Инжекторы быстрых нейтральных атомов и открытые ловушки

Инжекция пучков быстрых нейтральных атомов (БНА) энергией порядка 10² кэВ используется для дополнительного нагрева плазмы в установках с магнитным удержанием. Основная вакуумно-физическая задача для инжекторов БНА и сильноточных протонных инжекторов, имеющих аналогичную схему ВС, — откачка нейтрального газа, поступающего из ионного источника; поток натекающего газа составляет (3—5) • 10~² м³ • Па/с на 1 А ионного тока. Поскольку ионные токи в современных инжекторах достигают нескольких сот ампер, полная газовая нагрузка составляет около 10м³— Па/с, что является экстремальным значением для систем высоковакуумной откачки и требует применения высокопроизводительных встроенных насосов поверхностного действия.

Вакуумный тракт инжектора БНА показан на рис. 6.2. При его построении должны быть выполнены следующие требования: фоновое давление порядка 10⁵ Па при отсутствии тяжелых и углеводородных молекул; интегральная плотность газа по тракту пучка около 10² м^-2 (в нейтрализаторе) и 10*⁸ м^-2 (на участке дрейфа пучка); давление в инжекторе вблизи плазменной камеры примерно равно 8 • 10 ⁵ Па. При указанных параметрах, с одной стороны, возможна эффективная нейтрализация ионного пучка, а с другой — пренебрежимо малы его потери за счет реионизации и невелик диффузный поток газа в плазменную камеру.

Быстрота действия насосов, размещаемых в камере, должна составлять 5 х х 10³ — 10⁴ м³1с. Принципиальное значение в этих условиях приобретает применение системы дифференциальной откачки и структурно-геометрическая оптимизация вакуумного тракта. С этой целью в инжекторах предусматривается секционирование камеры, благодаря чему основной поток откачивается в области нейтрализатора при сравнительно высоком давлении. Число ступеней обычно три-четыре. В рамках оптимизационной задачи подбирают такую геометрию вакуумного тракта (размеры секций, соединительных диафрагм, перфорация канала нейтрализации и экранов токоприемников, площадь и ориентация геттерных или криогенных панелей и т. п.), при которой заданный профиль давления по тракту пучка БНА обеспечивается при минимальной площади сорбирующих поверхностей. Для этого решают систему уравнений, описывающих баланс газовых потоков в каждой секции при варьируемой структуре инжектора. Давление, интегральную плотность нейтрального газа и другие вакуумные параметры находят одним из методов, изложенных в гл. 4. В среднем быстрота действия НПД отнесенная на единицу эквивалентного тока пучка БНА, находится в интервале 15— 100 м³/ (с • А) (табл. 6.4).

Рабочим газом в инжекторах является протий или дейтерий; в ТЯР дополнительными компонентами становятся примесные тритий и гелий. Возможные встроенные средства откачки инжекторов — конденсационные, криосорбционные, испарительные геттерные и на основе нераспыляемых геттеров насосы. Поглощение гелия по механизму криозахвата в слое конденсирующегося водорода возможно до его концентрации около 2 • 10 ³%. Изучаются также перспективы комплексного использования паровых струй и пленок жидкого лития. Перпендикулярная ионному пучку сверхзвуковая струя паров лития, во-первых, представляет собой эффектив-

Таблица 6.4. Сводные характеристики инжекторов БНА

Таблица 6.5. Основные вакуумные параметры крупномасштабных открытых ловушек

Во-вторых, она образует струйный затвор для сопутствующего нейтрального газа, резко снижая его поток в область дрейфа. В-третьих, ее можно использовать для пароструйной откачки этого газа. Движущиеся пленки лития, в свою очередь, могут быть использованы как имплантационные приемники быстрых ионное и Нейтральных пучков, поскольку частицы энергией 10—100 кэВ с вероятностью более 0,9 необратимо внедряются в пленки. Однако инженерная разработка этой концепции находится в начальной стадии.

Сходные вакуумно-физические задачи характерны и для открытых магнитных ловушек, в которых плазменный шнур формируется путем перезарядки инжектируемого извне пучка высокоэнергетических нейтральных атомов (см. гл. 2). ВС таких ловушек должны быть оснащены встроенными НПД с быстротой действия Ю⁴ м³/с и выше (табл. 6.5). Их технические решения рассмотрим на примере амбиполярного пробкотрона TMX-U (рис. 6.3).

ВС разбита на две подсистемы — внешнюю и внутреннюю. Внешняя система включает оборудование, размещенное вне вакуумной камеры и предназначенное для ее предварительной откачки до давления приблизительно 4 • 10⁴ Па и удаления метана и аргона. Система построена на турбомолекулярных и криогенных насосах.

Внутренняя система включает корпус, в котором с левой и правой сторон коаксиально размещено по два лайнера, охлаждаемых жидким азотом, а в центральной части установлен теплый алюминиевый лайнер, окружающий плазменный шнур; в полости между боковыми лайнерами установлено 162 испарительных блока, по шесть проволочных титаново-танталовых испарителей в каждом; кроме того, встроенные насосы установлены в зоне магнитных пробок. На наружной стороне каждого из внешних лайнеров, имеющей температуру 77 К, конденсируются пары воды; поверхности лайнеров, запыляемые геттерными металлическими пленками, имеют суммарную быстроту действия 6 • 10⁴ м³/с. Назначение центрального лайнера, часть которого покрыта слоем геттера, — снизить обратный поток атомов перезарядки; кроме того, он экранирует плазму от десорбционных потоков с поверхности корпуса. Фоновое давление в камере 10^-6 Па.

Принципиальные изменения структуры ВС открытых ловушек при переходе к установкам реакторных масштабов маловероятны; будет возрастать лишь площадь сорбирующих поверхностей.