ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 2, с. 87-93
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9.082
КОМПАКТНЫЙ АНАЛИЗАТОР АТОМНЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛАЗМЫ
© 2004 г. Ф. В. Чернышев, В. И. Афанасьев, А. В. Деч, M. Kick*, А. И. Кисляков, С. С. Козловский**, A. Kreter***, M. И. Миронов, М. П. Петров, С. Я. Петров
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН Россия, 194021, Санкт-Петербург, Политехническая, 26 *Max-Planck Institut für Plasmaphysik, Association Euratom-IPP D-85748 Garching, Germany **Санкт-Петербургский государственный политехнический университет Россия, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая, 29 ***lnstitut für Plasmaphysik, Forschungszentrum Jülich GmbH Trilateral Euregio Cluster, Association Euratom, D-52425 Jülich, Germany Поступила в редакцию 24.06.2003 г. После доработки 25.08.2003 г.
Описан новый компактный анализатор атомных частиц, разработанный в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН. Прибор представляет собой масс- и энергоспектрометр, предназначенный для одновременного анализа потоков атомов перезарядки водорода (0.8-80 кэВ) и дейтерия (0.66-36 кэВ), выходящих из плазмы. Значительное уменьшение размеров (169 х 302 х 326 мм) и массы (42.5 кг) анализатора достигнуто благодаря, во-первых, замене традиционной обдирки потока атомов в газе на обдирку в тонкой (100 А) алмазоподобной пленке, а во-вторых, использованию сильных (1 Тл) постоянных магнитов NdFeB для создания анализирующего магнитного поля взамен традиционных электромагнитов. Для улучшения эффективности регистрации атомов в приборе применено электростатическое доускорение ионов, рассеянных в обдирочной пленке, а также реализована конфигурация магнитного поля с фокусировкой по двум координатам. Анализатор использовался в экспериментах на стеллараторе Wendelstein 7-AS в Max-Planck Institut für Plasmaphysik, Garching, Germany. Приведены первые результаты, полученные с помощью данного прибора.
ВВЕДЕНИЕ
Условия эксперимента на современных термоядерных установках существенно изменили требования к оборудованию, применяемому для диагностики плазмы. Так, для диагностики атомов перезарядки возникла необходимость разработки компактного анализатора атомных частиц [1-8]. Причины этого заключаются в следующем.
Во-первых, анализаторы с уменьшенными габаритными размерами имеют очевидные преимущества при размещении на экспериментальных установках. Компактный прибор может быть установлен практически в любом месте около плазменной машины. Его можно легко переместить в другое место или заменить в случае необходимости. Набор из нескольких компактных анализаторов может быть использован для многохордовой диагностики плазмы.
Во-вторых, диагностическое оборудование, предназначенное как для современных плазменных установок, так и для термоядерных реакторов будущего, должно работать при высоких уровнях нейтронного и у-облучения. К сожалению, детекторы, используемые в анализаторах (каналовые умножи-
тели, микроканальные пластины), чувствительны к нейтронам и у-квантам, поэтому они не могут работать без массивных экранов, снижающих интенсивность облучения. Можно грубо оценить массу экрана, обеспечивающего защиту прибора от Б-О-нейтронов с энергией 2.5 МэВ на плазменной установке, полный выход нейтронов на которой ~5 ■ 1014 нейтронов/с. Расстояние между анализатором и плазмой обычно составляет несколько метров, его нельзя существенно увеличить, поскольку при этом уменьшается статистика данных. Величина нейтронного потока на расстоянии 3 м от установки составляет ~5 ■ 108 нейтронов/(с ■ см-2). Оценка показывает, что для снижения потока нейтронов в месте размещения аппаратуры до приемлемого уровня (~107 нейтронов/(с ■ см-2)) необходима камера с двойными стенками, состоящими из слоя борированного полиэтилена толщиной 15 см и слоя свинца толщиной 5 см. Масса такой камеры, в которую можно было бы заключить анализатор среднего размера (~1 м, включая систему вакуумной откачки), составляет 4 т, что технически трудно осуществимо. Что касается установок будущего, которые будут работать с Б-Т-плаз-
4 5 (a)
Энергия
Рис. 1. Схема анализатора. 1 - система обдирки и ускорения; 2 - обдирочная пленка; 3 - анализирующий магнит; 4 - датчик Холла; 5 - анализирующий электростатический конденсатор; 6 - экранирующая маска на входе детекторов; 7 - детекторы; А0 - поток атомов, испускаемых плазмой; А+ - вторичные ионы; Н, Б - водородная и дейтериевая регистрационные линейки.
мой, то там возникнет необходимость в защите от нейтронов с энергией 14 МэВ. Эта защита будет еще более громоздкой.
В этой ситуации уменьшение размеров анализатора позволит значительно снизить массу необходимой экранировки. Например, при уменьшении размеров прибора в 3 раза масса нейтронной защиты снизится приблизительно на порядок, что приемлемо даже для случая Б-Т-плазмы.
