Диагностический атомарный инжектор с многощелевой системой формирования пучка

• Автор: Листопад, Александр Алексеевич
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 115 с. : ил.

Оглавление
Введение
Глава 1. Диагностический инжектор RUDI
§1.1. Источник плазмы инжектора RUDI
§ 1.2. Ионно-оптическая система
§ 1.3. Система питания
§ 1.4. Устройство инжекторного тракта
Глава 2. Оптические диагностики для исследования пучка RUDI
§ 2.1. Многоканальный спектрометр для измерения спектральных
профилей пучка
§ 2.2. Диагностика поперечных скоростей пучка по уширениям На
пиков
§ 2.3. CCD камера для сканирования оптического профиля пучка
Глава 3. Модернизация диагностического инжектора RUDI
§ 3.1. Извлечение ионов и формирование ионных и атомарных
пучков
§ 3.2. Разработка щелевой ионно-оптической системы
§ 3.3. Тестовые испытания формирования пучка с щелевой ИОС
§ 3.4. Разработка усиленного металлокерамического дугового канала..71 § 3.5. Вакуумные условия в инжекторном тракте RUDI
§ 3.6. Обзор улучшения параметров инжектора RUDI в 1998-2011 гг
Глава 4. Диагностика плазмы нейтральным пучком
§ 4.1. Обзор видов активной корпускулярной диагностики
§ 4.2. Диагностический комплекс CXRS на установке TEXTOR
§ 4.3. Примеры CXRS измерений на основе пучка RUDI
Заключение
Литература
Введение
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*10'2 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 1950г. 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.

Помимо покомпонентных измерений профиля пучка данное устройство используется для мониторинга его массового состава. Типичный массовый состав плазмы дугового источника включает в себя несколько компонент, среди которых фракция атомарных ионов водорода ТГ, молекулярные фракции Н2+ и Нз+, а также ионизированные молекулы воды Н20. Содержание воды в плазме может быть довольно высоким при наличии водяной или атмосферной течи, а также в случае загрязненности вакуумных элементов источника. При ускорении частиц в ИОС происходит диссоциация молекулярных фракций, в результате которой кроме компоненты с полной энергией (Е) в пучке образуются фракции с (Е/2), (Е/3) и осколки молекул воды с (Е/18). Массовый состав пучка может быть вычислен по результатам измерений интенсивности соответствующих смещенных На пиков. Массовые доли компонент в пучке выражаются через следующие соотношения [18]:
Я 2+ гр тгЗ+ тр ттН20 р

Н+ 2 » н* 3 ' F, ’ Я+ ню ' F, ’
ТТ+ rj2+ Г/3+ гт Н20

я+ я+ я+ я+
Где F1, F2, F3, и FH20 - интенсивность излучения На линий для компонент с (Е), (Е/2), (Е/2) и (Е/18), соответственно.
Весовые коэффициенты равны С2=0.41, С3=0.3, СШо=0.28. Их значения были взяты для случая с выключенным отклоняющим магнитом и полной энергии частиц 50 кэВ. Очевидно, что при включенном магните, когда из пучка удаляются заряженные фракции, данные коэффициенты будут другие, поскольку эффективность нейтрализации зависит от абсолютного значения энергии частицы, а кроме того, от толщины перезарядной мишени, которая в общем случае может не являться равновесной. Данные коэффициенты