WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 1 04;09;10;12 Высокочастотный ионный источник с повышенным содержанием протонов в пучке © А.А. Иванов, А.А. Подыминогин, И.В. Шиховцев Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, 630090 Новосибирск, Россия e-mail: I.V. Shikhovtsev@inp.nsk.su (Поступило в Редакцию 3 мая 2006 г.) Приведены результаты экспериментальных исследований высокочастотного (ВЧ) ионного источника с улучшенным массовым составом пучка. Увеличение содержания протонов в пучке было достигнуто путем увеличения плотности ВЧ мощности в рязряде под антенной и установки вблизи плазменной сетки магнитного фильтра. Дополнительно были приняты меры для предотвращения наблюдавшейся ранее деградации состава пучка вследствие восстановления металлического алюминия на внутренней поверхности керамической разрядной камеры и выделения воды. Для этого камера была покрыта изнутри пластинами из пиролитического нитрида бора.

PACS: 52.80.Pi Введение определенную роль в этом случае играла большая химическая инертность этого материала по сравнению с В ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН (Новосибирск) окисью алюминия. Введение указанных изменений позранее был разработан высокочастотный (ВЧ) ионный волило повысить содержание протонов в пучке до 80% источник для диагностических инжекторов атомов во(по току). При этом плотность ионного тока вблизи дорода, предназначенных для использования в спекплазменной сетки осталась прежней — 120 mA/cm2.

троскопических диагностиках на крупных современных В данной работе представлены результаты измерений токамаках [1–3]. Ионный источник формирует пучок параметров пучка ионного источника с улучшенной протонов с током до 3 А, энергией до 55 keV, угловой версией плазменного эмиттера.

расходимостью 0.6 и длительностью до 4 s. В первой версии ионного источника содержание в пучке протонов Источник плазмы с полной энергией было относительно небольшим — 60-65%, и заметным было содержание протонов с энерПервоначальная версия конструкции ионного источгией 1/18, образующихся в результате диссоциации ника подробно была описана в [1,2]. Общий вид плазускоренных молекулярных ионов, содержащих кислород менной камеры ионного источника с указанными выше (OH+, H2O+, H3O+).

изменениями схематически показан на рис. 1. ЦилиндриДля улучшения массового состава пучка нами были ческая часть газоразрядной камеры (1) изготовлена из внесены несколько изменений в конструкцию источникерамики (Al2O3) и имеет внутренний диаметр 112 и ка. Во-первых, увеличена плотность ВЧ мощности в толщину стенки 4 mm. Рабочий газ (водород) подается разряде под антенной за счет уменьшения ее ширины в камеру через узел (2), установленный на торцевом и установки на антенне сердечника из высокочастотдюралевом фланце. Этот узел осуществляет одновреных ферритов. Кроме того, вблизи плазменной сетки менно ввод газа в камеру и поджиг разряда. Поджиговое был установлен магнитный фильтр для предотвращения устройство состоит из двух коаксиальных электродов, попадания в эту область энергичных электронов из разделенных керамическим изолятором. Для инициации разряда. Магнитная система фильтра создавала вблизи ВЧ-разряда между электродами прикладывался коротплазменной сетки слабое поперечное магнитное поле, кий импульс напряжения амплитудой около 6 kV, что отсекавшее энергичные электроны. Вследствие этого приводило к пробою по поверхности изолятора. Высобыла уменьшена плотность молекулярных ионов, возкочастотный разряд возбуждался на частоте 4.65 MHz никающих из-за ионизации рабочего газа электронами при помощи внешней антенны (3). В предыдущей версии большой энергии [4,5].

В первоначальной версии ионного источника наблюда- источника антенна представляла собой шестивитковую катушку шириной 4 cm, намотанную на фторопластовом лось увеличение со временем доли молекулярных ионов каркасе. В новой версии газоразрядной камеры источнка в пучке, что по-видимому было связано с образованием антенна изготовлена из медной трубки диаметром 3 mm пленки восстановленного металлического алюминия на стенке разрядной камеры, изготовленной из миналунда и имеет 4 витка. Изоляция витков осуществляется с (Al2O3). Заметное улучшение стабильности состава пуч- помощью термоусаженной полиэтиленовой трубки, так ка было достигнуто после установки на стенке пластин что ширина антенны составляет 2 cm. По периметру из пиролитического нитрида бора (ПНБ). По-видимому, антенны снаружи расположен сердечник из ферритовых Высокочастотный ионный источник с повышенным содержанием протонов в пучке в специальные ламели, закрепленные на торцевом водоохлаждаемом фланце. На противоположном конце, вблизи плазменной сетки, пластины подпружинены с помощью разрезного дюралевого кольца (7). Используемый ПНБ имеет высокую теплопроводность ( 100 W/mK), что позволяет осуществить теплоотвод с пластин в паузах 3 min между выстрелами.

Магнитный фильтр (8) устанавливался между керамической камерой и торцевым фланцем вблизи плазменного электрода (9). Конструкция магнитного фильтра показана на рис. 2. Он состоит из четырех постоянных магнитов (1) и магнитопроводов (2). Магнитопроводы представляют собой железные стержни диаметром 6 mm, вваренные в кольцо из нержавеющей стали (3), и железные пластины сечением 4 1 mm.

