Приборы и техника эксперимента, 2019, № 6, стр. 60-70

3.1. Конструкция источника

Стационарную работу источника обеспечивала непрерывная подача жидкого лития в катод. Расплавленный литий подавался по нагреваемой током трубке 7 (рис. 1) из нержавеющей стали с помощью поршневой системы подачи 8. Трубка герметично присоединялась к входу внутреннего канала в молибденовом корпусе катода. На выходе из корпуса канал расширялся до ∅ 31 мм. В этом расширении осесимметрично, с сохранением проходного отверстия, на винтах закреплялся молибденовый диск ∅ 26 мм. Кольцевой зазор на выходе набивался отрезками вольфрамовой проволоки ∅ 1 мм. На рис. 3 показан внешний вид катода. Катод был изготовлен из молибденовой цилиндрической заготовки. Внутри он имел графитовый подогреватель мощностью 2.5 кВт. При таком подогреве жидкий литий во внутреннем канале испарялся. Пары выходили из катода через зазоры между отрезками вольфрамовой проволоки, создавая среду для разряда.

Рис. 3.

Катод источника литиевой плазмы.

В опытах по и.ц.р.-разделению изотопов лития пришлось отказаться от использования устройства как холловского ускорителя [16], поскольку электрический потенциал катода передавался через плазменный столб на коллекторы лития, что влияло на условия отбора ионов. В связи с этим на расстоянии ≈200 мм от катода был установлен второй анод – сетка из вольфрамовой проволоки ∅ 2 мм (9 на рис. 1), и источником литиевой плазмы являлся дуговой разряд вдоль магнитного поля между катодом и сетчатым анодом (неофициальное название установки – “Сирень” – происходит от цвета литиевой плазмы). Литиевая плазма выходила за сетчатый анод (геометрическая прозрачность 0.65) и распространялась вдоль магнитного поля в зону циклотронного нагрева ионов. Температура сетки в период разряда обычно превышала 1000°С. Для поджига разряда при напряжении 100 В требовалась подача жидкого лития в катод в количестве > 10^–2 г/с. После поджига подачу лития снижали на порядок.

В электрической цепи источника оставался и вольфрамовый анод 10 холловского ускорителя (∅ 60, длина 100 мм). При наличии внешнего продольного магнитного поля на него ответвлялась лишь незначительная часть разрядного тока. Для стабилизации разряда в цепь катода ставилось балластное водоохлаждаемое сопротивление 0.3 Ом, изготовленное из нихромовой ленты толщиной 0.2 мм и шириной 2 см. Стационарное напряжение на разряде в источнике при подаче лития в количестве 10^–3 г/с составляло 20–30 В при токе разряда I_d = 75 А.

Эксперименты по разделению изотопов в основном проводились при подаче лития (1–3) ⋅ 10^–3 г/с. Магнитная катушка 11 холловского ускорителя включалась с целью увеличения сечения плазменной струи в зоне циклотронного нагрева. При включении катушки магнитную индукцию в области катода можно было увеличить до 0.5–0.6 Тл.

Измерения показали [19, 20], что на пролетном расстоянии до зоны циклотронного нагрева ионов (область внутри антенны) плазменный поток полностью освобождается от нейтрального компонента.

3.2. Параметры литиевой плазмы, создаваемой источником

Информация о параметрах литиевой плазмы получена с помощью двойных и одиночных электрических зондов (12 на рис. 1), а также многосеточных электростатических анализаторов ионных энергий типа описанных в [21]. Для диагностики и.ц.р.-нагрева в ионизированном газе анализаторы применялись в работе [10]. Основное препятствие для контактных измерений в металлической плазме – образование проводящих осадков на изоляторах, установленных во вводимых в плазму устройствах. Чтобы избежать образования осадков лития, изоляторы устанавливались в конце углублений и лабиринтов.

