DE2841851A1

DE2841851A1 - Verfahren zum feststellen von charakteristiken eines hochenergiereichen neutralstrahls und einrichtung zur durchfuehrung des verfahrens

Info

Publication number: DE2841851A1
Application number: DE19782841851
Authority: DE
Inventors: Joel H Fink
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1977-11-21
Filing date: 1978-09-26
Publication date: 1979-05-23
Also published as: US4284952A; IT7841656A0; IT1104068B; FR2409525A1; GB2008310A; FR2409525B1; JPS5481496A; GB2008310B

Description

Verfahren zum Feststellen von Charakteristiken eines hochenergiereichen Neutralstrahls

und
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen von bestimmten Charakteristiken eines hochenergiereichen Neutrahlstrahls, der aus einem energiereichen Ionenstrahl beim Passieren eines energiearmen, in einer Neutralisationskammer befindlichen Neutralisationsgases gebildet wird und ferner eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Hochenergiereiche Neutralstrahlen gewinnen einen immer größeren Einfluß für die Plasma-Technologie und die Technologie der Kernfusion. Derartige-Neutralstrahlen sind besonders nützlichem einem in einem Käfig festgehaltenen Plasma zusätzliche Energie zuzuführen. Wenn das Plasma in einer magnetischen Flasche gehalten wird, können Neutralstrahlen durch das Magnetfeld injiziert

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werden, ζ. B. durch die Zwischenräume von Toroidwicklungen oder durch die Toroidwicklung selbst.

Obwohl die Verwendung eines Neutralstrahls von zunehmenden ο Interesse ist, ist die Technologie der Handhabung und insbesondere deren Überwachung noch mit Mangeln behaftet. Zur Zeit werden Neuiralstrahlen dadurch überwacht, daß sie mit Kaloriemetern ausgemessen werden oder daß man die Strahlenergie ableitet. Zu diesem Zweck muß der eigentliche Betrieb abgeschaltet werden, bei dem der Neutralstrahl eingesetzt wird, so daß man niemals eine wahre Angabe über die Strahlcharakteristiken während des Betriebeinsatzes des Neutralstrahls erhält.

Ein Neutralstrahl wird überlicherweise dadurch erzeugt, daß Ionen auf ein bestimmtes ITnergieniveau angehoben werden und ein Ionenstrahl ein Neuträlisationsgas mit niedrigem Energieinhalt passiert. Aufgrund von Ladungsausgleich lagern sich Elektronen aus dem Neutralisationsgas an die energiereichen Ionen an, so daß sich dadurch eine Neutralisation der Teilchen ergibt.

Ein Neutralstrahl dieser Art kann z.B. dazu benutzt werden, um einem Plasma zusätzlich Energie zuzuführen. Jedoch ist es von großer Wichtigkeit, die Parameter zu kennen, wie z.B. den Betrag der eingeleiteten Energie, den fortlaufenden Betriebszustand des eingeschlossenen Systems, sowie den Querschnitt und die Richtung des Neutralstrahls. Wenn z.B. das Plasma nicht ausreichende Dichte hat und der Neutralstrahl einen zu hohen Energieinhalt aufweist, kann dieser Neutralstrahl durch die vom Magnetfeld gebildete Hülle oder den magnetischen Spiegel hindurch-

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treten und nur geringe Einwirkung bzw. Wechselwirkung mit dem Plasma haben. Unter diesen Bedingungen wird der hochenergiereiche Neutralstrahl nicht gedämpft und kann die Wände des Reaktors beschädigen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, mit der hochenergiereiche Neutralstrahlen überwacht werden können.

Diese Aufgabe wird ausgehend von den eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der durch die Wände der Neutralisationskammer an vorgegebenen Wandpositionen fließende Strom gemessen wird, der aufgrund der zu den Wänden driftenden Ionen entsteht und daß aus den gemessenen Strömen die bestimmten Charakteristiken,insbesondere die Lage und der Verlauf des Neutralstrahls sowie der in ihm enthaltene Anteil an Neutralteilchen,abgeleitet werden.

Eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sieht vor, daß mit der Wand der Neutralisationskammer elektrische Meßeinrichtungen für den Strom verbunden sind, mit welchen ein Stromkreis über die Ionisationskammer geschlossen wird.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die Wand der Neutralisationskammer in eine Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Segmente unterteilt ist, und daß jedes der Segmente an eine Meßeinrichtung für den Strom angeschlossen ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

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Mit Hilfe der Erfindung wird ein Verfahren und eine Einrichtung geschaffen, mit der ein Neutralstrahl überwacht und bezüglich bestimmter Charakteristiken ausgemessen werden kann. Für Anwendungsfällte, bei denen der Neutralstrahl aus einem beschleunigten Ionenstrahl abgeleitet wird, indem dieser ein Neutralisations gas mit niederem Energieniveau passiert und durch Ladungsaustausch neutralisiert wird, ist das Neutralisations gas innerhalb einer Neutralisationskammer angeordnet. Als Folge des Ladungsaustausches driften Ionen mit geringem Energieinhalt zu den Wän-

jQ den der Kammer und erzeugen einen Strom, der mit Hilfe von Meßeinrichtungen, die an der Wandung der Kammer angebracht sind, feststellbar ist. Mit Hilfe diese3Str0m.es erhält man eine Anzeige für die Intensität des Neutraistrahls. Durch Mehrfachmessung mit über die Wand der Ionisationskammer verteilten Meßeinrichtungen, wobei die Kammer in Segmente unterteilt ist, lassen sich aus der Größe der gemessenen Ströme Rückschlüsse auf die Charakteristik des Neutralstrahls in einfacher Weise ziehen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Aus führ ungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen

Fig. 1 in schematischer Darstellung die wesentlichen

Komponenten eines Neutralstrahl-Monitors, ge

mäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine Neutralisations-

kammer gemäß der Erfindung;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine perspektivisch

dargestellte weitere Ausführungsform einer

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Neutralisationskammer;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungs-

form einer Neutralisationskammer; 5

Fig. 5 ein Diagramm, aus dem die Anteile von zwei Kom

ponenten in Abhängigkeit vom Ort in der Neutralisationskammer dargestellt sind.

Der in Fig. 1 mit seinen Komponenten schematisch dargestellte Neutralstrahl-Monitor zur Erzeugung eines hochenergetischen Neutralstrahls umfaßt eine Ionenquelle 10, die in beliebiger Art aufgebaut sein kann. Dabei können auch Ionenquellen Verwendung finden, in denen die Ionen durch elektrische Entladung oder durch einen elektrischen Lichtbogen erzeugt werden. Es spielt keine Rolle, ob positive oder negative Ionen verwendet werden, die in gleicher Weise für die Verwirklichung des Erfindungsgegenstandes geeignet sind. Für das beschriebene Ausführungsbeispiel werden positive Ionen vorgesehen, wobei üblicherweise Ionen von Wasserstoff, Deuterium, Tritium und Helium Verwendung finden.

Die positiven Ionen werden dadurch erzeugt, daß Elektronen von Neutralteilchen abgelöst, bzw. von diesen abgegeben werden und die verbleibenden Ionen dann in einem an sich bekannten Beschleuniger 12 auf das gewünschte Energieniveau beschleunigt werden. Zum Zwecke der Plasmaforschung und Plasmabildung und auch für eine kontrollierte nukleare Fusion liegen die Ionenenergien in einem Bereich von etwa 20 KeV und höher, bis in einen Bereich von"MeV. Bei typischen Einrichtungen zur Beschleunigung der Ionen finden eine Vielzahl von nichtdargestellten geladenen Gitterplatten Verwendung. Die Ionenquelle und der

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Ionenbeschleuniger sind derart aufeinander ausgerichtet, daß die Ionen in einem dünnen fokussierten Ionenstrahl 14 enthalten sind.

