Высокочастотный ионный источник для активной корпускулярной диагностики плазмы

• Автор: Шиховцев, Игорь Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Новосибирск
• Количество страниц: 83 с. : ил

Высокочастотный ионный источник для активной корпускулярной диагностики плазмы
Оглавление
Введение
Глава 1. Ионный источник диагностического инжектора
§1.1 Требования к диагностическому ионному источнику и
обоснование использования ВЧ-источника
§1.2 Конструкция ионного источника и сеточной системы
Глава 2. Высокочастотный плазменный эмиттер
§2.1 Особенности генерации плазмы и определение параметров
плазменного эмиттера
§2.2 Формирование однородного профиля плотности плазмы
§2.3 Результаты зондовых измерений параметров плазмы
§2.4 Двухступенчатый вариант плазменного эмиттера
Глава 3. Формирование пучка и измерение его параметров
§3.1 Конструкция инжекторного тракта и источника питания
§3.2 Аппаратура для измерения параметров пучка
§3.3 Массовый состав ионного пучка
§3.4 Ресурс работы ионного источника
Заключение
Литература

ВВЕДЕНИЕ
Активная корпускулярная диагностика плазмы, основанная на ин-жекции в плазму пучков ионов и атомов, получила широкое распространение на крупных термоядерных установках [1,2]. Привлекательность этой диагностики заключается в бесконтактности и возможности локального определения широкого набора параметров плазмы, таких как профиль тока [3], локальной ионной температуры [4], потенциала плазмы, распределения, концентрации и температуры примесей [5,6] и других. В подобных диагностиках используются пучки как тяжелых ионов и атомов (Tl+, Cs+, Au", Cs°), так и высокоэнергичных легких атомов (Н°, D0, Не0). Данная работа посвящена разработке и исследованию ионного источника диагностического инжектора атомов водорода для корпускулярной диагностики плазмы на больших установках. Обзор диагностик с использованием пучков легких атомов на токамаках TEXT, TFTR (США), JT-60 (Япония), TEXTOR (Германия), токамаке Европейского сообщества JET (Англия) приведен в [1].
Выбор параметров диагностического пучка определяется типом плазменной установки и механизмом его взаимодействия с плазмой. Для диагностики, основанной на регистрации излучения водородоподобных ионов углерода, образующихся в плазме при перезарядке атомов пучка на ионах Сб+, оптимальная энергия составляет около 50 кэВ. Эта энергия обеспечивает хорошее проникновение пучка в плазму с поперечным раз-
мером 0,5-1 м и средней плотностью ~1014 см'3. Именно такие параметры плазмы характерны для современных токамаков.
Следует отметить, что требования к параметрам диагностического пучка, таким как угловая расходимость, поперечный размер и плотность тока являются специфическими и отличными от требований, предъявляемым к пучкам для нагрева плазмы. Так, например, ток пучка и плотность тока должны быть достаточно большими, чтобы обеспечить нужный уровень сигнала в регистрирующей системе, и, вместе с тем, диагностический пучок не должен возмущать плазму заметным образом. Эти требования удовлетворяются при токе атомарного пучка -1-5 экв.А и его поперечном размере в плазме ~Ю см [7]. Угловая расходимость пучка, определяющая локальность диагностики, должна быть <1°.
Важной характеристикой диагностического инжектора также является возможность получения модулированного пучка. Это позволяет при обработке полученных экспериментальных данных отделить полезный сигнал от фонового.
В результате ионизации молекулярного газа и последующей перезарядке образовавшихся молекулярных ионов в плазме водородного плазменного эмиттера содержатся в заметном количестве ионы Щ и Щ, которые вместе с протонами вытягиваются и ускоряются ионно-оптической системой (ИОС). Затем в газовой мишени нейтрализатора происходит диссоциация и перезарядка молекулярных ионов. Получившиеся из них протоны и атомы имеют энергии 1/2 и 1/3 от энергии основной компоненты пучка. Наличие этих компонент в диагностическом пучке нежелательно, так как частицы меньшей энергии хуже проникают в плазму. Кроме того, как уже указывалось, энергия частиц диагностического пучка подбирается еще из требования, чтобы используемое сечение взаимодействия частиц с

Согласно этим измерениям, в режиме с эквивалентным током атомов водорода 1 А (ток ионов около 2 А) в разряде поглощается мощность -3 кВт. Для этого характерного режима работы эффективность эмиттера, определяемая как отношение полного ионного тока к мощности, поглощаемой в разряде, равна ~0,7 А/кВт. Полученная эффективность плазменного эмиттера близка к эффективности эмиттеров на основе дугового разряда с термокатодами [39,56,57]. Газовая эффективность (отношение тока ионного пучка к потоку молекул газа, подаваемого в газоразрядную камеру) в этом режиме составляла около 9% .
§2.3 Результаты зондовых измерений параметров плазмы.
Одновременные измерения плотности и электронной температуры плазмы в газоразрядной камере производились тройным ленгмюровским зондом [58]. Зонд имел три одинаковых близко расположенных электрода в виде петель высотой 2 мм и шириной 1 мм, сделанных из вольфрамовой проволоки диаметром 0,1 мм. Очистка рабочей поверхности зонда производилась перед каждым измерением с помощью прогрева зондовых петель током 330 мА до температуры около 1000°С в течение 1 минуты.
При номинальных параметрах ВЧ-разряда, соответствовавших плотности тока эмиттера 120 мА/см2, на оси камеры под антенной (на расстоянии 23 мм от плазменной сетки) электронная температура равнялась 6 эВ. В этом случае в центральной части плазменной камеры под антенной плотность ионного тока насыщения была равна 300 мА/см2 и плотность плазмы составляла 1,3-1012 см'3. Плотность ионного тока насыщения измерялась также подвижными ленгмюровским и сеточным зондами. Для сравнения на рис. 12 показаны радиальные профили плотности ионного тока, измеренные этими двумя зондами в плоскости плазменной сетки.