Между пластинами (4) создается магнитное поле, 5 — апертура ИОС. Внутри плазменной камеры железные поверхности фильтра покрыты алюминием для уменьРис. 1. Плазменная камера ионного источника.

шения коэффициента рекомбинации на них [6].

Параметры плазменного эмиттера полуколец (4), закрепленных во фторопластовом каркасе. На заднем фланце газоразрядной камеры установИсследование характеристик плазменного эмиттера лен набор постоянных магнитов (5). Их роль состопроводилось без формирования ионного пучка. Плазит, с одной стороны, в рассеивании потока обратных менный эмиттер был установлен на специальный стенд, электронов, поступающих из ионно-оптической систегде вместо ИОС была установлена только плазменная мы (ИОС) и тем самым в уменьшении плотности сетка. Сетка имела по диаметру щель, вдоль которой тепловых нагрузок на задний фланец. Кроме того, наперемещался сеточный зонд для измерения профиля личие этих магнитов увеличивает энергетическую эфплотности ионного тока.

фективность разряда и снижает поток плазмы на задний Профиль плотности тока и эффективность разряда зафланец.

висели от расположения, формы и количества магнитов, Внутренняя керамическая поверхность камеры покрырасположенных на торце газоразрядной камеры. Постата пластинами (6) из пиролитического нитрида бора новка магнитов в определенном порядке увеличивала размером 90 10 и толщиной 1 mm. Крепление пластин эффективность разряда примерно в два раза. На рис. и теплосъем с них осуществляется на краях. Для этого показан профиль плотности ионного тока по радиусу вблизи заднего торцевого фланца пластины вставлены плазменного эмиттера в двух вариантах: на задней стенке установлены радиально 8 самарий-кобальтовых магнитов размером 32 12 10 mm (кривая 1) и без магнитов (кривая 2). Эти измерения проводились без магнитного фильтра. Как видно из рисунка, средняя плотность тока по эмиттеру около 110 mA/cm2, а неоднородность в пределах диаметра 72 mm составляет ±9%.

В этом режиме в разряде поглощалась мощность около 6.5 kW. Измерения плотности ионного тока показывают ее линейный рост с увеличением поглощаемой в разряде мощности: при поглощаемой мощности 2 kW плотность ионного тока в центре плазменного эмиттера составляет 50, а при 8.5 kW — 150 mA/cm2.

Также были измерены профили плотности ионного тока в различных вариантах с магнитным фильтром (рис. 4). Кривая 1 получена с газоразрядной камерой без магнитов на задней стенке и без магнитов фильтра; 2 — без магнитов на задней стенке и с магнитами фильтра; 3 — с магнитами на задней стенке и с магнитами фильтра; 4 — с магнитами на задней стенке Рис. 2. Магнитный фильтр. и без магнитов фильтра. Наличие магнитного поля в Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 106 А.А. Иванов, А.А. Подыминогин, И.В. Шиховцев ческая прозрачность сеточной системы — около 50%.

Данная ИОС позволяет формировать без пробоев пучок с энергией 50 keV и током до 2.6 A, при этом минимальная расходимость пучка (0.6) соответствует току 1.8 A. Длительность пучка в данных экспериментах составляла 60 ms.

Измерения массового состава ионного пучка, извлекаемого из плазменного эмиттера, проводились с помощью магнитного масс-анализатора и спектрометра HR2000 фирмы Ocean Optics, Inc. [7].

Масс-анализатор устанавливался на оси на расстоянии 3.5 m от ионного источника. Вытекающий из источника газ представлял собой газовую мишень достаточно Рис. 3. Распределение плотности ионного тока по радиусу большой плотности, на которой происходила диссоциаплазменного эмиттера.

ция молекулярных ионов H+ и H+ на протоны и атомы 2 водорода с энергиями соответственно 1/2 и 1/3 от полной энергии пучка. На входе в анализатор центральная часть пучка вырезалась диафрагмой диаметром 2 mm.

Затем пучок, состоящий из протонов и атомов водорода, проходил через магнитное поле масс-анализатора, где протонная компонента пучка разделялась на три основные фракции с полной энергией, половинной и одной третьей. Магнитное поле масс-анализатора менялось в нужных пределах в течение работы источника ионов.

При этом на коллекторе анализатора наблюдались пики, соответствующие протонам с различной энергией.

На рис. 5 приведены характерные осциллограммы тока пучка (верхняя кривая) и тока коллектора (нижняя кривая). Энергия пучка составляла 50 keV, ток — 2 A.

Доля фракций ионного пучка определялась с учетом равновесного выхода для данной энергии частиц и Рис. 4. Профили плотности ионного тока по радиусу в плоскоколичества частиц в молекуле. Приведенному графику сти плазменной стенки в различных вариантах расположения соответствует следующий состав извлекаемого пучка магнитов.

по току: протонов — 81.5, ионов H+ — 11.5, ионов H+ —7%.