Dieser Ionenstrahl passiert anschließend eine Neutralisations kammer 16. Diese Neutralisationskammer kann in ihrem räumlichen Aufbau unterschiedlich gestaltet sein, jedoch wird eine langgestrckte Neutralisationskammer bevorzugt, wobei die Längenabmessung um ein Vielfaches größer als die Querabnaessung ist. In dieser Neutralisationskammer 16 befindet sich ein Neutralisationsgas (background gas) mit verhältnismäßig geringem Druck und geringer Temperatur, z.B. Deuterium-Gas mit einer Temperatur von etwa 20 C und einem Druck von etwa 1, 333 χ 10 mbar. Als Neutralisationsgase kommen üblicherweise Wasserstoff, Deuterium, Tritium und Helium in Betracht. Wenn der Ionenstrahl 14 die Neutralisationskammer 16 passiert, erfährt ein Teil der energiereichen Ionen eine Ladungs änderung durch Wechselwirkung mit dem Neutralisations gas. Dabei kollidieren positive Ionen z.B. mit Gasatomen oder Gasmolekülen und nehmen ein Elektron auf, wogegen negative Ionen, wenn diese im Ionenstrahl Verwendung finden, ein Elektron abgeben. In beiden Fällen treten konkurrierende Wechselwirkungen, wie Ladungsaustausch und Reionisation in einem Umfang auf, der von Parametern, wie z.B. der Dichte des Neutralisations gas es, der Länge bzw. dem geometrischen Aufbau der Neutralisationskammer 16 und dem Energieinhalt des Ionenstrahls abhängt. Ein Teil des in die Ionisationskammer 16 eindringenden Ionenstrahls, wobei es sich um einen Anteil von 90% bei etwa 20 keV bis weniger als 1% bei etwa 500 keV handeln kann, verläßt die Neutralisationskammer 16 als gebündelter Strahl energiereicher Neutralteilchen. Zusätzlich bewegen sich mit dem Strahl restliche energiereiche positive

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Ionen. Dieser Neutralteilchen-Strahl 18 kann dann in der gewünschten Weise verwendet werden, wie z.B. zum Ätzen von Oberflächen, oder um einem Plasma zusätzliche Energie zuzuführen, das innerhalb einer Kammer 20 durch ein magnetisches Feld festgehalten wird, das durch eine Vielzahl ausgerichteter Magnetspulen 22 erzeugt wird.

Während die konkurrierenden Wechselwirkungen in dem gasförmigen Neutralisationsmedium auftreten, ergibt sich auch eine Drift von Ionen mit geringem Energieinhalt zu den Wänden der Neutralisationskammer 16. Diese Ionen mit geringem Energieinhalt bleiben übrig, nachdem Elektronen an den hochenergiereichen Ionenstrahl 14 abgegeben wurden. Einige dieser Ionen mit geringem Energieinhalt verlassen die Neutralisationskammer zusammen mit dem Neutralteilchenstrahl 18 wogegen eine begrenzte Anzahl der Ionen mit geringem Energieinhalt, wie erwähnt, zu den Wänden der Neutralisationskammer driftet. Durch Überwachen und Auswerten dieser driftenden Ionen mit Hilfe einer Wahrscheinlichkeitsanalyse ergibt sich eine gute Basis für die Überwachung des Neutralisationsprozesses. Außerdem können sowohl Eigenschaften bezüglich der Ausrichtung als auch der Größe des Neutralteilchenstrahls durch die Überwachung der räumlichen Verteilung der driftenden Ionen ermittelt werden. Während der Wechselwirkungen aufgrund des Ladungsaustausches und der Reionisation findet auch eine zusätzliche Ionisation aufgrund des direkten Auftreffens des energiereichen Strahls auf das Neutralisations gas statt. Dieser Ionisationsvorgang führt zu einer Bildung von grundsätzlich etwa einer gleichen Anzahl positiver Ionen und freier Elektronen, die ebenfalls die Tendenz haben, zu den Wänden der Neutralisationskammer zu driften, um dort neutralisiert zu werden. Obwohl der aufgrund

