Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Изображения, упомянутые в тексте отчета размещены в разделе 1.6. "Файл с дополнительными материалами". Целью проекта является изучение возможности моделирования с помощью электронного пучка импульсных тепловых нагрузок на поверхность вольфрамовой мишени при частоте в 10-20 Гц, совокупном числе импульсов нагрева ≥ 10^7, плотностях энергии до 1 МДж/м^2, субмиллисекундной длительности импульса и размере облучаемой площади ~ 1 см^2. Для достижения поставленной цели в ИЯФ СО РАН разрабатывается экспериментального стенд. Концепция работы экспериментального стенда заключается во воздействии пучка с исследуемой мишенью в прямой геометрии: пучок транспортируется до исследуемого образца на расстояние ~ 0,5 м, в постоянном, продольном магнитном поле, генерируемом внешними катушками. Для генерации пучка предлагается использовать источник на основе накаливаемого катода, с энергией частиц 15 – 20 кэВ. В экспериментальные задачи стенда входит исследование временной стабильности работы источника пучка в частотно-импульсном режиме на вольфрамовую мишень в прямом ведущем магнитном поле, стабильности эмиссионных характеристик термоэмиттера, изучение деградации эмитирующей поверхности, надежности высоковольтного модулятора, , и т.д. Для решения поставленных задач, в рамках первого года проекта, был собран экспериментальный стенд. Фото и схема стенда показаны на рисунке 1. Пучок, генерируемый пушкой с термокатодом, транспортируется в вакуумной камере на цилиндр Фарадея (ЦФ) в прямом аксиально-симметричном магнитном поле. Давление остаточного газа в камере не хуже 1*10-6 Па достигается с помощью откачного вакуумного поста и магниторазрядного насоса типа НМД-0,16. Камера собрана на медных уплотнительных кольцах и допускает прогрев. Электронная пушка оригинальной конструкции с LaB6 термокатодом разработана в ИЯФ СО РАН. Фото катодных узлов и пушки в сборе приведено на рисунке 2. Кольцевая форма эмитирующей области выбрана из соображений уменьшения отрицательного воздействия на поверхность эмиттера обратного потока ионов, который, как ожидается, будет концентрироваться преимущественно в приосевой области. Формирование частотно-импульсного ускоряющего напряжения (15 – 20 кВ, 5 – 10 А, 0.1 – 1 мс, 10 – 20 с-1) для питания пушки реализовано с помощью высоковольтного модулятора, работающего по принципу частичного разряда высоковольтной емкости через управляемый транзисторный ключ. Для зарядки емкости модулятора и питания подвешенного под ускоряющий потенциал накального узла будет использоваться источник ИПЭ-6-30-1.1 (30 кВ, 6 кВт) производства компании «Инситек», г. Томск. Аксиально-симметричное ведущее магнитное поле создается двумя катушками с независимым питанием. Фотография катушек представлена на рисунке 3. Внутренний диаметр обмоток составляет 280 мм, внешний – 507 мм. Каждая катушка содержит 288 витков из медной шины 8x8 мм. Шина имеет внутренний канал диаметром 5 мм для прокачки охлаждающей дистиллированной воды. Измеренная (совпадает с расчётной) индукция магнитного поля в среднем сечении катушки на оси составляет 80 мТл на 100 А тока в катушке. Для измерения параметров пучка разработан и создан набор диагностик. В частности, для измерения полного тока пучка создан цилиндр Фарадея. Также для измерения распределения тока пучка подготовлено несколько вариантов изображающей диагностики. Данная диагностика позволяет судить о распределения тока пучка электронов по излучению определенного типа (например, рентгеновского или теплового), возникающего в результате взаимодействия электронов пучка с мишенью. В качестве первоначального варианта исполнения выбран метод с регистрацией свечения мишени в результате разогрева пучком. Для чего в качестве приемника пучка было решено использовать фольгу из нихрома толщиной 50 мкм. Нихром был выбран как материал, обладающий сравнительно малой удельной теплоёмкостью и теплопроводностью при достаточно высокой температуре плавления. На рисунке 4 приведено фото приемника пучка установленного внутрь вакуумного объема. Рабочая температура катодов из гексаборида лантана составляет 1200-2000 С. При этом в зависимости от температуры существенно меняются эмиссионные свойства катода и срок его службы. Что важно, данные параметры могут также заметно варьироваться в зависимости от изготовителя и технологии производства катодов. На момент написания отчета завершены пусконаладочные работы систем экспериментального стенда и проведено исследование эмиссионных свойств используемого термокатода. Так, на отдельном стенде, с помощью яркостного оптического пирометра было установлено соответствие между мощностью накала и температурой катода. Полученная зависимость приведена на рисунке 5. По оси абсцисс отложена вводимая мощность накала в ваттах. По оси ординат измеряемая пирометром температура катода. В рассмотренном диапазоне параметров по мере увеличения мощности