УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАЦИОНАРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ИОННОГО ПУЧКА
DEVICE FOR STATIONARY GENERATION OF ION BEAM

Область техники
Изобретение относится к области создания ионных источников, предназначенных для работы инжекторов быстрых атомов водорода в стационарном режиме (атомные пучки большой мощности - до 2 мегаватт), которые могут использоваться для нагрева плазмы в магнитных ловушках.
Уровень техники
Известно устройство для стационарной генерации ионного пучка большой мощности, состоящее из газоразрядной камеры, изолирующей высоковольтной конструкции и многоэлектродной ионно-оптической системы, электроды которой оборудованы каналами для охлаждения и подающими и сливными коллекторами для охлаждающей воды (патент на ПМ №145256, оп. 10.09.14).
Известно устройство для генерации стационарного пучка ионов водорода многомегаватной мощности (ITER Final Design Report, Design Description Document (DDD5.3) "Neutral Beam Heating and Current Drive (NBH&CD) System", July 2001). Устройство содержит вакуумный корпус со съемным верхним фланцем, с размещенным на нем высоковольтным вводом для подачи электропитания и охлаждения узлов ионного источника - газоразрядной камеры и электродов ионно-оптической системы (ИОС), также размещенных внутри вакуумного объема. ИОС состоит из 6 электродов - эмиссионного (плазменного), заземленного и 4 промежуточных - ускорительных электродов. Устройство содержит вертикальный опорный фланец, закрепленный на боковой стенке корпуса, на котором через горизонтальные керамические изоляторы закреплены электроды ИОС и газоразрядная камера. Горизонтальные керамические изоляторы воспринимают весовую нагрузку от узлов ионного источника. Недостаток такой конструкции - повышенная чувствительность к разрушению, так как горизонтальные керамические изоляторы работают на изгиб и может возникнуть их хрупкое разрушение при наличии весовых и ударных нагрузок в токамаке (срыв тока плазмы). Кроме того, эти ударные нагрузки могут вести к небольшим (десятки микрон) смещениям по вертикали электродов ионно-оптической системы относительно друг друга, что при длительной работе стационарного ионного источника приведет к расфокусировке генерируемого ионного пучка и увеличению мощностных нагрузок на элементы пучкового тракта.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности стационарной работы ионного источника при длительной эксплуатации в условиях неизбежного наличия ударных нагрузок.
Для достижения указанного результата предложено устройство для стационарной генерации ионного пучка, содержащее вакуумный корпус со съемным верхним фланцем, оборудованным высоковольтным вводом для подвода электропитания и охлаждения, с распложенными в нем газоразрядной камерой (ГРК), электродами ионно-оптической системы и изоляторами, при этом устройство содержит опорную платформу, закрепленную на верхнем фланце, с закрепленными на ней вертикальными опорными изоляторами, на которых установлена ГРК, и юстировочное устройство, с закрепленными на нем заземленным и промежуточным электродами ИОС.
На фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства, где:
1 - вакуумный корпус
2 - верхний фланец
3 - ввод электропитания и охлаждения
4 - газоразрядная камера
5 - эмиссионный электрод
6 - горизонтальные изоляторы
7 - промежуточный электрод
8 - заземленный электрод
9 - узел сборки промежуточного и заземленного электродов
10 - группа опорных изоляторов
11 - опорная платформа
12 - тяга
13 - котировочное устройство
2
2
Устройство для генерации стационарного пучка ионов водорода состоит из вакуумного корпуса 1 со съемным верхним фланцем 2, оборудованным высоковольтным изоляторным вводом 3, рассчитанным на ускоряющее напряжение до 100 кВ, через который осуществляется подвод электропитания и охлаждения узлов ионного источника. К верхнему фланцу 2 с помощью тяг 12 прикреплена опорная платформа из нержавеющей стали 11, на которой закреплены рассчитанные на полное ускоряющее напряжение опорные изоляторы 10, на которых установлена охлаждаемая медная газоразрядная камера 4 массой свыше 100 кг. Количество керамических опорных изоляторов для такой газоразрядной камеры равно 3, диаметр и высота составляют соответственно 100 и 200 мм. По сравнению с прототипом такой способ крепления газоразрядной камеры позволяет избежать поперечной весовой нагрузки на изоляторы, что повышает надежность работы всего устройства. Газоразрядная камера обеспечивает при мощности разряда около 150 кВт получение на эмиссионной поверхности плазмы площадью около 1000 см плотность тока водородных ионов до 0,25 А/см.
Многоапертурные электроды ИОС, эмиссионный 5, промежуточный (ускоряющий) 7 и заземленный 8, изготавливаются из бескислородной меди. Охлаждение электродов осуществляется водой по проложенным в них каналам, которые присоединены к напорным и сливным коллекторам (на фиг. 1 не показаны). Эмиссионный электрод 5 присоединяется к газоразрядной камере через изолирующую рамку, на него и газоразрядную камеру подается ускоряющее напряжение. Промежуточный 7 и заземленный 8 электроды устанавливаются на отдельный узел сборки 9, где они взаимно юстируются и промежуточный электрод закрепляется на фланце узла 9 с помощью малогабаритных высотой 60 мм керамических изоляторов 6, рассчитанных на напряжение до 10 кВ.
Для точной взаимной установки узла сборки электродов 9 и эмиссионного электрода 5 ионно-оптической системы ионного источника применено котировочное устройство 13, которое закреплено на опорной платформе 11 и обеспечивает настройку взаимного положения электродов с точностью не хуже 30 мкм.
Таким образом, предложенная конструкция устройства обеспечит его длительную работоспособность при эксплуатации в системе инжекции токамака.