Оценки плотности потока литиевой плазмы можно было грубо контролировать по массе литиевого осадка на водоохлаждаемой заслонке отверстия в приемнике плазменного потока (6 на рис. 1). При подаче жидкого лития в катод ~10^–3 г/с и токе разряда I_d = 75 А плотность плазмы на оси плазменного шнура составляла ~10¹² см^–3 , а энергия ионов 5–10 эВ. В среднем по циклу работы около одной трети лития ионизировалось и переносилось на приемник плазменного потока [20].

4.1. Генерация электромагнитных в.ч.-колебаний в плазме

В вакуумной камере располагается в.ч.-антенна, остальные элементы в.ч. колебательной цепи расположены снаружи. Колебания тока в антенне поддерживаются с помощью двух мощных усилителей. В течение эксперимента частота колебаний оставалась постоянной, настройка на циклотронный резонанс проводилась изменением внешнего магнитного поля. Индикацию настройки на резонанс выбранного изотопного иона обеспечивал сигнал с приемника ионов в электростатическом анализаторе. Элементы в.ч.-цепи и индикатор настройки на циклотронный резонанс подробно представлены далее в этом разделе.

4.2. Винтовая антенна

Выбор винтовой антенны для опытов с циклотронным нагревом ионов был связан, прежде всего, с возможностью нагревать ионы по всему сечению плазменного шнура. Традиционно винтовые антенны используются при ионном циклотронном нагреве в расчете на компенсацию объемных зарядов, создаваемых нагретыми ионами, с помощью токов электронов вдоль постоянного магнитного поля [4]. Внешний вид волновой антенны (λ-антенны) показан на рис. 4. Витки антенны были образованы четырьмя параллельными медными трубками 10 × 4 мм с внутренним отверстием 8 × 2 мм, используемым для водяного охлаждения. Длина антенны – 65 см, диаметр – 20 см.

Рис. 4.

Антенна для циклотронного нагрева ионов лития в плазме в сборке с защитной диафрагмой и водоохлаждаемым тубусом.

При амплитуде тока в контурах λ-антенны I_A = = 100 A амплитуда компонент в.ч. магнитного поля в литиевой плазме составляла B_r ≈ B_φ ≈ (3–4) ⋅ 10^–4 Тл [22]. Напряженность радиального электрического поля, создаваемого антенной в приосевой области в вакууме, E_r ~ 50 В/м. Как показали измерения, в плазме поперечное электрическое поле усиливается [23]. Этот эффект предсказан в [6], его расчет выполнен в работе [24].

Во всех опытах от потока нейтралов антенну защищала ниобиевая диафрагма (13 на рис. 1, а также на рис. 4). В некоторых экспериментах с той же целью дополнительно устанавливался водоохлаждаемый тубус (рис. 4).

4.3. В.ч.-цепь и.ц.р.-нагрева

Прямоугольный сигнал задающего генератора, работающего на удвоенной рабочей частоте 2f, поступал на цифровой расщепитель фаз, создающий два сигнала частотой f, сдвинутые друг относительно друга по фазе на ±π/2 (в зависимости от выбранного направления вращения поля). Сигналы поступали на входы двух идентичных транзисторных усилителей мощности. Последние через в.ч.-фидеры и трансформаторы были соединены с соответствующими антенными контурами. Каждый усилитель мог передавать в антенный контур до 2 кВт в.ч.-мощности. Электрическая схема в.ч.-цепи представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Электрическая схема возбуждения электромагнитных полей в зоне нагрева ионов.

Усилители в.ч.-мощности работают на согласованную омическую нагрузку (в нашем случае 50 Ом). Для передачи в.ч.-мощности, как правило, используют коаксиальные кабели с таким же характеристическим импедансом (50 Ом). На конце такой передающей линии также должна стоять активная нагрузка (50 Ом). В нашем случае антенна является высокоомной индуктивной нагрузкой с малой активной компонентой. Для согласования импеданса такой нагрузки с активным сопротивлением 50 Ом применялся согласующий в.ч.-трансформатор на тороидальном ферритовом сердечнике (Тр1 и Тр2).

