РАЗДЕЛ 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
2.1. Экспериментальные установки и оборудование
2.1.1. Квазистационарный сильноточный плазменный ускоритель КСПУ Х-50
Исследования радиационной эрозии твердых тел в условиях воздействия потоков замагниченной плазмы в имитационных экспериментах по моделированию корпускулярно-энергетических нагрузок в переходных режимах работы ИТЭРа проводились на экспериментальном стенде КСПУ Х-50.
Двухступенчатый квазистационарный плазменный ускоритель КСПУ Х-50 состоит из следующих основных узлов: активного анодного трансформера (ТА), катодного трансформера (ТК), разделенных кольцевым изолятором и первой ступени (рис. 2.1). Анодный и катодный трансформеры образуют основной ускорительный канал (вторую ступень) [26, 27, 154, 176-179].
Первая ступень включает в себя входной ионизационный блок (ВИБ) и дрейфовый канал. ВИБ представляет собой систему из пяти входных ионизационных камер (ВИК), каждая из которых является плазменным ускорителем типа МПК со сплошным цилиндрическим анодом с внутренним диаметром 7 см и профилированным сплошным катодом с максимальным диаметром 3,2 см. Электродинамический газовый клапан обеспечивает напуск до 250 см3атм. водорода за рабочий импульс. Длительность разряда в ВИКе 300 мкс, разрядный ток до 100 кА. Плазменные потоки, генерируемые ВИКами, имеют параметры: скорость v ? (2-6)?106 см/с и плотность n ? (2-8)?1015 см?-3 при длительности разряда ? 400 мкс. Отдельные потоки плазмы из каждого ВИКа симметризируются в дрейфовой камере и поступают в основной ускорительный канал.
Рис. 2.1. Схема КСПУ Х-50.
1-анодный трансформер; 2-анодный коллектор; 3-галеты анодного трансформера; 4-стержни катодного трансформера; 5-анодная ионизационная камера (АИК); 6-дрейфовый канал; 7-входная ионизационная камера (ВИК); 8-игольчатые катодные эмиттеры.
Магнитная система анодного трансформера представляет собой десятиполюсную трехрядную систему галет - продольных токонесущих стержней с поперечными перемычками, задающими линейный спад магнитного поля вдоль ускорительного канала. Токи, проходящие по стержням галет, и разрядный ток, протекающий по замыкающим электродам и катодному трансформеру, задают сепаратрисную магнитную эмитирующую поверхность (МЭП) со средним диаметром 50 см. МЭП имеет десять вытянутых вдоль ускорителя нулевых линий магнитного поля, вдоль которых инжектируется холодная плазма, поставляющая в ускорительный канал "токонесущие" ионы. Заполнение анодного трансформера плазмой осуществляется десятью маломощными коаксиальными ускорителями - анодными ионизационными камерами (АИК). Конструктивно АИКи подобны ВИКам, но имеют меньшие размеры (диаметр анода 5 см). Расход газа по каждому АИКу до 120 см3 атм. Н2. АИКи генерируют плазменные потоки со скоростью v ? (1 - 2)?106 см/с и плотностью n ? 1015см -3 в течение 400 мкс при разрядном токе Ip до 30 кА.
Конструктивно катодный узел состоит из цилиндрической несущей части и профилированной стержневой части длиной 63 см, симметричной относительно оси трансформера. Цилиндрическая часть образована из двух коаксиальных электродов, разделенных изолятором. Электроды представляют собой две соосные медные трубы с внешними диаметрами 6 и 4 см и длинами 262 и 150 см. Внутренняя труба длиной 262 см выдвинута по отношению к внешней на 63 см и является опорой для профилированной части. Профиль катода задается 20-ю изогнутыми медными стержнями-ламелями толщиной 5 мм, расположенными по образующей лемнискаты с максимальным диаметром 40 см. С входной стороны ламели закреплены на внешней трубе, а на выходной - на внутренней. Форма ламелей подобрана так, чтобы сохранить постоянный зазор между ними ? 2 см. Система крепления катода выбрана так, чтобы токоподвод к катоду осуществлялся через центральный электрод. Внешний электрод при этом отделен от катодного фланца цилиндрическим изолятором.
Рабочий газ-водород подаётся с помощью импульсных газовых клапанов независимо в каждый элемент первой ступени и в каждую анодную ионизационную камеру.
Энергопитание всех элементов ускорителя осуществляется от раздельных ёмкостных накопителей. Предельные параметры батареи конденсаторов, питающей основной разряд: Uc= 25 кВ, C = 7200 мкФ, Wc =2,2 МДж. Разрядный ток до 1 МА, длительность импульса основного разряда ? 350 мкс. Полный энергозапас емкостных накопителей всех систем ускорителя порядка 4 МДж.
Квазистационарный плазменный ускоритель помещен в цилиндрическую вакуумную камеру диаметром 1,5 м и длиной 10 м. Откачка вакуумной системы осуществляется тремя турбомолекулярными насосами ТМН-500 до давления ? 10-5 Торр. Общий вид установки КСПУ Х-50 представлен рис. 2.2.
Рис. 2.2. Общий вид КСПУ Х-50
Параметры генерируемых потоков плазмы изменялись в экспериментах в следующих диапазонах: плотность плазмы от 2?1015 см-3 до 4?1016 см-3, скорость потока от 6?106 см/с до 4?107 см/с, плотность энергии потока в приосевой области от 20 Дж/см2 до 2,5 кДж/см2. При этом полное энергосодержание в потоке достигало 600 кДж. Изменение параметров плазмы осуществлялось выбором режимов работы первой ступени КСПУ, анодного и катодного трансформеров.
Для адекватного моделирования процессов взаимодействия плазмы с поверхностью в переходных режимах токамака-реактора ИТЭР эксперименты должны проводиться во внешнем магнитном поле, обеспечивающем замагниченность плазмы и необходимую геометрию расположения мишеней по отношению к магнитному полю и налетающей плазмы [199-207]. С этой целью в конструкцию установки КСПУ Х-50 был внесен ряд существенных изменений. В частности, плазменные потоки, генерируемые КСПУ, инжектировались в систему ведущего магнитного поля, состоящую из 4-х магнитных катушек с внутренним диаметром 42 см, охватывающих цилиндрическую вакуумную камеру магнитной системы длиной 160 см и диаметром 39 см (рис. 2.3). Расстояние между катушками 16 см. Внутри магнитной системы вакуумная камера располагалась таким образом, чтобы обеспеч