Исследование структуры токов на установке ГОЛ-3

Э.Р. Зубаиров

науч. рук. В.В. Поступаев

Новосибирск 2005

План докладаГ О Л - 3e

• Введение, постановка задачи, проблемы

• Этапы работы

• Текущие результаты

• Планы

• Заключение

Электронный пучокЭнергияТокЭнергозапасДлительность

- 1МэВ- 50кА

- 0.3МДж- 8мкс

ПлазмаТемператураУдержаниеПлотность

~ 2 кэВ~ 1 мс

~1-3*10 см .

Магнитное полеСоленоид max minПробкиЭнергозапас

- 5.2Т-3.2T- 10Т

- 15МДж

Многопробочная ловушка ГОЛ-3Г О Л - 3e

Генератор электронного пучка У-2

Ленточный диод

Гофрированное магнитное поле

Выходной узел

15 -3

Транспортировка электронного пучка

При протекании тока по плазме необходимо выполнение критерия устойчивости Крускала-Шафранова: q(R)>1где q – запас устойчивости, выражающийся по формуле:

2 zrBq

LB

Для условий ГОЛ-3 величина предельного тока следующая: предплазма (разряд) Iq=1 12 кА (Ip 7 кА, qmax 1.7) электронный пучок Iq=1 5.5 кА (Ib 30 кА, qmax 0.2)

=> Для транспортировки пучка необходимо создать условия для почти полной компенсации тока пучка встречным током,

текущим по плазме

Г О Л - 3e

Радиальная структура токов

Kr Система создания разряда

Приемник пучка

Обратный ток по камере

Разрядный ток

Ток из источника

Потери на стенку

H Генератор электронного пучка

Баланс токов перед инжекцией пучка

Г О Л - 3e

Радиальная структура токовБаланс токов во время инжекции пучка

Kr Система создания разряда

Генератор электронного пучка

Приемник пучка

Обратный ток по камере

Разрядный ток + Обратный ток

Ток из источника

Потери на стенку

H

Ток пучка

Обратный ток

Г О Л - 3e

Радиальная структура токовБаланс токов после инжекции пучка

Kr Система создания разряда

Генератор электронного пучка

Приемник пучка

Обратный ток по стенке

Разрядный ток + Обратный ток

Ток из источника

Потери на стенку

H

Вынужденный ток

Г О Л - 3e

Транспортировка электронного пучка

Г О Л - 3e

PL5554

изображение мишени

рёбра жёсткости выходного фланца

отпечаток пучка

тень

В экспериментах с отпечатком графитовой мишени на выходном коллекторе показано, что область, занятая пучком, может быть

подвержена винтовой неустойчивости

Численное моделирование

В численных расчетах проведенных совместно с ИВТ показано, что на установке ГОЛ-3 могут иметь место тиринг неустойчивости (перезамыкание силовых линий)

Г О Л - 3e

Основные задачиГ О Л - 3e

• Измерить динамику токов на выходном коллекторе установки как во время инжекции электронного пучка, так и после, на стадии удержания.

• Попытаться обнаружить доказательства существования быстрой глобальной перестройки структуры токов (которая может являться доказательством существования тиринг-неустойчивости).

• Попытаться определить, существует ли винтовая структура поля с сильным широм в течении длительного времени после окончания инжекции пучка (т.е. есть ли такой механизм стабилизации плазмы на стадии удержания).

Программа работГ О Л - 3e

• Полная система: 11-канальный датчик тока (измерения по диаметру)

• Начальный этап: одноканальный датчик (пояс Роговского), два варианта (один - с большим временем интегрирования, второй - с хорошим временным разрешением)

• Дополнительно: детектор жёсткого тормозного излучения, согласованный с датчиком тока (контроль локальной плотности тока электронов пучка)

Схема диагностики - этап 1Г О Л - 3e

Графитовый экран

Выходной коллектор

Пояс Роговского

Кол

лек

тор

Пуч

ок

Результаты - этап 1АГ О Л - 3e

Кол

лек

тор

Ток в центре

Ток накраю

• Сигналы полученные с «медленного» пояса (t = 200 s, фронт 3 s)• Измерения проводились в центре коллектора (r = 0 мм в пересчете на поле 5 Тл) и на границе пучка (r = 20 мм)• Gamma детектор соосно с датчиком тока

PC6016 PC6238

Тормозноеизлучение в

центре

Тормозноеизлучение на

краю-1.2

-0.8

-0.4

0

Gam

ma

, от.

е.

0

0.4

0.8

1.2

1.6

Jra

d, к

А/с

м2

-4 0 4 8 12 t, мкс-4 0 4 8 12 t, мкс0

0.4

0.8

1.2

1.6

Jra

d, к

А/с

м2

-0.4

-0.3

-0.2

-0.1

0

Gam

ma

, от.

е.

Результаты - этап 1Б• Результаты измерений с

«быстрого» пояса Роговского (m ~ 25 s, фронт 50 ns), проведена численная коррекция формы сигнала

• Видно, что при почти одинаковой длительности пучка токи на коллекторе сильно различаются.

• Есть периоды с обратным направлением тока (т.е. плотность тока в сторону источника предплазмы больше пучковой

Г О Л - 3e

Ток в центре

-4 0 4 8 12

t, мкс

0

1

2 J, к

А/с

м2

65176524

Схема многоканального датчикаГ О Л - 3e

Графитовый экран

Выходной коллектор

Пояса Роговского

ТОК

Статус работы:1. Разработана конструкция2. Все детали изготовлены3. Все пояса намотаны4. Ведётся работа по изоляции и сборке диагностики в целом

Заключение• Ведутся измерения токов на выходе установки ГОЛ-3.• Обнаружена существенно разная динамика локальной

плотности полного тока вблизи оси и на краю пучка.• Подтверждено то, что в центральной области пучка плотность

полного тока соответствует плотности тока пучка (т.е нет компенсации по плотности тока).

• Обнаружено, что на периферии пучка есть случаи с резким переходом к полной компенсации по плотности тока.

• Длительного существования винтовой структуры с сильным широм на торце установки не обнаружено.

• Готовится многоканальная диагностика, которая позволит измерять распределение тока по радиусу в каждом отдельно взятом «выстреле». Эта система должна дать определённый ответ на поставленные физические вопросы.

Г О Л - 3e

Спасибо за внимание

Г О Л - 3e

Рентген за датчиком токаГ О Л - 3e

Кол

лек

тор

-4 0 4 8 12

t, мкс-0.16

-0.12

-0.08

-0.04

0

0.04

от.

е.

Коллимационное отверстие открытоНа входе 3 см свинца

Датчиктока

Датчик рентгена

Свинцоваязащита

Коллектор Световод

Г О Л - 3e

Для нагрева плазмы в неё инжектируется пучок с током ~30 кА. Ток по предплазме направлен в противоположную сторону и на порядок меньше

по амплитуде. Тем не менее, заметных изменений на сигнале полного тока нет. Плотность тока на оси сонаправлена с током пучка.

0 20 40 60tim e, m icroseconds

-4

-2

0

-30

-20

-10

0

10

0

0.5

1

04P

O0

29P

D iode vo ltage

N et p lasm a current

Beam current

C urrent density at the axis

U , M V

J, kA

j, kA /cm 2

Инжекция пучка в плазмуНапряжение на диоде

Ток пучка

Плотность тока по оси

Плазменный ток

t, мкс