В.ч.-кабель нагружался на первичную обмотку трансформатора, имеющую, как правило, 4–5 витков. Вторичная обмотка (один виток) нагружалась на последовательный колебательный контур, состоящий из индуктивности антенной рамки и нескольких параллельных конденсаторов К15У-1 (рис. 2). Емкость конденсаторов подбиралась на последовательный резонанс с индуктивностью антенны на заданной частоте (преимущественно 655–658 кГц). В этом случае реактивная компонента импеданса антенны исчезала, а активная компонента трасформировалась до уровня, близкого к 50 Ом. Необходимо отметить, что для нормальной работы в.ч.-системы частота резонанса обоих плеч антенны должна быть одинакова, поэтому резонансные частоты плеч подстраивались на одну частоту.

Особенностью двухконтурной спиральной антенны является значительная взаимная индуктивность между ее плечами. Это приводит к тому, что при возбуждении антенны напряжениями со сдвигом фаз 90° сдвиг фаз токов плеч антенны оказывается отличным от 90°. Чтобы преодолеть этот эффект, была применена искусственная отрицательная взаимная индуктивность, состоящая из двух витков с токами от различных плеч. Эти витки отстояли друг от друга на регулируемом расстоянии. Внешний вид согласующих трансформаторов и взаимного балансировочного индуктора показан на рис. 6. Развязка взаимной индуктивности плеч антенны с помощью регулируемой компенсаторной взаимной индуктивности позволяла поддерживать сдвиг фаз токов 90° при начальном сдвиге фаз напряжений 90° во всех режимах работы установки.

Рис. 6.

Внешний вид согласующих трансформаторов и балансировочной взаимной индуктивности. 1 – катушка магнита установки; 2 – согласующий трансформатор; 3 – взаимная индуктивность.

В.ч.-токи в плечах антенны измерялись с помощью трансформаторов тока (рис. 5), выполненных также на ферритовых кольцах. Коэффициент трансформации составлял, как правило, 1:100. Вторичная обмотка трансформатора тока (100 витков) нагружалась на низкоомное низкоиндуктивное соротивление (1–2 Ом). Сигнал с трасформаторов токов обоих плеч подавался на двухлучевой осциллограф, где регистрировались амплитуды и фазы токов антенны.

4.4. Диагностика ионного циклотронного резонанса в плазме

Для настройки процесса циклотронного нагрева ионов в экспериментах использовался многосеточный анализатор поперечных энергий, пригодный для работы в литиевой плазме [9, 11]. Циклотронная частота иона с нулевой продольной скоростью ω_ci = eB/M_i , где e – заряд иона, M_i – его масса, B – индукция магнитного поля (в практических целях удобна формула ω_ci ≈ (Z/A) ⋅ 10⁴H, где Z – кратность заряда иона, A, а.е.м. – его масса; H, Э – напряженность магнитного поля). Настройка на резонанс при заданной частоте в.ч.-колебаний ω_ci проводилась путем изменения внешнего магнитного поля. Резонансное магнитное поле для нагрева ионов вследствие эффекта Доплера не совпадает с величиной B = ω_ciM_i/e. Кроме того, величина резонансного поля зависит от направления продольного распространения волны тока в антенне [25] (следствие ее направленности [17]). Ориентиром для выбора магнитного поля, при котором следует отбирать пробы обогащенного лития, служило положение резонансной кривой в сигнале анализатора [11, 26]. В качестве примера на рис. 7 приведены резонансные кривые, полученные при частоте нагревающего поля  f = 580 кГц. Опыт показал, что максимальное обогащение лития изотопом ⁶Li наблюдается в полях, меньших резонансного на 0.01–0.02 Тл. Энергия нагретых ионов лития, измеренная с помощью многосеточного анализатора поперечных энергий, составляла 100–200 эВ.

Рис. 7.

Сигналы электростатического анализатора ионного тока в режиме циклотронного нагрева ионов (f = 580 кГц) в зависимости от внешнего магнитного поля [26]. Задерживающий потенциал на приемнике ионов V_r = 60 В (1), 130 В (2), 160 В (3). Вертикальными линиями отмечены значения резонансных магнитных полей для ионов ⁶Li⁺ и ⁷Li⁺ с нулевой продольной скоростью.

