Wissenschaftliche Berichte - FZKA 6075

Kurzfassung

Ein essentielles Problem bei der Auslegung des Divertors für den ITER Fusionsreaktor ist die kurzzeitige, sehr hohe Energiedeposition auf der Oberfläche der Divertorplatten, die bei Störungen des Normalbetriebs durch Plasmaabbrüche ("Disruptions") bzw. "ELMs" (Edge Localized Modes) erwartet wird. Obwohl numerische Simulationen vorhersagen, daß die Plasmaeinwirkung auf der Divertoroberfläche durch das Ausbilden einer Dampfabschirmung gemildert wird, bleibt die Wirksamkeit dieses Schutzmechanismuses unklar, solange die numerischen Modelle nicht durch entsprechende experimentelle Untersuchungen bestätigt wurden, bei denen die derzeit favorisierten Divertormaterialien vergleichbaren Belastungen ausgesetzt sind. Untersuchungen mit Protonenstrahlen werden unter diesem Gesichtspunkt als wertvolle Ergänzung zu den aktuellen experimentellen Arbeiten mit Elektronenstrahlen und Plasmakanonen angesehen. Sollen die Ergebnisse auf ITER-Verhältnisse übertragbar sein, so muß eine entsprechende Anlage Protonenstrahlen mit einer Leistungsdichte von 10 MW/cm² bei Pulslängen von über 10 µs liefern, wobei die kinetische Energie der Protonen im Bereich von 10 keV liegen muß. Konzeptstudien zu einer solchen Anlage deuteten darauf hin, daß die gestellten Forderungen durch Verwendung einer großflächigen Ionenquelle in Verbindung mit ballistischer Fokussierung und nachfolgender magnetischer Strahlkompression erfüllt werden können.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Umsetzung der verschiedenen Komponenten und Techniken sowie der Überprüfung der theoretischen Modelle, auf denen diese Konzeptstudien basieren. Hierzu wurde die Experimentieranlage PROFA ("PROton FAcility") aufgebaut, die einerseits als Testbett für die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte, großflächige Protonenquelle fungierte und andererseits aufgrund ihres modularen Aufbaus detaillierte Studien zum Strahltransport ermöglichte.

Die Erzeugung des großflächigen Anodenplasmas dieser gepulsten Protonenquelle beruht auf einer neuartigen Methode, die es erlaubt, eine große Anzahl flächig verteilter lokaler Oberflächengleitentladungen synchron zu zünden. Durch eine lineare Abhängigkeit der Plasmadichte vom Summenstrom sämtlicher Oberflächengleitentladungen läßt sich die Dichte durch geeignete Beschaltung der Quelle kontrolliert steuern. Sie liegt an der Oberfläche der Entladungseinheiten in einer Größenordnung von 10¹⁴ cm^-3. Nach der Expansion des Plasmas zur eigentlichen Emissionsoberfläche (Anodengitter) reduziert sich die für die Höhe der extrahierten Ionenstromdichte wesentliche Plasmadichte auf etwa 10¹¹ cm^-3. Die Elektronentemperatur des emittierenden Plasmas beträgt im Mittel 20 eV daraus folgt jBohm: 70mA/cm². Mit diesen Werten werden Ionenstromdichten von über 0.1 A/cm² erreicht, wobei allerdings erwähnt werden muß, daß die Ionenstromdichte über die Emissionsoberfläche nicht konstant ist, sondern zur Peripherie hin stark abfällt. Überschreitet der aus dem Plasma extrahierte Ionenstrom einen Wert von etwa 15 A, werden die erreichbaren Pulslängen von einem bisher nicht vollständig identifizierten Kurzschlußmechanismus im Extraktionssystem der Quelle eingeschränkt. Während unterhalb dieses Wertes die volle vom Hochspannungsimpulsgenerator gelieferte Pulslänge von 40 µs ausgenutzt wird, fällt sie bei Strömen von über 100 A auf etwa 5.5 µs ab.