накала температура катода, с хорошей точностью, растет линейно. На рисунке 6 приведены вольт-амперные характеристики электронной пушки, полученные для различных температур катода. По оси абсцисс отложено ускоряющее напряжение в киловольтах. По оси ординат ток эмиссии (ток в высоковольтной цепи) в амперах. Синими точками отложены значения, полученные при температуре катода 1300 К. Видно, что по мере увеличения напряжения ток эмиссии выходит на насыщение – катод работает в режиме с ограниченной эмиссией. При увеличении температуры катода до 1600 К (красные точки) ток эмиссии нарастает с ростом напряжения и совпадает практически во всем доступном диапазоне, за исключением крайних точек со случаем неограниченной эмиссии – пунктирная кривая. Данная кривая вычислена c помощью программного пакета UltraSAM, для геометрии пушки аналогичной используемой в экспериментах. Важно отметить, что ток эмиссии, достигнутый в данных экспериментах, составил ~ 10 А. В будущих экспериментах по моделированию импульсно-периодических тепловых нагрузок требуется экспозиционная нагрузка ~ 100 Дж/см^2, при длительности импульса около 1 мс н на площади около 1 см^2, что соответствует току пучка ~ 5 А. Таким образом, были достигнуты параметры пучка, необходимые для моделирования тепловых нагрузок, соответствующих ожидаемым в будущим термоядерным установкам.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Изображения, упомянутые в тексте отчета размещены в разделе 1.6. "Файл с дополнительными материалами". Целью проекта являлось изучение возможности моделирования с помощью электронного пучка импульсных тепловых нагрузок на поверхность вольфрамовой мишени при частоте в 10-20 Гц, совокупном числе импульсов нагрева ≥ 10^7, плотностях энергии до 1 МДж/м^2, субмиллисекундной длительности импульса и размере облучаемой площади ~ 1 см^2. Для реализации цели проекта в ИЯФ СО РАН разработан эксперименталный стенд. Схема стенда представлена на Рисунке 1. В состав стенда входят: вакуумная камера с внешними катушками магнитного поля, электронная пушка с термокатодом, мишенный узел, высоковольтный модулятор и системы питания накала пушки и магнитного поля, а также система регистрации параметров пучка. В рамках проекта на стенде решались две экспериментальные задачи: • исследование параметров пучка на предмет их соответствия требованиям материаловедческих приложений в поддержку проектов будущих установок термоядерного класса; • исследование устойчивости характеристик термоэмиссионного катода в условиях облучения пучком вольфрамовой мишени при режиме работы с частотой повторения импульсов 10 – 20 Гц и полном числе импульсов более 1 млн. На первом этапе выполнения проекта (первый год) было продемонстрированно достижение параметров пучка необходимых для моделирования импульсных тепловых нагрузок, соответствующих нагрузкам, ожидаемым вовремя ЭЛМ-событий. В частности, при напряжении 19 кВ, был достигнут ток пучка 10 А, что соответствует удельной мощности в пучке 1.27 ГВт/м2 (в пересчете на площадь эмиттера). Достигнутый уровень плотности мощности удовлетворяет требованиям к пучку для материаловедческих приложений в поддержку проектов будущих установок термоядерного класса. Однако, в контексте моделирования тепловых нагрузок, также, важно знать распределение мощности электронного пучка на исследуемом образце. Пушка с кольцевым катодом была спроектирована из расчета получения равномерного распределения плотности тока в кольцевом сечении пучка. Для экспериментального изучения данной характеристики была создана визуализирующая диагностика на основе сцинтиллятора Chromox AF995R, который представляет собой пластину из корундовой керамики, допированной трехвалентным хромом, толщиной 1.5 мм и диаметром 80 мм. Этот сцинтиллятор обладает высоким световыходом и хорошо переносит тепловые удары. Для нивелирования эффектов, связанных с накоплением заряда на керамике, на поверхность последней был напылен слой золота толщиной 30 нм. Пластина сцинтиллятора с помощью вакуумной подвижки вводилась в пучок с наклоном в 45° к его оси, свечение регистрировалось быстрой цифровой камерой (SDU-285), установленной перпендикулярно направлению пучка. Для предотвращения быстрой деградации металлического напыления и разрушения сцинтиллятора, измерения проводились при сниженной мощности пучка. Типичное изображение пучка в поперечном сечении показано на Рис. 2а. Ток эмиссии здесь составлял 1.5 А при ускоряющем напряжении 10 кВ и длительности импульса 1 мс. Ведущее магнитное поле имело расходящуюся конфигурацию. Величина магнитной индукции составляла ~ 80 и 33,5 млТл в области катода и мишени соответственно. На Рис. 2б показан фотометрический профиль, измеренный вдоль пунктирной линии (показана на Рис. 2а) в сопоставлении с результатами численных расчетов, выполненных с помощью пакета UltraSAM. Диаметр пучка на мишени составил 22 мм. Как видно, неравномерность тока в сечении пучка