Аспекты повышения электрической прочности устройств с фокусирующими ионно-оптическими системами

DOI:

В настоящее время в исследованиях по физике плазмы и управляемому термоядерному синтезу широко применяются интенсивные пучки высокоэнергетичных ионов и атомов. Сильноточные пучки ионов и атомов водорода (дейтерия) служат для создания и нагрева плазмы до термоядерных температур в установках с магнитным удержанием плаз-

мы. Инжекторы быстрых частиц для термоядерных установок стали развиваться с началом строительства магнитных ловушек. В 70-е гг. необходимость создания средств безындукционного нагрева плазмы в токамаках послужила стимулом для большого прогресса в развитии инжекторов. Мощность систем инжекции в первых токамаках составляла де- сятки киловатт, в современных системах она достигает десятки мегаватт. В проектах демонстрационных термоядерных реакторов рассматриваются мощности систем инжекции до 100 МВт. Диапазон энергий атомов – от десятков до сотен кэВ, эквивалентные токи пучков – от долей ампера до ста ампер [1].

Для увеличения ресурса работы таких систем применяется упрощение конструкции, изготовления и сборки с одновременным уменьшением экономических затрат. Это достигается тем, что в ионно-оптической системе (далее – ИОС) ионного двигателя, включающей изолированные друг от друга электропроводные полусферические сетчатые эмиссионный и ускоряющий электроды, крепежные элементы и электрические контакторы, эмиссионный и ускоряющий электроды крепятся к двум разным фланцам прижатием их головкой винта через втулку, между фланцами установлены закрытые чехлами со всех сторон керамические изоляторы, при этом фланцы непосредственно соединены с электрическими контакторами, подающими и поддерживающими потенциалы по всей площади прилегания сетчатых электродов к фланцам [2].

Существует ионно-оптическая система, представленная на рисунке 1, состоящая из ис- точника ионов 1, положительной полярности, плазменного электрода 2, ускоряющего электрода 3, который выполнен в виде катушки конусообразной формы, создающей магнитное поле 4, силовые линии которого вытянуты в сторону продольной оси системы. Электроны, идущие из пучковой плазмы 5, образуемой ускоряемыми частицами в области их дрейфа, надежно замагничены и не могут уйти с силовых линий магнитного поля [1; 2; 4].

Это позволяет эффективно защищать поверхности электродов от бомбардировки заряженными частицами. Такой результат достигается тем, что в ИОС ускоряющий электрод выполнен в виде магнитной катушки, создающей конфигурацию магнитных силовых линий, при которой величина радиальной составляющей магнитного поля в каждой точке продольной оси будет минимальной и резко нарастать к периферии.

Существует электростатическая ионнооптическая система, обеспечивающая фокусировку пучка по углу и его монохроматиза-цию на входе в монопольный масс-анализа-тор, представленная на рисунке 2. Используется воронкообразный вытягивающий электрод в энергофильтр в виде цилиндра, в меридиональной плоскости которого расположен

Рис. 1. Ионно-оптическая система с магнитной защитой электродов

Рис. 2. Ионно-оптическая система формирования пучка с фильтрацией по энергии

плоский электрод. Система допускает изменение геометрии пропорционально радиусу апертуры и питания анода [3; 6].

Одним из возможных путей решения задачи является повышение эквипотенциальности области образования ионов. Для предотвращения попадания в блок электродов монопольного анализатора рассеянных электронов существует метод смещения ИОС относительно входной апертуры с помощью отклоняющей системы. Такая система обеспечивает уменьшение разброса по энергии в ионном пучке, что позволяет работать без энергофильтрации. Но все-таки, когда требования к моноэнергетичности пучка выше, необходимо ставить фильтр по энергии.

Для решения задачи создания инжекторов квазистационарного источника водородных ионов с энергией 60 кэВ и током 60 А разработана конструкция ИОС с многощелевыми электродами, в которых в перемычки между щелями встроены медные трубки диаметром 4 мм при толщине стенки 0,8 мм, через которые прокачивается вода. При этом толщина электродов увеличивается до 6 мм, что существенно с точки зрения условий формирования пучка с малым средним углом расходимости на уровне 20 ± 25 мрад (около ± 1,5). Отметим, что прозрачность щелевой ИОС примерно на 30 % больше, чем в ИОС с круглыми отверстиями [3].

