Preview

Приборы и методы измерений

Расширенный поиск

Расчёт эмиттанса пучка отрицательных ионов

https://doi.org/10.21122/2220-9506-2020-11-1-42-52

Полный текст:

Аннотация

Компьютерное моделирование находит широкое применение в разработке и оптимизации мощных источников отрицательных ионов для будущих термоядерных реакторов, в частности, ITER. Целью настоящей работы являлось изучение изменений качества генерируемого пучка (характеризуемого параметрами эмиттанса и яркости) в зависимости от геометрии вытяжной системы и выходного напряжения.
Для моделирования извлечения ионов Hи электронов из плазменной камеры источника ионов через канал со скошенной поверхностью использовался двумерный метод частиц в ячейке (PIC). Среднеквадратическое значение эмиттанса извлечённого пучка рассчитывалось на основе подхода Часмана и Лапостолле. Дополнительно приводятся ионно-лучевые фазовые пространственные изображения ионного пучка.
Рост эмиттанса ионного (электронного) пучка наблюдался при увеличении как радиуса вытяжного канала, так и наклона его скошенной поверхности. Данное ухудшение качества пучка частично компенсируется увеличением ионным током H-. С другой стороны, увеличение длины вытяжного канала повышает качество пучка.
Показано, что в случае большей ширины вытяжного канала пучок ионов Hвключает в себя две составляющих, исходящих из двух различных областей камеры. Из результатов расчёта яркости пучка следует, что оптимальный угол наклона стенки канала для рассматриваемого случая составляет 26o. Уменьшение эмиттанса пучка достигает насыщения при бόльших значениях длины канала. В рассмотренном случае оптимальная длина канала составила h = 1,7 мм. Эволюция эмиттанса и яркости ионного пучка показывает, что наилучшее качество пучка достигается при выходных напряжениях от 0,5 кВ до 2 кВ.

Об авторах

М. Турек
Университет имени Марии Кюри-Склодовской в Люблине
Польша

Адрес для перепискиMarcin Turek – Institute of Physics,Maria Curie-Sklodowska University in Lublin, pl. M.Curie-Sklodowskiej 1, 20-031 Lublin, Poland.    e-mail: mturek@kft.umcs.lublin.pl



П. Венгерек
Люблинский технический университет
Польша
ул. Надбыстрицкая 38A, г. Люблин 20-618,


Список литературы

1. Singh M.J., Boilson D., Polevoi A.R., Oikawa T., Mitteau R. Heating neutral beams for ITER: negative ion sources to tune fusion plasmas. New J. Phys., 2017, vol. 19, iss. 5, pp. 055004. DOI: 10.1088/1367-2630/aa639d

2. Hemsworth R., Decamps H., Graceffa J., Schunke B., Tanaka M., Dremel M., Tanga A., De Esch H.P.L., Geli F., Milnes J., Inoue T., Marcuzzi D., Sonato P., Zaccaria P. Status of the ITER heating neutral beam system. Nucl. Fusion, 2009, vol 49, no. 4, pp. 045006. DOI: 10.1088/0029-5515/49/4/045006

3. Kraus W., Fantz U., Franzen P., Fröschle M., Heinemann B., Riedl R., Wünderlich D. The development of the radio frequency driven negative ion source for neutral beam injectors. Rev. Sci. Instrum., 2012, vol. 83, pp. 02B104. DOI: 10.1063/1.3662957

4. Heinemann B., Fantz U., Kraus W., Schiesko L., Wimmer C., Wünderlich D., Bonomo F., Fröschle M., Nocentini R., Riedl R. Towards large and powerful radio frequency driven negative ion sources for fusion. New J. Phys., 2017, vol. 19, iss. 1, pp. 015001. DOI: 10.1088/1367-2630/aa520c

5. Mochalskyy S., Lifschitz A.F., Minea T. Extracted current saturation in negative ion sources. J. Appl. Phys., 2012, vol. 111, no. 11, pp. 113303. DOI: 10.1063/1.4727969

6. Mochalskyy S., Wuenderlich D., Fantz U., Franzen P., Minea T. Towards a realistic 3D simulation of the extraction region in ITER NBI relevant ion source. Nucl. Fusion, 2015, vol. 55, no. 3, pp. 033011.

