National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) har lyckats avslöja flödet av negativa vätejoner med hjälp av en kombination av infraröda lasrar och elektrostatiska sonder i jonkällans plasma, som genererar en negativ vätejonstråle. Detta är första gången inom området fusionsforskning som det detaljerade jonflödet, som ändrar riktning och rör sig mot strålriktningen i jonkällan, har visats experimentellt.

Bakgrund till forskningen

Neutral Beam Injection (NBI) är en metod för att öka plasmatemperaturen och driva strömmar i magnetiskt slutna fusionsplasma genom att injicera neutrala väte/deuteriumstrålar. När plasmastorleken ökar, högre strålenergi är nödvändig för att avsätta neutrala strålar vid kärnområdet av det begränsade plasmat. Neutraliseringseffektiviteten för positiv väte/deuteriumjonstråle accelererad med konventionell NBI minskar kraftigt med energi på mer än 100 keV. Å andra sidan, negativa väte/deuteriumjonstrålar upprätthåller den energioberoende neutraliseringseffektiviteten på ~60 %. Följaktligen, negativ-jon-baserade NBI är oumbärliga för nya storskaliga plasmainneslutningsanordningar. För att konstruera negativ-jon-baserad NBI med energi på 190 keV, NIFS-forskare har framgångsrikt banat väg för utvecklingen av de negativa jonkällorna.

Två betydande förbättringar har gjorts av NIFS negativa jonkälla. En är förbättring av negativ-jonströmmen genom att optimera den magnetiska konfigurationen för plasmainneslutning i jonkällan. Den andra förbättringen är utvecklingen av en original strålaccelerator utrustad med spaltöppningselektroden, vars stråltransparens är två gånger högre än den konventionella elektroden med cirkulär öppning. Genom att kombinera dessa två innovativa idéer, världens högsta strålinsprutningsprestanda har uppnåtts med stråleffekten på 6,9 MW vid strålenergin 190 keV, som visas i fig. 1.

Vidare utredning, dock, krävs för att uppnå högre prestanda och stabilitet för avancerad negativ jonkälla som ska användas för framtida fusionsenheter. Dessutom, jonkällans storlek är för stor för att tillämpa en trial-and-error-metod. Skalningsmetod är inte heller tillämpligt, eftersom den genomsnittliga fria vägen för en elektron är mycket kortare än den faktiska jonkällan för NBI och en jonkälla med storleken mindre än den genomsnittliga fria vägen har olika egenskaper. Dessa konventionella utvecklingar blir svåra för att uppnå betydande framsteg i prestanda. Av denna anledning, NIFS NBI-gruppen har initierat forskning som fokuserar på beteendet hos negativa vätejoner inuti jonkällans plasma.

När det gäller den negativa jonkällan, den lilla mängden cesium injiceras i jonkällan och den cesiumadsorberade ytan på den så kallade "plasmaelektroden" aktiveras för att överföra elektronen till väteatomer och vätehaltiga positiva joner som kolliderar på ytan. Som visas i fig. 2, dessa partiklar omvandlas till negativa joner på ytan och rekyleras i motsatt riktning mot strålens riktning. Mekanismen för hur de negativa vätejonerna ändrar riktningen på sin hastighet och extraheras som en stråle har inte klarlagts. Dessutom, det har inte heller klarlagts från vilken del av plasmaelektrodens yta den negativa vätejonen extraheras som en stråle. Till denna punkt, när det gäller processerna för strålproduktion genom utvinning av negativa vätejoner, även om många simuleringar har utförts, eftersom många fysikaliska processer är relaterade till denna fråga har vi fortfarande inte fått resultat som hjälper till att förklara experimentresultaten.

Forskningsresultat

I den stora negativa vätejonkällan vid NIFS, olika typer av diagnostik finns tillgängliga för att mäta negativ vätejondensitet, elektrondensitet, och andra mängder. Dessa fysikstorheter kan mätas rumsligt och tidsmässigt i detalj. Negativa vätejoners beteende kan klargöras under strålextraktionen. Hittills, dessa beteenden hade varit svåra att mäta experimentellt.

Tillsammans med strålextraktionen, den rumsliga flödesfördelningen av de negativa vätejonerna undersöktes genom att mäta flödet av negativa vätejoner med användning av en elektrostatisk sond av sammansatt typ med fyra elektroder av nåltyp bestrålade med laserpuls.

Dessa operationer genomfördes på många platser, och, under strålextraktionen, vi undersökte hur flödet av negativa vätejoner förändrades. I resultatet av den utredningen, det klargjordes experimentellt att de negativa vätejonerna som genereras vid plasmaelektroden rör sig långt från elektroden, gör sedan en U-sväng, och strömma mot strålextraktionshålet där strålextraktionsfältet appliceras (se figur 3). Denna egenskap hos de negativa jonerna har aldrig observerats före detta experiment. Att klargöra den detaljerade konfigurationen av det negativa vätejonflödet är ett värdefullt resultat för både fysik och teknikforskning.

Detta forskningsresultat rapporterades vid den 26:e International Atomic Energy Association (IAEA) Fusion Energy Conference som hölls i Kyoto, Japan från 17-22 oktober, 2016. Förutom att uppnå framgång med att förbättra prestandan för den negativa vätejonkällan, vi klargjorde experimentellt detaljerade fysikaliska fenomen relaterade till plasma med negativ jonkälla genom att använda många diagnostik för att undersöka plasma från negativ jonkälla från många håll. Dessa resultat utvärderades omfattande, och fick NIBS Award vid det 5:e internationella symposiet om negativa joner, Beams and Sources hålls i Oxford, England från 12-16 september, 2016.

Forskningens betydelse

Genom att tillämpa den metod som utvecklats i denna forskning, mätning av det negativa jonflödet på platser ännu närmare plasmaelektroden är möjlig för att klargöra mer detaljerad mekanism för de negativa joner som extraheras som en stråle. Resultatet ger en riktlinje för att förbättra prestandan hos den negativa jonkällan samt ett viktigt bidrag till simuleringsfältet relaterat till jonkällaplasma. De negativa jonstrålarna används i stor utsträckning inte bara i fusionsforskning utan också i medicinska tillämpningar, partikelfysik, och framdrivning för rymdfarkoster. Ringeffekterna av dessa experimentella resultat och de nyutvecklade diagnostiska metoderna i denna forskning förväntas bidra till denna forskningsutveckling.