Электронный пучок мощностью 300 кВт

В обзоре [M. Seidl, A Review of Electron Beam Heating of Magnetic Mirror Confined Plasmas, with Applications to the Tandem Mirror Experiment, Lawrence Livermore National Laboratory, Livermore, CA, UCRL-52759 (1979)] приводятся экспериментальные данные по взаимодействию электронных пучков с плазмой в открытых ловушках. Интересно отметить, что в ряде исследований показана возможность нагрева плазмы электронным пучком в результате как коллективных эффектов взаимодействия с плазмой (возбуждение и затухание волн в плазме), так и за счет создания радиального электрического поля, приводящего к нагреву ионов за счет дрейфа в скрещенных полях. Другое направление экспериментальных и теоретических работ, приведенных в этом обзоре, посвящено использованию электронного пучка в качестве инструмента стабилизации неустойчивостей горячих ионов и МГД стабилизации плазмы. Именно с целью стабилизации на установке ТМХ-U было проведено исследование инжекции электронного пучка с мощностью порядка 1 МВт. Разумной представляется поверка перспективности технологии инжекции электронных пучков вдоль магнитного поля именно как инструмента стабилизации и управления плазмой в проекте ГДМЛ. Эффективный метод МГД стабилизации уже был обоснован теоретически и экспериментально проверен на установке ГДЛ, где плазма стабилизировалась при помощи механизма «вихревого удержания» [A.D.Beklemishev et. al., Fusion Science and Technology v. 57 No. 4, 2010, PP. 351-360].

Для формирования пучка была разработана электронная пушка, схематично изображенная на рисунке 1.

 Рис.1. Схематическое изображение электронной пушки, разработанной для экспериментов на установке ГДЛ

Катод из борида лантана LaB6 диаметром 20 мм импульсно за 1 минуту нагревался электронным пучком от дополнительной «малой электронной пушки» с энергией электронов 1.5 кэВ. Такая двухступенчатая схема позволила минимизировать тепловую нагрузку на катодный узел и использовать воздушное охлаждение. Анод был выполнен в виде молибденовой сетки толщиной 0.5 мм с 37 отверстиями диаметром 2.4 мм, расположенными в гексагональном порядке. Суммарная площадь отверстий составила 1.67 см2. Катод закрыт молибденовой маской идентичной формы.

Параметры электронной пушки в ходе экспериментов на установке ГДЛ были следующими: ускоряющее напряжение – до 45 кВ, ток пучка 8-12 А, длительность импульса – 0.3 мс.

Электронная пушка была установлена в одном из торцевых баков-расширителей установки ГДЛ на расстоянии 486 см от центра ловушки, как показано на рисунке 2. На момент проведения экспериментов магнитная конфигурация установки представляла собой центральный соленоид с пристыкованными с торцов компактными пробкотронами. Пробочное отношение в такой конфигурации было равно 14.

Рис. 2. Схематичное изображение установки ГДЛ

На начальном этапе эксперимента электронный пучок инжектировался в режиме без создания плазмы, давление остаточного газа в установке ГДЛ при этом не превышало 3·10-5 Па. Ток и энергия пучка регистрировались при помощи подвижного коллектора-калориметра, установленного внутри ловушки вблизи противоположного пробочного узла.
Величина магнитного поля в области электронной пушки могла изменяться при помощи специальной катушки, установленной на баке-расширителе. Величина магнитного поля в центре ловушки составляла 2.2 кГс, в пробках — 32.4 кГс. Калориметрические измерения проводились при двух значениях магнитном поле в области электронной пушки: 550 Гс и 260 Гс (рис. 3). То есть степень сжатия пучка (отношение магнитного поля в пробке к магнитному полю в области анода пушки) составляла 65 и 125 соответственно.

Рис.3. Конфигурация магнитного поля в эксперименте по проведению электронного пучка через пробку ГДЛ

В обоих случая оказалось, что пучок без потерь транспортируется внутрь ловушки и регистрируется коллектором-калориметром (рис. 4).

Рис. 4. Отпечатки электронного пучка на приемной пластине калориметра

На фотографии видны два отпечатка электронного пучка на приемной пластине, соответствующие двум указанным степеням сжатия пучка. Приемный калориметр располагался в магнитном поле 6.6 кГс. Если учесть, что диаметр пучка на выходе из источника составляет 20 мм, то используя закон сохранения магнитного потока Br2 = const, можно легко оценить диаметр отпечатка пучка на приемной пластине. Он оказывается равным 6 мм при заданном магнитном поле в месте анода пушки 550 Гс и 4 мм при поле в 260 Гс, что подтверждается прямыми измерениями размеров отпечатков пучка на приемнике (см. рис. 4).