Die Qualität der ballistischen Fokussierung wird vorwiegend von der Quelldivergenz des Ionenstrahls herabgesetzt, deren Ursprung im wesentlichen in der periodischen Struktur des Anodengitters zu suchen ist. Der maximal auftretende Quelldivergenzwinkel beträgt etwa 70 mrad. Zusätzlich verschlechtert sich die ballistische Fokussierung durch eine sphärische Aberration, die von einer Plasmaexpansion in den Extraktionsspalt hervorgerufen wird. Die Neutralisation der positiven Raumladung des Strahls ist eine Vorbedingung für einen erfolgreichen Strahltransport. Die dazu benötigten Elektronen werden unter Anwendung eines erweiterten "accel-decel"-Prinzips durch ioneninduzierte Sekundärelektronenemission an den Kathodengittern der Quelle zur Verfügung gestellt. Eine effektive Raumladungsneutralisation beginnt etwa 3 ¸ 4 µs nach Pulsbeginn. Aufgrund des magnetischen Kompressionsfeldes werden in dieser Zeit genügend Elektronen im Volumen des Transportkanals akkumuliert, wobei sich eine Streuung der Longitudinalenergie der Elektronen einstellt, die einer charakteristischen Temperatur von 100 eV entspricht. Der Ionenstrahl wird durch die hier erstmals experimentell nachgewiesene Kombination aus ballistischer Fokussierung und magnetischer Kompression mit einer Effizienz von bis zu 70 % zum Target transportiert. Allerdings wird dieser Wert erst 12 µs nach Pulsbeginn erreicht.

Grundsätzlich ist die im Rahmen dieser Arbeit neu entwickelte Protonenquelle potentiell für eine ITER-relevante Simulation der Dampfabschirmung geeignet. Die Entwicklung der Quelle muß jedoch hinsichtlich einiger Schwächen noch weiter vorangetrieben werden.

Generation and focusing of intense, low energy proton beams using a large area, pulsed ion source with pulse duration in the µs-regime

Abstract

One of the subjects of major concern in present divertor tokamak research for ITER is the substantial heat load to which divertors are exposed during operational instabilities such as plasma disruptions and to lesser extent during "ELMs" (Edge Localized Modes). Although numerical simulations predict that the plasma impact on the divertor surface is mitigated by the formation of a plasma shield (vapor shield), the efficiency of this autoprotective action remains questionable as long as the numerical models have not been validated by adequate experiments, in which divertor candidate materials are subjected to comparable load conditions. In this context, investigations using proton beams are considered to provide a valuable complement to the presently performed experiments using electron beams and plasma guns. In order to achieve ITER relevant results a proton beam facility has to deliver a power density of 10 MW/cm² over a pulse length of no less than 10 µs. The kinetic energy of the protons has to be in the range of 10 keV. Conceptual studies of such a facility indicated that these requirements could be fulfilled by using a large area ion source in combination with ballistic focusing and a subsequent magnetic compression.

The present work aimed at demonstrating the practical feasibility of the different components and techniques and the adequacy of the theoretical models on which these conceptual studies were based. For this purpose an experimental facility PROFA ("PROton FAcility") was built, which served as a test installation for the development of a new type of large area proton source and, owing to the modular design of the facility, allowed to investigate and optimize beam transport.

The generation of the anode plasma of the pulsed proton source is based on a novel technique, comprising synchronous ignition of a large number of individual surface flashover units, distributed over a substantial anode area. Due to a linear dependence of the plasma density from the sum current through all surface flashover units the density is easily controlled by external electronic components. The plasma density on the surface of the discharge units lies in the range of 10¹⁴ cm^-3. After its expansion to the emission surface (anode grid) the density, which governs the extractable ion current density, drops to about 10¹¹ cm^-3. The average electron temperature of the emitting plasma is 20 eV. Ion current densities above 0.1 A/cm² are obtained, although the current density profile is not homogeneous over the emission surface, but falls off towards the periphery. When the total ion current exceeds 15 A, the pulse length is limited by a breakdown mechanism in the extraction system of the source, which has yet to be identified. While below this value full use is made of the maximum pulse length of the high voltage generator, which is 40 µs, the pulse length drops to about 5.5 µs for currents above 100 A.

The quality of the ballistic focusing is governed mainly by the source divergence of the ion beam, which is predominantly caused by the periodic structure of the anode grid. The maximum source divergence angle is 70 mrad. Additionally the efficiency of the ballistic focusing is decreased by spherical aberration originating from a local plasma expansion into the extraction gap. The neutralization of the positive space charge of the ion beam is a pre-condition for a successful beam transport to the target. Applying an extended accel-decel-principle the electrons required for space charge neutralization are provided by ion induced secondary electron emission on the cathode grids. Efficient neutralization appears within 3 ¸ 4 µs after the onset of the pulse. A sufficient number of electrons can be accumulated in the volume of the transport channel during this time assisted by the presence of the magnetic compression field. In the course of this accumulation a thermalization of the electrons occurs leading to a spread in their longitudinal velocities, which corresponds to a characteristic temperature of 100 eV. For the first time it was possible to accomplish an efficient proton beam compression by a combination of ballistic focusing and magnetic compression. A maximum current transport efficiency of 70 % was attained, though this value was reached only 12 µs after the onset of the pulse.

In general, one might conclude that the new type of proton source being developed in the frame of this work is potentially suited for ITER-relevant simulations of the vapor shield effect. However the source has to be developed further with regard to eliminating some weak points.