7. Fubiani G., Boeuf J.P. Three-dimensional modeling of a negative ion source with a magnetic filter: impact of biasing the plasma electrode on the plasma asymmetry. Plasma Sources Sci. Technol., 2015, vol. 24, iss. 5, pp. 055001. DOI: 10.1088/0963-0252/24/5/055001

8. Nishioka S., Goto I., Miyamoto K., Hatayama A., Fukano A. Study of ion-ion plasma formation in negative ion sources by a three-dimensional in real space and three-dimensional in velocity space particle in cell model. J. Appl. Phys., 2016, vol. 119, iss. 2, pp. 023302. DOI: 10.1063/1.4939467

9. Revel A., Mochalskyy S., Montellano I.M., Fantz U., Minea T. Massive parallel 3D PIC simulation of negative ion extraction. J. Appl. Phys., 2017, vol. 122, iss. 10, pp. 103302. DOI: 10.1063/1.5001397

10. Fubiani G., Garrigues L., Hagelaar G., Kohen N., Boeuf J.P. Modeling of plasma transport and negative ion extraction in a magnetized radio-frequency plasma source. New J. of Phys., 2017, vol. 19, pp. 015002. DOI: 10.1088/1367-2630/19/1/015002

11. Taccogna F., Minelli P., Longo S. Threedimensional structure of the extraction region of a hybrid negative ion source. Plasma Sources Sci. Technol., 2013, vol. 22, no. 4, pp. 045019. DOI: 10.1088/0963-0252/22/4/045019

12. Wunderlich D., Mochalskyy S., Montellano I.M., Revel A. Review of particle-in-cell modeling for the extraction region of large negative hydrogen ion sources for fusion. Rev. Sci. Instrum., 2018, vol. 89, iss. 5, pp. 052001. DOI: 10.1063/1.5011799

13. Taccogna F., Minelli P. PIC modeling of negative ion sources for fusion. New J. Phys., 2017, vol. 19, iss. 1, pp. 015012. DOI: 10.1088/1367-2630/aa5305

14. Garrigues L., Fubiani G., Boeuf J.P. Negative ion extraction via particle simulation for fusion: critical assessment of recent contributions. Nucl. Fusion, 2017, vol. 57, no. 1, pp. 014003. DOI: 10.1088/0029-5515/57/1/014003

15. Sakurabayashi T., Hatayama A., Bacal M. Effects of a weak transverse magnetic field on negative ion transport in negative ion sources. J. Appl. Phys., 2004, vol. 95, iss. 8, pp. 3937‒3942. DOI: 10.1063/1.1682684

16. Turek M., Sielanko J. Simulations of negative ion extraction from a multi-aperture ion source in the presence of the magnetic filter. Vacuum, 2009, vol. 83, pp. S256‒ S259. DOI: 10.1016/j.vacuum.2009.01.076

17. Bacal M., Bruneteau J., Devynck P. Method for extracting volume produced negative ions. Rev. Sci. Instrum. 1988, vol. 59, pp. 2152‒2157. DOI: 10.1063/1.1139978

18. Wünderlich D., Kraus W., Fröschle M., Riedl R., Fantz U., Heinemann B., the NNBI team. Influence of the magnetic field topology on the performance of the large area negative hydrogen ion source test facility ELISE. Plasma Phys. and Control. Fusion, 2016, vol. 58, pp. 125005. DOI: 10.1088/0741-3335/58/12/125005

19. Turek M. Two-Dimensional Simulations of H¯ Ions Extraction. Acta Phys. Pol. A, 2017, vol. 132, iss. 2, pp. 254‒258. DOI: 10.12693/APhysPolA.132.254

20. Turek M. PIC simulations of plasma inside the negative ion source. Przegl. Elektrotechniczny, 2016, vol. 92(8), pp. 162‒165.|

21. Turek M. Negative Ion Beam Production in an Ion Source with Chamfered Extraction Opening. Acta Phys. Pol., 2019, vol. 136, pp. 322‒328.

22. Floettmann K. Some basic features of the beam emittance. Phys. Rev. Spec. Topics Accel. and Beams 2003, vol. 6, pp. 034202. DOI: 10.1103/PhysRevSTAB.6.034202

23. Brown I.G. (ed.) The Physics and Technology of Ion Sources. Wiley, Weinheim, 2004.

24. Turek M., Drozdziel A., Pyszniak K., Prucnal S., Żuk J. Ion source with an evaporator heated by arc discharge. Experiment and computer simulations. Przegl. Elektrotechniczny, 2010, vol. 86, pp. 193‒196.

25. Vesely F. Computational Physics: An Introduction, Springer Science & Business Media, 2001.


Для цитирования:


Турек М., Венгерек П. Расчёт эмиттанса пучка отрицательных ионов. Приборы и методы измерений. 2020;11(1):42-52. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2020-11-1-42-52

For citation:


Turek M., Węgierek P. Negative Ion Beam Emittance Calculations. Devices and Methods of Measurements. 2020;11(1):42-52. https://doi.org/10.21122/2220-9506-2020-11-1-42-52

Просмотров: 36


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-9506 (Print)
ISSN 2414-0473 (Online)