Данные приемного калориметра подтверждают, что 90% энергии электронного пучка передается от источника до приемника. В этих экспериментах электронный пучок имел следующие параметры: напряжение 40 кВ, ток 7.5 А, длительность 0.3 мс.

Следующим этапом исследований стал эксперимент по инжекции электронного пучка в мишенную (или фоновую) плазму ГДЛ, которая создается посредством генератора плазмы, установленного в восточном расширительном баке, и имеет температуру около 2 эВ при плотности до 3·1013 см-3. Такая холодная и плотная плазма стабилизировалась при помощи специальных магнитных катушек, охватывающих расширительные баки и создающих благоприятную для устойчивости кривизну силовых линий. Для этого ток в них течет в обратном направлении по отношению к катушкам основной магнитной системы. Таким образом удается добиться плавного распада инжектированной плазмы с временами порядка нескольких миллисекунд. Именно в этом интервале в разные моменты времени включался электронный пучок (рис. 5), с целью получить различные величины потоков плазмы на торец электронной пушки.

В этих экспериментах приемный калориметр был выдвинут к периферии.

Рис. 5. Ход линейной плотности плазмы по данным дисперсионного интерферометра

Поток ионов в пробку ГДЛ в этих экспериментах контролировался при помощи подвижного сеточного анализатора, установленного между западной пробкой и расширителем и измеряющего ток ионного насыщения из плазмы. По данным этой диагностики оказалось, что электронная пушка работает стабильно при плотности тока ионов на ее анод до 15 мА/см2. При больших токах происходит пробой разрядного промежутка в начале импульса.

На рисунке 6 представлена типичная форма импульса сигнала диамагнитного зонда, расположенного в центральной плоскости установки ГДЛ. Амплитуда импульса сигнала диамагнитного зонда пропорциональна полной энергии плазменного столба. Из измерений видно, что энергия плазмы росла линейно в течение всего времени инжекции электронного пучка, и стационарное состояние по нагреву плазмы пучком не достигалось.

Рис. 6. Форма импульса сигнала диамагнитной петли. Указан интервал работы электронной пушки

Рисунок 7 показывает основной результат проведенной серии измерений – зависимость амплитуды диамагнитного сигнала (энергии, переданной пучком плазме) от степени сжатия пучка в пробке K.

Рис. 7. Зависимость амплитуды диамагнитного сигнала от степени сжатия пучка в пробке

Видно, что в диапазоне степеней сжатия K = 85 ÷ 120 энергия, переданная пучком плазме, оставалась неизменной. Отсюда следует вывод, что в этом диапазоне степеней сжатия пучок беспрепятственно транспортировался внутрь ловушки и взаимодействовал с плазмой. При K < 85 плотность потока ионов на анод пушки превышала 15 мА/см2, что являлось предельной величиной диапазона надежной работы электронной пушки. Длительность ее работы сокращалась и ограничивалась пробоем. Электронная температура и плотность плазмы измерялись при помощи ленгмюровского зонда (рис. 8) и системы лазерного рассеяния (рис. 9).

Рис. 9. Временной ход температуры и плотности плазмы на оси установки по данным системы томсоновского рассеяния

По данным тройного зонда были построены радиальные профили температуры и плотности плазмы в момент перед началом инжекции электронного пучка и после первых 100 мкс его работы (рис. 10). Эти данные дают представление о взаимодействии электронного пучка с плазмой, при котором электронная температура растет, а столб плазмы уширяется вдвое.

Рис. 10. Радиальные профили температуры и плотности плазмы до включения электронного пучка и после первых 100 мкс его работы, полученные при помощи тройного зонда. Радиальные координаты указаны в пересчете на центральную плоскость ловушки

Для визуализации прохождения электронного пучка через плазму была использована быстрая камера, регистрирующая видимое излучение. Камера была установлена в одном из центральных портов установки. На рисунке 11 представлены кадры, сделанные камерой с интервалом 106 мкс.

Рис. 11. Визуализация электронного пучка при помощи быстрой камеры

Инжекция пучка в плазму с горячими ионами

Была также проведена отдельная серия экспериментов, в которой электронный пучок инжектировался в плазму, нагретую шестью атомарными инжекторами суммарной мощностью 4.5 МВт.

На рисунке 12 приведен сигнал линейной плотности плазмы по данным дисперсионного интерферометра, расположенного в центральном сечении установки. Видно, что интерферограммы в выстреле с электронным пучком и без него не отличаются в течение длительности работы пучка. Также не было видно отличий в сигналах с диамагнитной петли, расположенной в точке остановки быстрых ионов и фиксирующей их энергосодержание (рис. 13).