5.1. Физические основы достижения изотопической селективности в отборе ионов на коллектор

Достижение изотопической селективности в отборе лития из плазменного потока в и.ц.р.-методе разделения обусловлено селективным нагревом ионов – изотопов. Следовало ожидать, что в плазме с двухтемпературными ионами осадок вещества на поверхность, расположенную параллельно скорости потока, будет обогащен нагретым компонентом: у нагретых частиц больший ларморовский радиус ${{\rho }_{{\text{L}}}} = {{M}_{i}}{{v}_{i}}_{ \bot }{\text{/}}eB$, где ${{v}_{i}}_{ \bot }$ – скорость движения иона поперек магнитного поля. Вследствие этого нагретые ионы будут собраны на коллектор из слоя большей толщины (в практических целях удобна формула ρ_L, см ≈ 143$\sqrt {{{W}_{ \bot }}A} $/ZH, где W_⊥, эВ – энергия движения иона поперек магнитного поля). Опыт полностью подтверждает это предположение. Дальнейшее повышение селективности (на порядок) достигается приложением к коллектору положительного, отталкивающего ионы, электрического потенциала V_r. При этом, однако, уменьшается количество собранного вещества.

Прообразом коллектора нагретых ионов стал измеритель величины поперечных к магнитному полю ионных энергий [27] (альтернатива многосеточному анализатору [21]). Конструкция отборника в и.ц.р.-методе разделения изотопов впервые представлена в патентной заявке [6]. Однако эту конструкцию рационально использовать только в плазменных столбах большого диаметра (0.3–0.5 м), так что представленные далее цилиндрические конструкции, применявшиеся в потоке литиевой плазмы ∅ 5–6 см, существенно отличаются от нее. Были проведены сравнительные эксперименты и с плоским коллектором (см. ниже), который можно рассматривать как элемент конструкции, описанной в [6].

5.2. Измерения изотопного состава и массы проб лития

В одном отношении работа с литием более проста, чем работа с другими металлами: литий взаимодействует с водой. Для определения изотопного состава лития водные растворы литиевых проб анализировались на масс-спектрометре МИ1201, изготовленном на Сумском приборостроительном заводе “Электрон” (Украина). Этот прибор оборудован камерой для поверхностной ионизации атомов на накаленных вольфрамовых полосках. В камеру одновременно помещается 11 проб. Точность определения концентрации изотопов лития в пробах составляла ±3% отн. Количество лития в пробах определялось путем титрования в 0.01 н. растворе H₂SO₄ с точностью ±10%. Для измерения малых количеств лития использовался атомный эмиссионный спектрометр с индуктивно связанной плазмой (ICP-AES, Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometer, Perkin-Elmer Corporation).

Проверкой этих измерений служили вычисления концентрации изотопа ⁶Li при суммировании всех проб, взятых в данном эксперименте с коллекторов обогащенного и обедненного лития. Ее значение должно быть близким к концентрации ⁶Li в потоке питания. На последующих рисунках (рис. 8–рис. 10) вычисленная величина указана под знаком Σ. В большинстве экспериментов использовался литий со следующей исходной концентрацией изотопов: ⁶Li (7.5%), ⁷Li (92.5%).

Рис. 8.

Схема отборника с коллектором обогащенного лития в виде полого цилиндра (а), где приведены результаты одного из экспериментов: количество лития в осадке (мг) и процентное содержание изотопа ⁶Li в нем, под знаком Σ указано полное количество собранного лития и среднее содержание изотопа ⁶Li; б – вид входа в отборник.

Рис. 9.

Схема отборника с коллектором обогащенного лития в виде сплошного цилиндра, где приведены результаты одного из экспериментов [23]: масса осадков (мг) и содержание ⁶Li (%). Для удобства записи результатов на схеме диаметр коллектора отвала увеличен вдвое. Результаты отбора при V_r = 0 В выделены полужирным шрифтом, при V_r = +60 В – курсивом.

Рис. 10.

