Нагревной инжектор 25 кэВ атомов водорода для установки ГДЛ

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
- 3433 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
Плазменный
U=25 кВ
Вытягивающий
U=22,5 кВ
Ускоряющий
U=-300 В
U=0
3
4
POSITIVE ION BEAM
1
2
Ионный пучок
Встречный
электронный пучок
Расчет на PBGUNS: оптимальный ток доля всей ИОС
55 – 60 А, минимальная расходимость  12 мрад
TRAJECTORIES AND EQUIPOTENTIALS
S
5.0V
2.5kV
25.5kV
25.0kV
E
0
1
R
2
NEUTRAL
E
1.0000 mm/unit,10.0 MAT. sq./unit
28-DEC-04 AT 12:27:29
0
% Neutral =
PLASMA I =
1
2
3
99.0000
0.036000 A, TARGET I =
4
5
6
Z-axis
7
0.0149 A, Perv = 3.782E-09
8
9
10
11
200
Геометрическая фокусировка
Гексагональная структура
отверстий
3433 отверстия 2,5 мм
Прозрачность 52%
Геометрический фокус
ИОС меньше, чем радиус
кривизны сеток. F0,8R
Достигнутые результаты
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Получен 25 кВ пучок с током свыше 50 А и длительностью 1,2 мс
Оптимальный ток при напряжении 25 кВ, 48 – 50 А
Минимальный размер пучка re=20 мм
Фокусное расстояние инжектора F = 120 см
Минимальная угловая расходимость 17 мрад
Максимальная плотность тока в фокусе  4 А/см2
Массовый состав пучка H+ : H2+ : H3+ = 90 : 7: 3 %
Коэффициент нейтрализации 70 %
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
Желтый сигнал – напряжение, 5 кВ/клетка; синий – ток
пучка, 10 А/клетка
Неотожженная облицовка МС
Отожженная облицовка МС
Спад тока в 3,5 раза
Спад тока на 40 %
Типичная
осциллограмма
сигналов тока и
напряжения – полная
мощность 1,25 МВт
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 %
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+: Н2+: Н3+ = 90 : 7 : 3 % , вода
менее 1 %
Радиус пучка по уровню 1/е, см
Размер пучка, измеренный оптическим спектрометром
Расстояние от ИОС ~ 1,8 м, ускоряющее напряжение 22 кВ
Перемещая линию наблюдения
спектрометра по радиусу пучка
по изменению интенсивности
сигнала можно измерить угловую
расходимость
3,8
3,6
3,4
3,2
3,0
42
44
46
48
50
52
54
ток пучка, А
56
Хорошая иллюстрация возросшего энергосодержания пучка
при хорошей фокусировке – его след на различных
материалах, помещавшихся в точку фокуса.
Массивный приемник был закрыт
медной фольгой толщиной 0,05 мм.
След плавления на приемнике –
нержавейной пластине толщиной 1 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.