Электронный пучок с плазменным эмиттером для нагрева плазмы в установке ГОЛ-3 Докладчик: Трунев Ю.А. (аспирант лаб. 10) Научный руководитель: д.ф.-м.н. Бурдаков А.В.

План выступления Постановка задачи. Эксперименты на стендовом (30 кВ) источнике электронов с плазменным эмиттером. Проект пучка «100 мкс, 150 кВ, 1 кА» для экспериментов на ГОЛ-3.

Постановка задачи Для повышения параметров плазмы в ГОЛ-3 необходимо: Обеспечить подавление электронной теплопроводности в течении большого времени. За счет сохранения электронной температуры подавить канал потери энергии ионов. С этой целью проводятся исследования по созданию источника пучка электронов с параметрами: энергия электронов ~150 кэВ, ток пучка до 10 кА, длительность импульса не менее 0,1 мсек и плотность тока 1 – 2 кА/см 2 (в плазме ГОЛ-3). Реализация пучка с длительностью 0,1 мс и более возможна в источниках с плазменным эмиттером.

Эксперименты на стенде 30 кВ Для проверки концепции был построен экспериментальный стенд. Цели экспериментов на стенде: Исследовать генерацию длинноимпульсного электронного пучка в источнике с плазменным эмиттером и многоапертурной ЭОС. Получение пучка с максимальной плотностью тока ( 100 А/см 2 ) и длительностью 0,1 мсек и более. Большая плотность тока требует высокой напряженности поля в зазоре ЭОС ( 100 кВ/см). Формирование, транспортировка и сжатие пучка в магнитном поле.

Схема источника электронов Остаточное давление в камере мм.рт.ст. Импульсный клапан- до 3 ·10 18 молекул Н 2 за импульс. Ведущее магнитное поле до 0,23 Тл. Катушка внешнего магнитного поля Дуговой источник плазмы 10 см Эмиссионный электрод Ускоряющий электрод Лайнер с медным коллектором Н2Н2 К вакуумной камере

Геометрия ЭОС Многоапертурная (7 отв.) ЭОС, заполнение гексагональное, прозрачность ~ 50 % Мо Нержавеющая сталь 12Х18Н10Т

Схема питания источника R см

Осциллограммы пучка. Без внешнего магнитного поля. Ток дуги 480 А Магнитная изоляция дуги максимальная. Плотность тока в отверстии – 130 А/см 2. Лайнер длиной 35 см, диаметром 3 см.

Эффект переключения тока на эмиссионный электрод в ток пучка Без внешнего магнитного поля. Ток дуги 420 А Магнитная изоляция дуги максимальная. R смещения = 0,23 Ом.

t ~50мкс Плотность тока в отверстии- 130 А/см 2. Лайнер диаметром 30 мм, без коллектора. Без внешнего магнитного поля. Ток на ускоряющий электрод пренебрежимо мал (300 мА). Характерное время ионизации первичными электронами ~ 30 мкс.

плотность тока в отверстии 50А/см 2 параметры дуги за пределами оптимальных!

Получен пучок в многоапертурной ЭОС с током до 70 А (плотность тока 140 А/см 2 ) и длительностью 250 мкс (ограничивается системой питания) при энергии электронов 26 кэВ. В многоапертурной ЭОС ток вырос пропорционально количеству отверстий. Зазор ЭОС работает при средней напряженности поля 120 кВ/см. Наложение внешнего магнитного поля способствует компрессии потока дуговых электронов на эмиссионный электрод, что очевидно приводит к росту плотности тока пучка. Получен пучок с плотностью тока 50 А/см 2 в магнитном поле в 1 кГс. Резюме по экспериментам на стенде

Установка ЭОС с 19 отверстиями (следующий шаг в гексагональной структуре). Эксперименты по транспортировке и сжатию пучка в магнитном поле. Модернизации системы высоковольтного модулятора для получения больших токов пучка. Модификация источника плазмы. Планы на ближайшее будущее:

ГИН по схеме Аркадьева-Маркса Напряжение 150 кВ, энергозапас ГИНа > 50 кДж Расширитель с высоковольтным вводом на 200 кВ Схема размещения ГИН-150 кВ в зале установки ГОЛ-3 На первой стадии проекта рассматривается пучок с током 1 кА

Монтаж нового выходного расширителя ( )

Схема размещения диода для генерации микросекундного пучка в расширителе и конфигурация магнитного поля в нем B, кГс R, m 1.5кГс

Численное моделирование (POISSON -2) формирования пучка в диоде B = 1.5 кГс U = 150 кВ d = 2 cм D = 9 см Прозр. 50% I e ~ 1.2 кА j e ~ 40 А/см 2, рад Z = 55 мм (12-cat-4) Астрелин, 2007

Резюме по проекту Определена система питания для будущего источника на 150 кВ - ГИН по схеме Аркадьева-Маркса. Определена компоновка и размещение для ГИНа на установке ГОЛ-3. Численным моделированием показано, что даже простая двухэлектродная многоапертурная ЭОС, в отсутствии нейтрализации пучка в трубе дрейфа, позволяет генерировать пучок, пригодный для последующего сжатия в магнитном поле до 100 раз.

Спасибо за внимание!

Численное моделирование (POISSON -2) формирования пучка в диоде B = 1 кГс U = 150 кВ d = 2 cм D = 9 см Прозр. 50% I e ~ 1.7 кА j e ~ (60-80 А/см 2 ), рад I i ~ 1 А/см 2, что соответствует n ~ см -3 при Te ~ 10 эВ D - плазма Z = 90 мм (12-cat-6)

Одноапертурная ЭОС 2,5 3,3 3,6 75 мм до источника дуги

Результаты экспериментов с одноапертурной ЭОС Звенигород 2007 Ток разряда дуги ~ 200 А. Магнитное поле 0.1 Тл. энергосодержание пучка по интегралу U I подтверждается калориметрическими измерениями. Длительность пучка определяется системой питания

Ток пучка в зависимости от магнитного поля ток дуги 175 А Звенигород 2007

Численное моделирование (POISSON -2) формирования пучка в диоде B = 1.5 кГс U = 150 кВ d = 2 cм D = 9 см Прозр. 50% I e ~ 1.2 кА (

Схема размещения ГИН-150 кВ в зале ГОЛ-3

Распределение магнитного поля на оси источника

250 microseconds electron beam with plasma emitter Authors: Astrelin V.T., Burdakov A.V., Derevyankin G.E., Kandaurov I.V., Trunev Yu.A.,