а – распределение осадка (масса в мг) и концентрации изотопа ⁶Li (в %) по поверхности плоского отборника, осадки с обеих сторон пластин суммированы, V_r = +20 В (слева показана форма экрана перед коллектором продукта); б – отборник с плоским коллектором обогащенного лития после одного из экспериментов (для наглядности пластина коллектора продукта повернута по часовой стрелке на π/2).

По результатам измерений изотопного состава проб лития рассчитывался коэффициент разделения α = c(1 – c₀)/c₀(1 – c), где с – концентрация изотопа ⁶Li в пробе, с₀ – его концентрация в начальном потоке (питании). В промышленных методах разделения величину α рассчитывают относительно концентрации выделяемого изотопа в отвале, так что мы занижали величину α. Малые разделительные эффекты, α < 2, также характеризуют коэффициентом обогащения ε = (α – 1) ⋅ 100%.

5.3. Цилиндрические коллекторы

При работе с литием все элементы коллектора должны охлаждаться: литий – легко испаряемый металл [28]. Именно необходимость охлаждения элементов отборника затрудняла создание “идеальной” конструкции (“идеальной” в отношении полноты сбора нагретых ионов). На рис. 8a представлена схема полого цилиндрического коллектора, применявшегося в [29]. На схеме приведены результаты одного из экспериментов по отбору лития, обогащенного и обедненного изотопом ⁶Li. Время отбора составляло 3 мин (таким оно было и во всех описанных опытах). На рис. 8б показан вид торца этого отборника, поясняющий схему. Основным элементом отборника служит водоохлаждаемый полый цилиндр из нержавеющей стали ∅ 32 × 25 мм – коллектор обогащенного лития (по принятой разделительной терминологии – коллектор продукта, collector of product).

Как показывает опыт, тепловые нагрузки на коллектор продукта (> 1 Вт/cм²) связаны в большей степени не с ионным, а с электронным током. Поток электронов достигает коллектора несмотря на наличие экрана (рис. 8а). В этой конструкции экраном служит водоохлаждаемое кольцо размером ∅ 38 × × 21 мм и толщиной 4 мм. Экран предназначен для защиты коллектора от прямого попадания потока плазмы с еще не разделенными нагретыми и холодными ионами. В данной конструкции экран удерживают трубки водяного охлаждения (рис. 8б). Достаточно высокий экран способствует увеличению коэффициента разделения α. При высоте экрана h > ρ_Lc (ρ_Lc – ларморовский радиус холодного иона – изотопа ⁷Li⁺) количество холодных ионов, поступающих на коллектор продукта, должно существенно уменьшиться. В этой конструкции использовались два коллектора лития, обедненного изотопом ⁶Li (рис. 8a), – коллекторы отвала, waste collectors, по принятой терминологии.

Конструкция коллектора продукта в виде сплошного цилиндра ∅ 16 мм представлена на рис. 9. Такой коллектор позволял добиться высоких концентраций ⁶Li – до 83% (α ≈ 60) [12], но при низком коэффициенте извлечения целевого изотопа: γ < 0.1. Коэффициент извлечения γ рассчитывался как отношение количества целевого изотопа (⁶Li) m_c, собранного на коллектор, к количеству этого изотопа m_f, переносимого плазменным потоком за время отбора: γ = m_c(⁶Li)/m_f (⁶Li). Осадок вещества на экране, имеющий концентрацию изотопов, близкую к концентрации в питании, фактически исключается из разделяемого потока. Усиление постоянного магнитного поля в установке и, следовательно, уменьшение ларморовских радиусов ионов позволили бы использовать экраны с меньшей площадью и несколько уменьшить потери разделяемого потока. Данная конструкция применялась во многих экспериментах, в частности в [12]. В некоторых опытах было заметно возрастание количества осадка на трубке коллектора перед отвалом, связанное с распылением осадка на отвале. В связи с этим в дальнейших экспериментах применялась более сложная конструкция приемника отвала, состоящая из трех коаксиальных цилиндров. Эта конструкция представлена на рис. 10. В экспериментах, описанных в данной статье, удобнее было использовать коллектор продукта в виде сплошного цилиндра. Для практических же целей, если увеличить диаметр плазменной струи на 2–3 см, то однозначно следует применить коллектор продукта в виде полого цилиндра. Возможные варианты цилиндрических коллекторов предложены в [30].