Рис. 13. Энергосодержание быстрых ионов в их точке остановки при инжекции электронного пучка в плазму и без его инжекции

Из приведенных рисунков можно сделать вывод, что инжекция электронного пучка в плазму, нагреваемую атомарными инжекторами, не влияла на удержание образующихся горячих ионов. Вероятно, это происходило вследствие малости мощности пучка (300 кВт) по сравнению с полной мощностью атомарной инжекции (4.5 МВт).

Однако же, стоит отметить, что в режиме с атомарной инжекцией был зафиксирован рост электронной температуры по данным системы томсоновского рассеяния: в момент 8.2 мс (через 0.2 мс после начала работы электронного пучка) температура электронов составила по серии выстрелов Te = 45.6 ± 4.2 эВ, а без инжекции пучка при прочих равных условиях температура оказалась равной Te = 29.2 ± 2.7 эВ.

Разработка электронного пучка мощностью 1 МВт

Согласно дальнейшему плану исследований после проведения экспериментов с первой электронной пушкой следующим этапом стала разработка и изготовление источника большей мощности и длительности. Для реализации этой задачи был выбран подход, основанный на использовании коаксиального диода с магнитной изоляцией. Диод состоит из катода выпуклой сферической формы диаметром 20 мм, фокусирующего электрода и цилиндрического анода с дрейфовой трубкой (рис. 1).

 Рис. 1. Конструкция электронной пушки на основе коаксиального диода. 1 — соленоид; 2 — нагревной катод; 3 — анод; 4 — электрод, запирающий ионы плазмы; 5 — водное охлаждение.

Магнитное поле порядка 0.1 Тл в области формирования пука создается соленоидом, надетым на корпус электронной пушки. Для отсечки и ослабления потока ионов из ловушки используется дополнительный положительно заряженный цилиндрический электрод, расположенный по ходу пучка и изолированный от анодного цилиндра. Катод изготовлен из гексаборида лантана. Несмотря на более высокую температуру эмиссии по сравнению с оксидными катодами, гексаборид лантана дает высокую плотность тока (10 А/см2 при рабочей температуре катода около 17000С), к тому же катоды из LaB6 более устойчивы к воздействию газов, атмосферы и плазмы. Именно поэтому такие катоды успешно используются в мощных плазменных генераторах для ионных источников [A.A. Ivanov, V.I. Davydenko, P.P. Deichuli, G.I. Shulzhenko, N.V. Stupishin, Rev. Sci. Instrum. 79, 02C103 (2008); http://dx.doi.org/10.1063/1.2798503 Ion sources with arc-discharge plasma box driven by directly heated LaB6 electron emitter or cold cathode, Proceedings of the 12th International Conference on Ion Sources, Jeju, Korea, August 2007].

Угол между выпуклым сферическим катодом и плоской частью фокусирующего электрода составляет 67 градусов, что близко к Пирсовскому углу. Выбранная схема формирования позволяет получать пучок с малыми поперечными составляющими скоростей, что необходимо для его адиабатической инжекции во входную пробку ГДЛ с магнитным полем до 10 Тл. Электронная пушка рассчитана на следующие параметры: ток 20 А, энергия электронов 50 кэВ, длительность импульса 5 мс. Подобная геометрия электронной пушки успешно используется на установке для получения высокозарядных ионов для ускорительного комплекса RHIC [Beebe, E. et al.,”Status of the Brookhaven National Laboratory high current electron beam ion source test stand”, Review of Scientific Instruments, Vol. 71, pp. 893-895, February 2000].

Описанный источник электронов был разработан и изготовлен в ИЯФ СО РАН. На рис. 2а представлен общий вид готового электронного источника, помещенного на испытательный стенд для проведения тренировочных импульсов. На рисунке 2б показан катодный узел источника в сборке.

Рис. 2. Источник длинноимпульсного электронного пучка, изготовленный для установки ГДЛ (а - вид со стороны соленоида, б — катодный узел).

Экспериментальное исследование новой модификации электронной пушки

Данная конфигурация пушки в настоящее время исследуется на экспериментальном стенде, представляющем собой вакуумный объем с рабочим давлением 10-3 -10-2 Па. Такой низкий вакуум обусловлен необходимостью имитировать газовую нагрузку в выходном баке расширителя установки ГДЛ. Отработка режимов эксплуатации электронной пушки в условиях низкого вакуума является критическим этапом дальнейшей работы по изучению взаимодействия электронного пучка с плазмой в ГДЛ.

