптические диагностики пучка. Измерена покомпонентная угловая расходимость пучка. 5.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. Энергосодержание, измеренное проволочным калориметром, составляет 75 % от интеграла по току и напряжению, а радиус пучка менее 2,5 см 6.Надежность работы инжектора составляет свыше 90 % выстрелов полной длительности.