В-третьих, аппаратура современных плазменных установок и термоядерных реакторов будущего должна функционировать в сильных рассеянных магнитных полях. Обычно величина рассеянного магнитного поля в месте размещения
анализаторов составляет ~10-2-10-1 Тл. К сожалению, анализаторы среднего размера чувствительны к внешнему магнитному полю в силу своих конструктивных особенностей. Принцип работы этих приборов заключается в спектрометрии вторичных ионов, образующихся в результате обдирки. В анализаторах среднего размера вторичные ионы проходят достаточно большое расстояние от места обдирки до места детектирования, и на их траектории влияют внешние магнитные поля. Поэтому использование анализаторов на установках с магнитным удержанием плазмы, как правило, требует применения массивных магнитных экранов, что значительно увеличивает размер и массу приборов. Обычно стенки камеры анализатора изготавливаются из магнитомягкого железа толщиной несколько сантиметров, что снижает величину внешнего магнитного поля внутри прибора в 20-100 раз, но при этом значительно увеличивается масса прибора. Так, масса магнитной защиты анализатора с характерным размером ~1 м может составлять ~100-500 кг. Уменьшение размеров анализатора может существенно снизить массу магнитной защиты.
В данной работе описаны устройство и принцип действия компактного анализатора атомных частиц, приведены данные по его калибровке, а также первые результаты, полученные с помощью этого прибора на стеллараторе Wendelstein 7-AS (IPP, Garching, Germany).
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ
Компактный анализатор атомных частиц CNPA (Compact Neutral Particle Analyzer) представляет собой масс- и энергоспектрометр, предназначенный для одновременного анализа потоков атомов перезарядки водорода (0.8-80 кэВ) и дейтерия (0.8-40 кэВ), выходящих из плазмы. Принцип работы прибора основан на обдирке поступающих в него нейтральных частиц с последующим анализом вторичных ионов в параллельных магнитном и электрическом полях. Схема прибора представлена на рис.1, а основные параметры приведены в табл. 1.
Система обдирки и ускорения. Поступающий в анализатор поток нейтральных атомов ионизуется при прохождении тонкой (100 А) алмазоподоб-ной пленки [9]. Основным преимуществом такого способа обдирки по сравнению с традиционным (в газе) является то, что для прибора не нужна собственная система вакуумной откачки, достаточно использовать откачку экспериментальной установки, к которой он подсоединен. Помимо этого, обдирка в пленке гораздо более эффективна по сравнению с обдиркой в газе для энергий выше 10 кэВ. Это может оказаться важным при изучении "хвостов" ионов высоких энергий, ин-
Таблица 1. Основные параметры С№А
Параметры Значение параметра
Механические
Габаритные размеры (с патрубками и разъемами), мм 169 х 387 х 428
Габаритные размеры корпуса анализатора, мм 169 х 302 х 326
Вес, кг 42.5
Телесный угол наблюдения (максимальный), м2 ■ ср ~2 ■ 10-8
Электрические и магнитные
Напряжение для ускорения вторичных ионов, кВ + 5
Магнитное поле в зазоре анализирующего магнита, Тл 0.23-0.7
Напряжение на анализирующем конденсаторе, кВ +5
Постоянные магниты, используемые для создания анализи-
рующего магнитного поля
Тип (состав) магнита К^еВ
Габаритные размеры, мм 10 х 45 х 76
Остаточная намагниченность Вг, Тл ~1
Детекторы
Тип детектора Каналовый электронный умножитель
Число регистрационных линеек 2
Расстояние между линейками, мм 10
Число детекторов на регистрационную линейку 14 + 13 (до 40 на регистрационную линейку)
Допустимые значения потока нейтронов и магнитного поля
в месте расположения анализатора
Поток Б-Б-нейтронов (без дополнительной защиты), ней- 107
тронов/(с ■ см-2)
Внешнее магнитное поле (без дополнительного магнитно- 5
го экрана), мТл
тенсивность которых обычно спадает с увеличением энергии.
Основным недостатком пленки является сильное рассеяние частиц с энергией ниже 10 кэВ, что приводит к снижению эффективности регистрации при низких энергиях. Для уменьшения потерь частиц, вызванных рассеянием при обдирке, и повышения чувствительности прибора в области низких энергий в СКРА применяется электростатическое доускорение ионов. С этой целью к обдирочной пленке приложено напряжение +5 кВ. Для предотвращения нежелательного отклонения частиц, вызванного влиянием внешних рассеянных магнитных полей и краевых полей анализирующего магнита, обдирочная пленка вместе с ускоряющим промежутком заключена в магнитный экран.
Диспергирующая система. В СКРА используется традиционная схема спектрометра с параллельными анализирующими магнитным и электрическим полями. Вторичные ионы, проходя через магнитное поле, отклоняются в горизонтальной плоскости на угол ~90° и попадают в анализирующее электрическое поле электростатического конденсато-
ра, которое отклоняет частицы в вертикальном направлении. Такой двойной магнитоэлектрический анализ обеспечивает разделение частиц по массе и энергии в области детекторов (см. рис. 1а).
Магнитное поле создается с помощью двух сильных (1 Тл) постоянных редкоземельных магнитов ШБеВ, изготовленных в ОАО НПО "Магнетон", Россия. Постоянные магниты расположены по обе стороны от зазора анализирующего магнита (рис. 2), в котором создается
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.