СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОФИЛЯ СТАЦИОНАРНЫХ МЕГАВАТТНЫХ ПУЧКОВ ИОНОВ И АТОМОВ В ИНЖЕКТОРАХ
METHOD FOR MEASUREMENT OF PROFILE OF FIXED MEGAWATT BEAMS OF IONS AND ATOMS IN INJECTOR

Изобретение относится к диагностике профилей пучков ионов и атомов в мегаваттных квазистационарных (десятки и сотни секунд) инжекторах, предназначенных для нагрева плазмы и поддержания тока в термоядерных установках типа токамак. Знание профиля пучка (т.е. распределения плотности тока по сечению пучка) необходимо для определения таких его важных параметров, как угол расходимости и точность настройки оси пучка ионов и атомов на входное окно токамака, т.е. работоспособности установки.
2
Измерение профиля (распределения плотности тока по сечению пучка) квазистационарного мегаваттного пучка является проблемной задачей вследствие очень высокой плотности мощности (ПМ) в пучке, составляющей десятки МВт/м. При таких ПМ традиционное использование вольфрамовых зондов для измерения тока пучка, вводимых непосредственно в пучок, ограничено их «временем жизни» на уровне сотен миллисекунд.
Известен способ определения параметров круговой развертки пучка заряженных частиц ускорителя (а.с. СССР №1807776, G01T 1/29), основанный на регистрации электрического сигнала с коллектора с последующей обработкой результатов, в котором измеряют падение напряжения на участке протекания по коллектору тока заряженных частиц пучка. Коллекторы выполнены в виде проволочек из нихрома толщиной 0,02 см и размещены в одной плоскости радиально через угловые интервалы в 90°.
Этим способом нельзя измерить профиль квазистационарных мегаваттных пучков.
В разрабатываемом инжекторе ИТЭР с длительностью импульса инжекции до 1 часа (1. L.R. Grisham, P. Agostinetti, G. Barrera е.а. "Recent improvements to the ITER neutral beam system design". Fusion Engineering and Design, 2012 - прототип. 2. ITER Final Design Report, Design Description Document (DDD5.3) "Neutral Beam Heating and Current Drive (NBH&CD) System", July 2001) для настройки оси пучка измеряют только сдвиг оси пучка и усредненное по одной из координат распределение плотности мощности пучка. При этом профиль стационарных мегаваттных пучков ионов и атомов в инжекторах определяют путем измерения плотности тока по сечению пучка, с помощью устройства, представляющего собой установленный на пути следования пучка раздвижной приемник-калориметр, выполненный из охлаждаемых водой трубок. Приемник-калориметр имеет V-образную конструкцию, что обеспечивает прием пучка мощностью 18 МВт.
Приемник-калориметр состоит из двух раздвижных панелей, каждая из которых образована набором ориентированных в горизонтальной плоскости охлаждаемых трубок, расположенных в два слоя: передний и задний относительно направленного пучка ионов и атомов. Трубки в каждом слое расположены относительно друг друга с зазором а, меньшим диаметра трубки d. Трубки второго слоя смещены относительно трубок первого слоя на величину, равную половине расстояния между осями трубок Н. При такой конфигурации расположения трубок пучок ионов полностью попадает на панель приемника калориметра. В такой конструкции в качестве средства диагностики используются термопары, установленные на концах трубок панелей калориметра.
Измеряя разность температур ΔТ=Т2-Т1 на концах трубки и расход воды Q в ней, можно рассчитать мощность, выделяемую пучком на каждой из трубок. Зная энергию ионов Е, можно оценить среднюю плотность тока пучка, попадающего на трубку.
, где
Q - расход воды (кг/с),
L - длина трубки калориметра (м),
d - диаметр трубки калориметра (м),
р
с - теплоемкость воды (Дж/(град*кг)).
е - заряд иона (Кл),
2
j(x) - распределение плотности тока пучка (А/м),
ΔT - разность температуры (град),
Е - энергия ионов (Дж).
Такой способ позволяет измерять только усредненный по горизонтали вертикальный профиль пучка. Основной недостаток описанной выше методики заключается в том, что невозможно определить горизонтальный профиль пучка. То есть, не удается определить угол расходимости пучка по горизонтали, возможна только грубая настройка оси пучка по данным энерговыделения пучка на каждой панели. Кроме того, возможны неточности и в измерении вертикального профиля, поскольку нет гарантии, что во всех трубках достигается одинаковый расход воды.
2
В настоящее время не существует способа, который позволяет измерять полный профиль пучка с плотностью мощности десятки МВт/м.
2
Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является разработка способа измерения полного профиля стационарных пучков ионов и атомов, плотность мощности которых составляет десятки МВт/м.
Для этого предложен способ измерения профиля стационарных мегаваттных пучков ионов и атомов в инжекторах путем измерения относительной плотности тока по сечению пучка, направленного на калориметр, выполненный из двух параллельно расположенных слоев водоохлаждаемых трубок, которые в каждом слое расположены относительно друг друга с зазором а, меньшим диаметра трубки d, а трубки второго слоя смещены относительно трубок первого слоя на величину, равную половине расстояния между осями трубок Н, при этом относительную плотность тока по сечению пучка определяют по измерению коллекторами тока ионно-эмиссионных электронов, образующихся в результате бомбардировки пучком ионов и атомов трубок калориметра, при этом коллекторы, расположенные между трубками калориметра второго слоя, устанавливают так, что трубки калориметра первого слоя перекрывают падающий на них пучок.