5.4. Плоский коллектор

На рис. 10а приведены результаты одного из экспериментов с плоским коллектором продукта. Отдельно показана форма экрана перед коллектором. Этот эксперимент проведен при меньшем разрядном токе I_d в источнике плазмы (I_d = 40 А), когда, в отличие от результатов работы [13], сохраняется поперечная неоднородность осаждения лития и при V_r = + 20 В. Вид отборника с плоским коллектором на рис. 10б поясняет конструкцию. Данный коллектор применялся в экспериментах, выполненных в работе [13]. Экран и коллекторы обогащенного и обедненного лития были изготовлены из меди, и они охлаждались за счет теплоотдачи на осевую трубку, имевшую водяное охлаждение.

5.5. Диагностика вращения плазменного столба

Вращающееся поперечное магнитное поле, наложенное на плазменный столб, находящийся в постоянном продольном магнитном поле, способно возбудить стационарные азимутальные электрические токи (current drive) и, при соответствующем выборе направления вращения поля, уменьшить или даже изменить направление поля внутри плазменного столба (Блевин (Blevin) и Тонеман (Thoneman) [31]). Этот эффект определил одно из направлений управляемого термоядерного синтеза, представленное установками Ротамак (Rotamak [32]).

В недавней работе Ракса (Rax) и Гуро (Gueroult) [33] предлагается использовать комбинацию постоянного и вращающегося магнитных полей с целью центрифужного разделения в замагниченной плазме ионов по массам (имеются в виду изотопы и компоненты отработавшего ядерного топлива). Авторы подчеркнули, что для этого необходимо возбудить вращение всего плазменного столба (ионов и электронов), так что азимутальный ток (цель current drive) в этих условиях может отсутствовать. В известных экспериментах с наложением вращающегося магнитного поля на замагниченный плазменный шнур условия для эффективного вращения ионного компонента пока четко не определены. В качестве возможного механизма для возбуждения азимутального движения ионного компонента рассматриваются электрон-ионные соударения (электронный “ветер”). Можно предположить, что реализации вращения ионного компонента будет способствовать недавняя теоретическая работа [34].

Опыты с плоским коллектором позволяют диагностировать вращение ионного компонента плазмы. На рис. 11 представлена “тень” от коллектора обогащенного лития на коллекторе отвала в отсутствие вращающегося магнитного поля, свидетельствующая об отсутствии вращения шнура плазмы, создаваемого источником плазмы.

Рис. 11.

“Тень” на коллекторе обедненного лития от коллектора обогащенного при выключенном циклотронном нагреве. 1 – места без осадка лития.

На представленной ранее фотографии плоского коллектора обогащенного лития (рис. 10б) заметна “тень” от коллектора обогащенного лития на трубке – держателе коллектора. Фотография свидетельствует об отсутствии вращения шнура плазмы во вращающемся в.ч.-поле.

На основе наблюдений за “тенью” в [13] был сделан вывод о том, что в условиях проведенных экспериментов с литиевой плазмой в антенне длиной ~100 см вращающееся магнитное поле ((3–4) ⋅ 10^–4 Тл, f = 500–700 кГц на частоте, равной ионной циклотронной частоте), селективно нагревающее ионы ⁶Li⁺ в постоянном магнитном поле ≤ 0.25 Тл, не успевает за время пролета привести ионный компонент плазмы с плотностью n_e ~ 10¹² см^–3 в быстрое вращение по азимуту (f < < 5 кГц). Это было дополнительным результатом в исследованиях и.ц.р.-метода разделения. Данное наблюдение позволяет исключить этот небольшой диапазон параметров из поисков эффекта вращения ионов в замагниченной плазме под действием вращающегося магнитного поля.