Første måling af flow -reversering af negative ioner

Det er lykkedes National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) at afsløre strømmen af ​​negative hydrogenioner ved hjælp af en kombination af infrarøde lasere og elektrostatiske sonder i ion-kildeplasmaet, som genererer en negativ-hydrogen-ionstråle. Dette er første gang inden for fusionsforskning, at den detaljerede ionstrømning, som ændrer retning og bevæger sig mod stråleretningen i ionkilden, er blevet demonstreret eksperimentelt.

Baggrund for forskningen

Neutral Beam Injection (NBI) er en metode til at øge plasmatemperaturen og drivstrømme i magnetisk begrænsede fusionsplasmaer ved at injicere neutrale hydrogen/deuteriumstråler. Når plasmastørrelsen stiger, højere stråleenergi er nødvendig for at deponere neutrale stråler ved kerneområdet i det begrænsede plasma. Neutraliseringseffektiviteten af ​​positiv hydrogen/deuterium -ionstråle accelereret med konventionel NBI falder kraftigt med energi på mere end 100 keV. På den anden side, negative hydrogen/deuterium ionstråler opretholder den energiuafhængige neutraliseringseffektivitet på ~ 60 %. Følgelig, negativ-ion-baseret NBI er uundværlig for nylige storstilet plasmaindeslutningsanordninger. For at konstruere negativ-ion-baseret NBI med energi på 190 keV, NIFS -forskere har med succes foregået udviklingen af ​​de negative ionkilder.

To væsentlige forbedringer er blevet bragt til NIFS negative ionkilde. Den ene er forbedring af den negative ionstrøm ved at optimere den magnetiske konfiguration til plasmaklukning i ionkilden. Den anden forbedring er udviklingen af ​​en original stråleaccelerator udstyret med slotåbningselektroden, hvis strålegennemsigtighed er to gange højere end den konventionelle cirkulære blændeelektrode. Ved at kombinere disse to innovative ideer, verdens højeste stråleindsprøjtningsydelse er opnået med en stråleeffekt på 6,9 MW ved en strålenergi på 190 keV, som vist i fig. 1.

Yderligere efterforskning, imidlertid, er påkrævet for at opnå højere ydeevne og stabilitet for avanceret negativ ionkilde, der skal anvendes til fremtidige fusionsenheder. Ud over, ionkildestørrelsen er for stor til at anvende en prøve-og-fejl-tilgang. Skaleringstilgang gælder heller ikke, fordi den elektroniske gennemsnitlige frie vej er meget kortere end den faktiske ionkilde for NBI, og en ionkilde med en størrelse, der er mindre end den gennemsnitlige frie vej, har forskellige egenskaber. Denne konventionelle udvikling bliver vanskelig for at opnå betydelige fremskridt i ydelse. Af denne grund, NIFS NBI-gruppen har indledt forskning, der fokuserer på adfærd for negative hydrogenioner inde i ionkildeplasmaet.

I tilfælde af den negative ionkilde, den lille mængde cæsium injiceres i ionkilden, og den cæsium-adsorberede overflade af den såkaldte "plasmaelektrode" aktiveres for at overføre elektronen til hydrogenatomer og hydrogenholdige positive ioner, der kolliderer på overfladen. Som vist i fig. 2, disse partikler omdannes til negative ioner på overfladen og tilbagesvales modsat stråleretningen. Mekanismen for, hvordan de negative hydrogenioner ændrer deres hastighedsretning og ekstraheres som en stråle, er ikke blevet afklaret. I øvrigt, det er heller ikke blevet afklaret fra hvilken del af plasmaelektrodenes overflade, den negative hydrogenion ekstraheres som en stråle. Til dette punkt, vedrørende processerne vedrørende stråleproduktionen gennem ekstraktion af negative hydrogenioner, selvom der er blevet udført mange simuleringer, fordi mange fysiske processer er relateret til dette problem, har vi stadig ikke opnået resultater, der vil hjælpe med at forklare de eksperimentelle resultater.

Forskningsresultater

I den store negative hydrogenionkilde ved NIFS, forskellige typer diagnostik er tilgængelige til måling af negativ hydrogeniondensitet, elektrontæthed, og andre mængder. Disse fysikmængder kan måles rumligt og tidsmæssigt i detaljer. Negative hydrogenioners adfærd kan tydeliggøres under strålekstraktionen. Hidtil, disse adfærd havde været svære at måle eksperimentelt.

Ledsager stråleudtrækningen, den rumlige strømningsfordeling af de negative hydrogenioner blev undersøgt ved at måle strømmen af ​​negative hydrogenioner ved anvendelse af en elektrostatisk sonde af sammensat type med fire elektroder af nåltype bestrålet af laserpuls.

Disse operationer blev udført på mange steder, og, under strålekstraktionen, vi undersøgte, hvordan strømmen af ​​negative hydrogenioner ændrede sig. I resultaterne af denne undersøgelse, det blev afklaret eksperimentelt, at de negative hydrogenioner, der genereres ved plasmaelektroden, bevæger sig langt fra elektroden, efterfølgende foretage en U-vending, og strøm mod bjælkeekstraktionshullet, hvor bjælkeekstraktionsfeltet påføres (se figur 3). Denne egenskab ved de negative ioner er aldrig blevet observeret før dette eksperiment. At præcisere den detaljerede konfiguration af den negative hydrogenionstrøm er et værdifuldt resultat for både fysik og teknologisk forskning.

Dette forskningsresultat blev rapporteret på den 26. Internationale Atomic Energy Association (IAEA) Fusion Energy Conference, der blev afholdt i Kyoto, Japan fra 17.-22. Oktober, 2016. Ud over at opnå succes med at forbedre ydelsen af ​​den negative hydrogenionkilde, vi klargjorde eksperimentelt detaljerede fysiske fænomener relateret til negativ ionkildeplasma ved hjælp af talrige diagnoser til at undersøge negativ ionkildeplasma fra adskillige retninger. Disse resultater blev grundigt evalueret, og modtog NIBS Award på 5th International Symposium on Negative Ions, Bjælker og kilder i Oxford, England fra 12.-16. September, 2016.

Forskningens betydning

Ved at anvende den metode, der er udviklet i denne forskning, måling af den negative ionstrøm på steder, der stadig er tættere på plasmaelektroden, er mulig for at tydeliggøre mere detaljeret mekanisme for de negative ioner, der ekstraheres som en stråle. Resultatet giver en retningslinje for at forbedre ydelsen af ​​den negative ionkilde samt et vigtigt bidrag til simuleringsfeltet relateret til ion-kildeplasma. De negative ionstråler bruges i vid udstrækning ikke kun i fusionsforskning, men også i medicinske applikationer, partikelfysik, og fremdrift til rumfartøjer. Ringvirkningerne af disse eksperimentelle resultater og de nyudviklede diagnostiske metoder i denne forskning forventes at bidrage til disse forskningsudviklinger.