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dieses Vorgangs erzeugte Nutzstrom gegen Null tendiert, kann man feststellen, daß aufgrund der Verteilung des Stroms an vorgegebenen Überwachungslokalitäten geringe Ströme nachweisbar sind. Ferner ergibt sich keine völlige Neutralisation des starkenergiereichen Ionenstrahls, so daß auch dadurch ein Teil der während dem beschriebenen Verfahren entstehenden geladenen Teilchen mitgerissen werden. Infolge der Tatsache, daß die Neutralisationskammer bezüglich ihres Durchmessers verhältnismäßig lang ist, kann der Verlust an Teilchen mit niedrigem Energieinhalt durch die Eingangs Öffnung und durch die Ausgangsöffnung der Neutralisationskammer vernachlässigt werden.

Für die Überwachung werden ein Amperemeter 24 oder andere stromanzeigende Meßgeräte verwendet, und zwar in Verbindung mit Einrichtungen, die den durch die Wände der Neutralisations kammer 16 fließenden Neutralisations strom ableiten. Zu diesem Zweck ist z.B. in Fig. 2 die Wand der Neutralisationskammer über einen elektrischen Leiter 26 und ein Amperemeter mit Masse 27 verbunden. Selbstverständlich kann auch auch eine hohe Spannung über das Amperemeter und die Leitung 26 an die Wände der Neutralisationskammer angelegt werden, wobei diese hohe Spannung von einer Spannungs quelle 29 mit einem negativen Potential für einen Ionenstrahl mit positiven Ionen geliefert wird. Im Fall der Verwendung eines negativen Ionenstrahls wird eine Hochspannungsquelle 29 mit positiven Potential eingesetzt. Unabhängig von der Polarität muß der Stromkreis über den Strahl geschlossen sein.

Die Neutralisationskammer 16 gemäß Fig. 2 ist mit einer engen Eintrittsleitung 28 und einer engen Austrittsleitung für den Neutralstrahl versehen. Ferner ist an der Kammer eine Einlauf -

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öffnung 32 für das Neutralisationsgas und eine Auslauf öffnung 34 zur Aufrechterhaltung des Gasdruckes vorgesehen. Die Einlauföffnung 32 steht mit einer nichtdargestellten Quelle für das Neutralisationsgas in Verbindung, wogegen die Auslauföffnung 34 mit z.B. einer nichtdargestellten Vakuumpumpe zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Druckes innerhalb der Neutralisationskammer 16 verbunden sein kann. Da die Ionenquelle 10 keinen hundertprozentigen Wirkungsgrad hat, besteht die Tendenz, daß etwas von dem neutralen Gas mit den beschleunigten Ionen in die Ionisationskammer 16 eindringt. Es gibt einige Anwendungsfälle, bei denen die Menge dieses neutralen Gases für die Neutralisation aureicht, so daß kein weiteres Neutralisations gas in die Kammer 16 eingeleitet werden muß.

Es gibt Anwendungsfälle, bei denen es wichtig ist, mit großer Genauigkeit die Richtung zu kennen, in der der Neutralstrahl verl äuft, wenn er die Ionisationskammer 16 verläßt. Wenn der Neutralstrahl wie in Fig. 3 dargestellt, außermittig verläuft, können diese Bedingungen durch eine Längs Segmentierung der Neutralisationskammer 16 festgestellt werden. Zu diesem Zweck wird die Wand der Neutralisations kammer in Segmente 36a und 36b unterteilt, an welchen jeweils ein Amperemeter 24a, bzw. 24bangeschlossen ist. Dabei muß die Neutralisationskammer 16 derart aufgebaut sein, daß das eine Längssegment vom anderen Längssegment elektrisch isoliert ist. Es können selbstverständlich auch mehr als zwei derartiger Längssegmente vorgesehen werden. Wenn von den einzelnen Segmenten ein ungleicher Strom abfließt, ist dies ein Anzeichen für die nicht richtige Ausrichtung des Neutralstrahls,d. h. dieser kann mit Hilfe der verschiedenen gemessenen Ströme justiert werden.