Первым этапом стали высоковольтные испытания без разогрева катода, была изучена высоковольтная прочность конструкции в зависимости от магнитного поля и напряжения, приложенного к пушке. Оказалось, что уже при магнитном поле в соленоиде выше 0.05 Тл и катодных напряжениях в диапазоне от 2 до 32 кВ наблюдается пробой источника, тогда как при меньших магнитных полях этого не происходит. В свою очередь, вблизи критического (относительно пробоя) магнитного поля наблюдалась слабая зависимость между магнитным полем и приложенным к катоду напряжением, причем, чем выше приложенное напряжение, тем больше можно сделать величину магнитного поля по сравнению с критическим. Однако, поднять его до рабочей величины в 0.1 Тл не удалось. При магнитном поле близком к критическому перед пробоем возникает предварительный ток на уровне 10-100 мА, который через несколько сотен микросекунд резко (за 1 мкс) нарастает до критического уровня. При этом напряжение падает до нуля, а ток достигает величины 40 А, после чего IGBT ключ закрывается.

Для наблюдения за свечением внутри диода при пробойных процессах были демонтированы тормозящий электрод и трубка дрейфа, а напротив анодного электрода установлено зеркало. При пробоях наблюдалось квазидиффузное свечение кольцевой формы, окружающее катодный электрод. Высоковольтный пробой проходил в две стадии: сначала поджигался диффузный разряд кольцевой формы в скрещенных полях, а затем он переходил в дуговую стадию. Типичные области поджигания магнетронного и Пеннинговского разряда показаны красными стрелками на рисунке 3.

Рис. 3. Схема электронной пушки с указанием характерных мест горения паразитного разряда.

В частности, при эксплуатации подобной электронной пушки на установке EBIS (Brookhaven National Laboratory, США) действительно наблюдалось горение магнетронного разряда между анодной трубкой и катодом, что приводило к неоднородному изнашиванию нагревной таблетки катода. Однако, высоковольтных пробоев не наблюдалось, так как давление остаточного газа в установке EBIS поддерживалось на уровне 10-7-10-8 Па, т.е. разряд существовал в слаботочной диффузной форме, лишь слегка уменьшая напряжение высоковольтного модулятора.

Подавление разряда в рабочем магнитном поле было достигнуто с помощью препятствующего поджиганию дуги диэлектрического барьера, в качестве которого использовался отрезок полиэтиленовой трубки, надетой на держатель катода. Такой барьер позволяет удерживать рабочее напряжение в течение 5 мс. В данный момент катодный электрод отправлен на доработку для покрытия жидкой керамикой.

Источник питания электронной пушки

Для этой электронной пушки был изготовлен высоковольтный источник питания на основе емкостных накопителей (рис. 4), обеспечивающих стабильный по амплитуде импульс с крутым передним фронтом. Формирование выходного импульса происходит за cчёт быстрых полупроводниковых ключей, которые управляются через пластиковое оптоволокно. Для ограничения скорости нарастания выходного тока используются снабберы на индуктивностях, остаточный ток в которых гасится через диоды. В момент окончания импульса и в случае возникновения пробоя в нагрузке, напряжение должно гарантированно сниматься с электронной пушки даже в случае выхода из строя полупроводниковых ключей для предотвращения необратимого разрушения элементов её конструкции. Поэтому в момент выключения выход модулятора закорачивается тиристорным ключом.

Измерение выходного напряжения осуществляется с помощью компенсированного высоковольтного делителя на резисторах и конденсаторах, а измерение выходного тока – с помощью бесконтактного датчика тока.

Система защиты по току для обеспечения большей надежности использует помимо сигнала с датчика тока сигнал с шунта, отключая выходное напряжение при превышении уровня любого из датчиков.
Зарядка накопительной ёмкости осуществляется от высоковольтного источника, имеющего режим ограничения выходного тока. Для подавления переходных процессов источник подключается через высоковольтные резисторы. Двери шкафов высоковольтного модулятора снабжены концевыми выключателями, что позволяет разрядить накопительную ёмкость и выключить высоковольтный источник в случае внештатного открывания двери во время работы, обеспечивая безопасность персонала.

В настоящий момент высокое напряжение возможно поднимать только до 32 кВ, что связанно с опасностью выхода из строя IGBT транзисторов в управляемом высоковольтном ключе.

Рис. 4. Общий вид системы питания электронной пушки, слева стойка с конденсаторными батареями, справа управляющий модуль

Помимо высоковольтного модулятора, система питания электронной пушки включает в себя источник питания накала, имеющий изоляцию на напряжение 50кВ и служащий для разогрева катода пушки. Передача энергии в этот источник осуществляется через высокочастотный изолирующий трансформатор. После первых испытаний электронной пушки выяснилось, что для полноценной электронной эмиссии с катода заложенной по проекту мощности накала в 300 Вт недостаточно. Для повышения мощности накала был приобретен новый источник Kepko AK-650 мощностью 650 Вт. Также было принято решение о замене старого развязывающего трансформатора на новый, с меньшими потерями. Конструктивно это потребовало нового, более габаритного корпуса системы накала.

Первые результаты работы мегаваттного пучка

скоро будут

конец faq