разряде вблизи плазменной сетки (без магнитов на задней стенке) увеличивало плотность ионного тока (кривая 2). По-видимому, это связано с лучшим удержанием ионизирующих электронов в объеме и соответствующим повышении степени ионизации плазмы. Вблизи пластин и посредине между ними магнитное поле составляло и 3 mT соответственно. При установке магнитов на задней стенке разрядной камеры плотность ионного тока (кривая 4) существенно возрастает, а установка магнитов фильтра несколько увеличивает неоднородность профиля (кривая 3).

Массовый состав пучка Для определения массового состава пучка описанная выше газоразрядная камера была установлена на 4-электродную ионно-оптическую систему, аналогичную системе ионного источника диагностического инжектора, установленного на токамаке TEXTOR [1]. Используемая ИОС имеет 163 отверстия диаметром 4 mm, Рис. 5. Осциллограммы тока пучка и тока на коллектор расположенных в круге диаметром 72 mm, геометри- анализатора от времени.

Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. Высокочастотный ионный источник с повышенным содержанием протонов в пучке Механизм отсечки электронов высоких энергий поперечным магнитным полем связан с тем, что в случае, когда циклотронная частота больше частоты столкновений электронов, т. е. плазма „замагничена“, коэффициент диффузии обратно пропорционален корню из температуры и соответственно существенно меньше для горячих электронов [10].

Для ионного пучка с током 2 A и энергией 50 keV был измерен состав в зависимости от тока пучка (рис. 7) и от потока газа в газоразрядную камеру (рис. 8). Как видно, с увеличением тока доля протонов возрастает и заметно убывает доля H+. При изменении давления перед клапаном, т. е. изменении потока газа в источник, в исследованных пределах количество H+ менялось незначительно. В данной конструкции газовой системы, Рис. 6. Спектр излучения линии H.

когда поток газа в источник определялся диаметром На рис. 6 представлены спектры излучения линии H пучка с энергией 50 keV, измеренные под углом 45 к направлению распространения пучка. Спектр включает пять линий, соответствующих частицам с различной энергией. Наиболее интенсивная линия (справа) соответствует несмещенной линии H атомарного водорода, возбуждаемого пучком. Три линии (слева) соответствуют свечению быстрых атомов водорода с энергиями E, E/2, E/3. Линия, ближняя к несмещенной, соответствует излучению атомов водорода с энергией E/18, образующихся в результате диссоциации примесных ионов воды. Анализ спектрометрических данных проводился в соответствии с методикой, описанной в [8].

Приведенному на рисунке спектру (сплошная линия, источник с магнитным фильтром, без покрытия пластиРис. 7. Массовый состав водородного пучка в зависимости нами из ПНБ) соответствует относительная плотность от тока при фиксированном потоке газа (давление перед ионов H+ — 70.9, H+ — 16.2, H+ — 9 и примесные 2 клапаном — 2 bar). — данные магнитного анализатора, — ионы — 3.9% (по току 80.2, 12.9, 5.9, 1% соответственданные спектрометра.

но). В эксперименте, когда магниты фильтра убраны (пунктирная линия), состав пучка был несколько хуже:

H+ — 65.7, H+ — 21, H+ — 9.3 и примесные ионы — 2 4% (по току 75.7, 17.1, 6.2, 1% соответственно). Из спектров видно, что магнитный фильтр уменьшает долю ионов H+ в вытягиваемом пучке и повышает выход атомарных ионов. Ранее в экспериментах, описанных в [4,5], было установлено, что относительная величина тока молекулярных ионов прямо зависит от плотности быстрых электронов вблизи плазменного электрода. Для отсечения горячих электронов в [9] также использовался магнитный фильтр между областью разряда, где расположены накаливаемые катоды, эмитирующие электроны, и плоскостью вытягивания ионов. Фильтр представлял собой линейные каспы магнитного поля между боковыми стенками и задней стенкой источника. Было установлено, что фильтр не позволял быстрым электронам доходить до электродов, формирующих пучок. Это Рис. 8. Массовый состав водородного пучка в зависимости позволило уменьшить долю ионов H+ в вытягиваемом от давления газа над клапаном. Обозначения те же, что и пучке и повысить выход атомарных ионов. на рис. 7.

Журнал технической физики, 2007, том 77, вып. 108 А.А. Иванов, А.А. Подыминогин, И.В. Шиховцев диафрагмы (0.1 mm) на конце диэлектрической трубки, [8] Uhlemann R., Hemsworth R.S., Wang G. et al. // Rev. Sci.

Instr. 1993. Vol. 64. N 4. P. 974–982.

подводящей газ к источнику, давление водорода перед [9] Holmes A.J.T., Green T.S., Newman A.F. // Rev. Sci. Instr.

клапаном 2.5 bar соответствовало потоку 2.5 l · Torr/s.

1987. Vol. 57. N 8. P. 1369–1381.

В первоначальном варианте источника после при[10] Holmes A.J.T., McAdams R., Proudfoot G. et al. // Rev. Sci.

мерно года работы, когда полная длительность работы Instr. 1994. Vol. 65. N 4. P. 1153–1158.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.