На фиг. 1 дана схема устройства для измерения профиля пучка, где
1 - передний слой трубок панели калориметра,
2 - задний слой трубок панели калориметра,
3 - коллектор ионно-электронной эмиссии,
4 - зонд из вольфрамовой проволоки,
5 - измерительная аппаратура,
6 - источник постоянного напряжения,
7 - измерительное сопротивление,
8 - измерительная аппаратура ионного тока.
мах
На фиг. 2 показано распределение относительной плотности тока пучка А/А по вертикальной оси пучка, где
9 - ромбами обозначены значения относительной плотности тока пучка, полученные из измерений коллекторами тока ионно-электронной эмиссии,
10 - кружками обозначены значения относительной плотности тока пучка, полученные из измерения зондами тока ионов пучка,
11 - профиль пучка.
На фиг. 3 показана схема приемника-калориметра с раздвижными панелями 12.
На фиг. 4. изображена панель 12 приемника-калориметра, представляющая собой собранные в два слоя 1 и 2 охлаждаемые трубки панелей калориметра.
На фиг. 5 показано условное расположение матрицы коллекторов между трубок калориметра.
На фиг. 6 представлена осциллограмма потенциала V коллектора ионно-электронной эмиссии при длительности импульса ~ 1.0 с.
Схема такого способа измерения представлена на фиг. 1. Каждый коллектор 3 размещается между трубками заднего слоя 2 в тени трубок переднего слоя 1, т.е. не попадает под прямое облучение пучком. Коллекторы 3 предназначены для сбора ионно-эмиссионных электронов, образующихся в результате бомбардировки пучком (состоящим из ионов и атомов), трубок калориметра 1 и 2. Набор таких коллекторов дает возможность измерения, как горизонтальных, так и вертикальных профилей по всему сечению пучка. Коллекторы могут быть выполнены, например, в виде пластин из нержавеющей стали.
к
к
На каждый коллектор 3 с помощью постоянного источника напряжения 6 подается положительное напряжение U относительно трубок калориметра, которые заземлены. В этом случае электроны, которые образуются на поверхности трубок, выполненные, например, из меди или сплава меди, за счет бомбардировки ионами и атомами пучка, поступают на этот коллектор. Ток J, который появляется при этом в измерительной цепи, определяется по величине падения напряжения V на измерительном сопротивлении R 7 J=V/R. Величина напряжения U подбирается такой, чтобы ее дальнейшее увеличение не приводило к изменению собираемого эмиссионного тока электронов. С помощью измерительной аппаратуры 5 значения V со всех коллекторов выводится на монитор персонального компьютера (не показан).
Поскольку величина тока эмиссии пропорциональна плотности тока пучка, величина падения напряжения V будет также пропорциональна плотности пучка в области расположения коллектора.
Расстояние между коллекторами h, расположенными между трубками, зависит от расстояния между осями трубок H и составляет величину, кратную Н, тогда h=Н*n, где n=1, 2. Для диаметра трубок d=(1-2) см H=1.6-3.6 см, расстояние между коллекторами вдоль трубок определяется профилем пучка и может составлять также несколько сантиметров. Очевидно, общее количество коллекторов будет зависеть от размеров пучка. Для установки Т-15 размер пучка составляет по вертикали 0.6 м по горизонтали 0.14 м, для установки ИТЭР эти размеры составляют соответственно 1.2 м и 0.6 м. Тогда для H=1.6-3.6 см общее количество коллекторов может превышать 100 шт.
2
Данный способ был экспериментально проверен на инжекторном тест-стенде ИРЕК, приемник-калориметр которого соответствует приемнику-калориметру установки ИТЭР. Измерения проводились с использованием пучка положительных ионов и атомов водорода мощностью 1.2 МВт при энергии частиц 35 кэВ и плотности мощности на оси пучка в районе калориметра около 16 МВт/м. Для того чтобы проверить работоспособность предложенного способа измерения, калориметр был дополнительно оснащен вертикальным набором зондов из вольфрамовой проволоки 4, введенных непосредственно в пучок для прямого измерения тока ионов пучка, находящихся в тени трубок переднего слоя. Схема измерения ионного тока 8 аналогична схеме измерения ионно-электронной эмиссии, отличие только в полярности напряжения, подаваемого на зонд. Для того чтобы убедиться в достоверности измерений плотности тока пучка, предложенной методикой, проводилось одновременное измерение профиля пучка зондами и коллекторами при коротких 0.1 с импульсах пучка. Эти измерения показали хорошее совпадение профилей, полученных обоими методами (фиг. 2, кривая 11).
На фиг. 6 представлена осциллограмма потенциала V коллектора ионно-электронной эмиссии при длительности импульса ~ 1.0 с. Видно, что в пределах длительности импульса пучка величина V, а следовательно, и ток ионно-электронной эмиссии J=V/R не меняется. Модуляция тока, которая наблюдается на осциллограмме, вызвана модуляцией самого тока пучка. Следует отметить, диагностика пучка с использованием термопар не дает возможность получения информации о быстрых изменениях параметра пучка во времени по сравнению с предлагаемой методикой измерения. Кроме того, было показано, что ток электронов вторичной плазмы, образующейся в районе калориметра, не искажает профиль пучка, полученный из измерений ионно-электронной эмиссии.
Таким образом, с помощью матрицы коллекторов, которые располагаются в тени трубок приемника-калориметра (т.е. вне зоны прямого попадания пучка), измеряется распределение тока ионно-электронной эмиссии, величина которой пропорциональна распределению плотности тока ионов и атомов, поступающих на приемник-калориметр. Это соответственно позволяет определить профиль пучка, что необходимо для работ, проводимых на установках токамак.