не превышает 20 %. Наблюдаемые на снимке яркие точки сохраняют свое местоположение на сцинтилляторе при изменении положения пучка на мишени и, по-видимому, связаны с дефектами металлического напыления. Удовлетворительное совпадение расчётов и результатов измерений создает основу для использования имеющихся численных моделей в дальнейшей работе. Для исследования устойчивости характеристик термоэмиссионного катода в условиях облучения пучком вольфрамовой мишени было произведено две серии экспериментов. В данных экспериментах пучок транспортировался на мишень в квазиоднородном магнитном поле на расстояние около 0.5 м. Величина магнитной индукции в области электронной пушки и в области мишени составляла ~ 80 млТл В качестве мишени использовался полированный диск вольфрама, установленный в мишенный узел. Подробное описание мишенного узла приведено в пункте 2 данного отчета. На протяжении всей серии экспериментов ток пучка и ускоряющее напряжение оставались постоянными и составляли ~2 А и 16 кВ. Остаточное давление газа во время эксперимента составляло 1.7*10^-4 Па. В первой серии экспериментов длительность импульсов пучка составляла 1 мс при частоте 20 Гц. Экспозиционная тепловая нагрузка, создаваемая пучком на мишени составляла ~0.2 МДж/м^2. В данном режиме было совершено около 1.2*10^6 импульсов пучка. Схожий уровень нагрузок был реализован на установке JUDIT 2 в Юлихском исследовательском центре, где было показано, что нагрузки на уровне 0,13 МДж м-2, с частотой 25 с-1 при длительности нагрева 0.48 мс приводят к образованию сети микротрещин на поверхности вольфрама после 10^6 термоударов. Во второй серии экспериментов длительность импульсов пучка была увеличена до 4 мс. В связи со значительным нагревом элементов вакуумной камеры частота импульсов была уменьшена до 5 Гц. В данном режиме экспозиционная тепловая нагрузка, создаваемая пучком на мишени составляла ~0.8 МДж/м^2. Отметим, что порог плавления вольфрама составляет около 1.1 МДж м-2 при длительности 0.5 мс, а предельная величина нагрузки для вольфрамового дивертора ИТЭР была принята на уровне 0,5 МДж м-2 в единичном ЭЛМе. В данной серии, на момент написания отчета было совершено около 200 тыс. импульсов. На Рисунке 3 приведены фото вольфрамовой мишени. Слева приведена фотография мишени во время работы пучка. Отчетливо видна раскаленная область, занятая пучком, размер и форма области полностью согласуются с формой катода электронной пушки. Справа приведено фото мишени без пучка, после двух серий экспериментов. Видно, что вследствие более чем 10^6 импульсов нагрева область, подвергшаяся воздействию пучка сильно эродировала. На протяжении приведенных экспериментальных серий осуществлялся контроль параметров пучка. При работе на частоте 20 Гц наблюдались небольшое уменьшение тока пучка, связанные с охлаждением поверхности катода за счет эмиссии электронов (среднее по всем выстрелам значение тока составило 1.8 А при дисперсии 0.09 А). При частоте импульсов 5 Гц эмиссионный ток имел стабильную величину. Пример динамики среднего за импульс тока эмиссии в течении одного рабочего дня приведен на Рисунке 4. На левом графике приведена зависимость среднего за импульс тока эмиссии от номера выстрела. Нарастание и спад тока, отмеченные красным цветом связанны с включением и выключением накала в начале и конце рабочего дня соответственно. На правом графике приведено распределение этих же выстрелов по величине среднего тока эмиссии. Выстрелы, полученные при включении/выключении накала не учитывались. Среднее за день значение тока составило 2.35 А при дисперсии 0.01 А. Важнейшим результатом приведенной зависимости является стабильная величина тока эмиссии в течении всей экспериментальной серии. На основе полученных результатов можно сделать вывод что, при облучении пучком электронов вольфрамовой мишени в режиме работы с частотой повторения импульсов 5 – 20 Гц и полном числе импульсов более 1 млн деградации характеристик термоэмиссионного катода не наблюдается. Системы экспериментального стенда (высоковольтный модулятор, питание накала катода, питание магнитного поля, вакуумные системы, измерительные системы и т.д.) так же продемонстрировали стабильную работу на протяжении всего цикла экспериментов. На основе полученных результатов можно заключить, что источник электронного пучка на основе накаливаемого катода позволяет создавать на поверхность вольфрамовой мишени импульсные тепловые нагрузки с требуемыми параметрами: до 1 МДж/м^2, субмиллисекундной длительности импульса и размере облучаемой площади ~ 1 см^2, при частоте импульсов 10-20 Гц. При совокупном числе импульсов нагрева вольфрамовой мишени ≥ 10^6 признаков деградации эмиссионных свойств катода не обнаружено. Получение большего числа импульсов нагрева (≥ 10^7) для данной схемы видится реализуемым и является вопросом только длительности эксперимента. Таким образом, все цели и задачи проекта успешно выполнены.