УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТАЦИОНАРНОЙ ГЕНЕРАЦИИ ИОННОГО ПУЧКА БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ

Полезная модель относится к инжекционной технике, применяемой для создания ионных пучков, и предназначено для обеспечения стационарной работы сильноточных источников ионных пучков мегаваттного уровня мощности.
В сильноточных источниках ионов водорода и его изотопов, применяемых в инжекторах быстрых атомов для нагрева плазмы в термоядерных установках (токамаки, стеллараторы и различные магнитные ловушки) и генерирующих потоки ионов мегаваттного уровня мощности, на электродах ионно-оптической системы (ИОС), формирующей пучок, выделяется, как правило, мощность в десятки и сотни киловатт. При относительно короткой (до 1 с) длительности импульса пучка устойчивую работу ИОС удается обеспечить применением периферийного охлаждения электродов, которые нагреваются в течение импульса и охлаждаются в паузе за счет отвода тепла на охлаждаемые водой держатели. При дальнейшем увеличении длительности импульса пучка электроды перегреваются, коробятся и перестают нормально функционировать и генерировать сфокусированный ионный поток. Соответственно, для обеспечения работы ионного источника с многосекундными импульсами и, тем более, для перехода в стационарный режим требуется непрерывно отводить с электродов поступающий на них поток тепла путем принудительной прокачки охлаждающей воды через тело электродов..
Известно устройство для стационарной генерации ионного пучка мегаваттного уровня мощности (Design of neutral beat system for ITER-FEAT, Fusion Engineering and Design 56-57, 2001, pp 517-521), которое состоит из газоразрядной камеры, изолирующей высоковольтной конструкции и многоэлектродной ИОС с большим количеством круглых апертур в каждом электроде для формирования отдельных ионных пучков, между которыми проложены каналы охлаждения, при этом каждый электрод имеет подающий и сливной коллекторы для охлаждающей воды. Применение в ИОС круглых апертур (многоапертурная ионная оптика) неизбежно уменьшает полезную площадь для извлечения ионов при заданных размерах эмиссионной поверхности плазмы в газоразрядной камере и тем самым уменьшает полную мощность извлекаемого ионного потока из источника. Кроме того, круглые апертуры имеют одинаковую угловую расходимость пучка по кругу из каждого отдельного отверстия.
Техническим результатом полезной модели является увеличение полной мощности извлекаемого ионного потока из источника при заданных его габаритах за счет лучшего использования эмиссионной площади газоразрядной камеры и уменьшение угловой расходимости извлеченного ионного пучка в направлении параллельном щелям ионной оптики.
Предлагается 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, при этом электроды ионно-оптической системы выполнены в виде многощелевой конструкции, а каналы охлаждения проложены вдоль перекладин щелей электродов.
На Фигуре 1 показан вид устройства в сборе, где
1 - охлаждаемая газоразрядная камера
2 - изолирующая высоковольтная конструкция
3 - охлаждаемая многоэлектродная ионно-оптическая система
4 - коллекторы для охлаждения многоэлектродной ионно-оптической системы
На Фигуре 2 показан один электрод многоапертурной многоэлектродной ионно-оптической системы (по прототипу)
5 - собственно электрод
6 - апертура для извлечения отдельного ионного пучка
На Фигуре 3 показан один электрод многощелевой многоэлектродной ионно-оптическая системы (заявляемой):
5 - собственно электрод
7 - щель для извлечения отдельного ионного пучка
8 - перекладина между соседними щелями
Устройство Фиг. 1 образует единый вакуумплотный узел за счет соединения газоразрядной камеры 1 и изолирующей высоковольтной конструкции 2, при этом внутри последней крепятся электроды 5 многоэлектродной ионно-оптической системы 3 и коллекторы для охлаждения электродов 4, имеющие выводы за пределы изолирующей высоковольтной конструкции.
Для увеличения полезной площади ионно-оптической системы 3 предлагается конструкция ионного источника, в которой электроды 5 имеют многощелевую конфигурацию. Охлаждение таких электродов осуществляется с помощью каналов, проложенных в перекладинах 8 щелевой ионно-оптической системы и присоединенных к подающим и сливным коллекторам 4 охлаждающей воды. При такой конструкции электродов увеличивается примерно в 1,3 общая площадь отбора потока ионов при заданном размере эмиссионной поверхности плазмы газоразрядной камеры 1, т.е при заданных поперечных размерах извлекаемого ионного пучка. Кроме того, угловая расходимость элементарных пучков из щелевой оптики вдоль щели 7 существенно меньше, чем по направлению поперек щели (Семашко и др. «Инжекторы быстрых атомов водорода», Москва, Энергоиздат, 1981, стр. 42). Поэтому итоговая расходимость полного пучка ионного источника вдоль щелей оказывается заметно меньше, чем поперек щелей. Это обстоятельство полезно для повышения эффективности транспортировки нейтрального пучка (получаемого после преобразования ионного пучка в атомный с помощью нейтрализатора) в разрядную камеру токамака, входные окна которого из-за наличия катушек тороидального магнитного поля, охватывающих камеру, практически всегда вытянуты в направлении, перпендикулярном экваториальной плоскости тора.