При этом, используя программу численного расчета пучков RUDI, можно:

– оптимизировать конфигурацию трехэлектродной щелевой ячейки ИОС стационарного ионного источника для получения оптимальной плотности тока ионов с заданной энергией и приемлемой расходимостью пучка;

– рассчитать потоки вторичных частиц и провести оценки мощности, которая выделяется на электродах [5].

Для формирования диагностического пучка RUDI используется четырехэлектродная ИОС, представленная на рисунке 3.

Система электродов имеет следующее распределение потенциалов: плазменный электрод – 50 кВ; вытягивающий электрод – 43 кВ; ускоряющий электрод – 0,5 кВ; заземленный электрод – 0 кВ. Отрицательное напряжение на третьем электроде предотвращает попадание электронного потока из вторичной плазмы в ускоряющий зазор [5].

В данной ИОС реализован принцип геометрической фокусировки, то есть полный пучок формируется из множества направленных в общую точку фокуса элементарных пучков. Сеточная система RUDI имеет активное водяное охлаждение. Поскольку размещение водяных каналов непосредственно в рабочей области сеток представляет определенные технологические трудности, в данной конструкции каналы системы охлаждения расположены на периферии держателей сеток.

Среди достоинств щелевой геометрии следует отметить ее потенциально более высокую прозрачность, а следовательно, более

Рис. 3. Ионно-оптическая система в сборе (слева показана предыдущая геометрия, справа – геометрия с новыми щелевыми сетками и увеличенной апертурой):

1 – плазменный электрод; 2 – вытягивающий электрод; 3 – ускоряющий электрод; 4 – заземленный электрод

высокие возможные значения тока пучка по сравнению с дырочной геометрией при исходном размере сеток. К проблемам реализации щелевой оптики можно отнести несколько более затрудненный теплоотвод от длинных перемычек между щелями [7; 8].

Существуют нейтронные трубки с ионным источником Пеннинга с термокатодом, выполненные в виде герметичной колбы, состоящей из металлостеклянной оболочки и металлостеклянной или металлокерамической ножки, в которой расположены мишень, ионно-оптическая система, источник ионов и генератор рабочего газа, одновременно служащий и газопоглотителем остаточных газов. Известен ионный источник Пеннинга с термокатодом, содержащий катод с вольфрамовой спиралью, разогреваемой при работе нейтронной трубки до температуры 2 100 °С, антикатод с отверстием для выхода ионов в ИОС трубки, анод, генератор газа и магнит. На анод ионного источника Пен-нинга с термокатодом подают постоянное или импульсное напряжение. Газонаполненная нейтронная трубка с источником Пеннин-га способна при напряжении 120–125 кВ и среднем токе порядка 350 мкА генерировать нейтронные потоки выше 2.109 н/c и обеспечить среднюю наработку порядка 200 часов. Сорбционная емкость термогазопоглотителя 12 зависит от его массы. Наиболее приемлемой для газонаполненной нейтронной трубки, рассчитанной на обеспечение нейтронного потока порядка 2.109 н/с при выделяемой мощности порядка 50 Вт, является масса порядка 100–350 мг.

Некоторые устройства обеспечивают электрическую прочность ИОС и трубки более 140 кВ, генерируют нейтронный поток на уровне 2.1 н/с и сохраняют его при длительной работе (более 200 часов).

Рабочие параметры предлагаемых нейтронных трубок (в сравнении с трубкой, не имеющей термогазопоглотителя) представлены в таблице.

В результате проведенного анализа ионно-оптических систем очевидно, что одним из методов повышения электрической прочности является принцип геометрической фокусировки, то есть полный пучок формируется из множества направленных в общую точку фокуса элементарных пучков, включая источник Пеннинга с термокатодом, а также использование фокусировки ионного пучка и защиты внутренней поверхности колбы от запыления материалами электродов.