Источники легких ионов для синтеза с инерциальным удержанием плазмы

Глава 18

Источники легких ионов

для синтеза

с инерциальным удержанием плазмы

Р. Гербер¹⁾

Ускорительные комплексы (драйверы) на легких ионах обеспечивают потенциально эффективный и дешевый метод сжатия и нагрева  мишени в системе с инерциальным удержанием плазмы [1]. Для получения заметной термоядерной реакции требуются ионные пучки  мощностью 100 ТВт/см². Ионные источники для столь мощных импульсных  драйверов  должны   создавать   однотипные   ионы   и плотность тока до 5 кА/см² при продолжительности импульсов 10—20 нс и напряжении до нескольких десятков мегавольт. Большинство применявшихся ранее ионных источников производили ионы многих типов, включая протоны и более тяжелые ионы (например, углерода и кислорода). В последние несколько лет прилагались значительные усилия по созданию источников однотипных ионов. В этой главе рассматриваются различные типы источников легких ионов, уже применяющихся, а также находящихся в стадии разработки.

18.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

В настоящее время в Соединенных Штатах основные усилия в области синтеза с применением легких ионов сосредоточены вокруг ускорителя для синтеза с применением корпускулярных пучков II [ Рагticle Веаm Fusion Ассе1ега1ог II (PВFА II)] [2] в Национальной лаборатории Cандия. Однако многие из первоначальных работ, касающихся ионных диодов, были выполнены в Корнеллском университете, Массачусетсом институте и Военно-морской исследовательской лаборатории. Превосходный обзор по интенсивным импульсным ионным пучкам с описанием различных типов ионных диодов и их действия опубликовал Хамфриз, мл. [3].

Эффективное генерирование интенсивных ионных пучков основывается на методах запирания электронного потока и увеличения таким образом доли ионного тока. Одним из путей достижения этой цели является применение диода с магнитной изоляцией [4— 6]. В таком диоде поперечное магнитное поле в вакуумированном промежутке анод—катод тормозит электронный поток и, благодаря виртуальному катоду, связанному с наложенным магнитным полем, позволяет создавать ионные токи, существенно превышающие предел Чайлда—Ленгмюра для данного физического расстояния анод—катод.

На основе модельных исследований [7] для использования в РВFА II был выбран магнито-изолированный диод с источником ионов лития. На рис. 18.1 представлен вид в разрезе диода с магнитной изоляцией для РВFА II. Мощность подводится к диоду как сверху, так и снизу. Этот диод предназначается для ускорения ионов лития с током 4 МА и напряжением 30 МВ и фокусирования

Рис. 18.1. Вид в разрезе осесимметричного ионного диода с магнитной изоляцией РВFА II [18]. Ускоряемые с помощью разности потенциалов на зазоре анод-катод ионы лития вытягиваются из ионного источника и фокусируются на мишени в системе с инерциальным удержанием плазмы, расположенной в центре. 1 — плазменный переключатель; 2 — верхний катод; 3 — мембрана из майлара; 4 — камера с газом; 5 — анод; 6 — импульсные катушки; 7 — нижний катод; 8 — прианодная плазма (ионный источник).

их в радиальном направлении на мишень радиусом 3-6 мм, расположенную в центре диода. Магнитные катушки, расположенные на катоде и аноде, могут обеспечить