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Es ist ferner wünschenswert zu wissen, wie groß der Anteil der Neutralstrahlteilchen im Verlauf über die einzelnen axialen Längspositionen der Neutralisationskammer 16 ist. Es ist bekannt, daß die Verteilung der Neutralstrahl teilch en grundsätzlich einer Exponentialkurve folgt, und zwar aufgrund der konkurrierenden Wechselwirkungen beim Durchfliegen der Neutralisationskammer. Typische Kurven, die den Anteil der positiven Ionen und der Neutralteilchen in Abhängigkeit von der Längsabmessung der Ionisationskammer 16 zeigen, sind in Fig. 5 dargestellt.

Dieser Anteil der Neutralteilchen und Ionen im Strahl kann ebenfalls festgestellt werden indem nämlich die in Längsrichtung sich erstreckende Wand der Neutralisationskammer in Segmente 38 gemäß Fig. 4 unterteilt wird. Diese Unterteilung erfolgt durch das Einfügen eines isolierenden Trennringes 40. Jedes der einzelnen Teile wird über eine entsprechende Anschlußteilung 26 an ein Amperemeter 24 und dann an Masse, bzw. eine Potentialquelle angeschlossen. Sowohl die einzelnen Segmente der Wand der Neutralisationskammer als auch das Isoliermaterial können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein, da die Spannungsdifferenz zwischen den einzelnen Materialien wohl klein, jedoch ausrächend groß ist, um eine separate Ausmessung möglich zu machen. Beim Aufbau der Neutralisationskammer in der beschriebenen Weise muß jedoch dafür Sorge getragen werden, daß die Druckverhältnisse im Innern der Kammer davon nicht beeinträchtigt werden. Eine derartige Neutralisationskammer kann

z. B. aus Kupfersegmenten aufgebaut werden, die mit Hilfe von Aluminiumoxyd gegeneinander isoliert sind. Die bei einer derart unterteilten Kammer an den Einzelmeßinstrumenten ablesbare Ströme liefern eine Angabe über die Zusammensetzung des Neutralstrahls, wenn er die Neutralisationskammer 16 durchläuft.

Es ist ohne weiteres erkennbar, daß sowohl eine Längsteilung

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als auch eine Querteilung der Neutralisationkannnier möglich ist, um entsprechend den Neutralstrahl ausmessen zu können.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

10

fly Verfahren zum Feststellen von bestimmten Charakteristiken eines hochenergiereichen Neutralstrahls, der aus einem energiereichen Ionenstrahl beim Passieren eines energiearmen, in einer Neutralisationskammer befindlichen Neutralisationsgases gebildet wird, dadurch gekennzeichnet

daß derdurch die Wände der Neutralisations kammer (16) an vorgegebenen Wandpositionen fließende Strom gemessen wird, der aufgrund der zu den Wänden driftenden Ionen entsteht, und

daß aus den gemessenen Strömen die bestimmten Charakteristiken,insbesondere die Lage und der Verlauf des Neutralstrahls sowie der in ihm enthaltenen Anteile an Neutralte ilchen,abgeleitet werden.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß mit der Wand der Neutralisationskammer (16) elektrische Meßeinrichtungen (24, 26) für den Strom verbunden sind, mit welchen ein Stromkreis über die Ionisationskammer geschlossen wird.

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3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wand der Neutralisationskammer (16) in eine

Vielzahl von elektrisch gegeneinander isolierten Segmenten (36a, 36b; 38) unterteilt ist, und daß jedes der Segmente an eine Meßeinrichtung für den Strom angeschlossen ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente in Längsrichtung verlaufen.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die Segmente in Umfangsrichtung verlaufen und daß zwischen die Segmente Isolierringe (40) eingefügt sind.

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