Development of light atomic injector for beam emission spectroscopy (BES) diagnostic of Uragan-2M torsatron

The improvement of the light atomic injector for beam emission spectroscopy (BES) diagnostic for Uragan-2M was held. The investigation was carried out with the energy of the sodium ion beam was 20…25 keV, the ion current up to 2 mA, and the beam diameter of 15…20 mm with 2 types of neutralizers. Neutralization of the beam was carried out on sodium vapor at an evaporator temperature of up to 300 °C. The neutralization efficiency is now near 60…80 % for Na ion current 1.5…2 mA and 20…25 keV beam energy.Проведено випробування інжектора легких атомів для пучково-емісійної спектроскопії (ПЕС) для діагностики торсатронa Ураган-2М. Дослідження проводилися з енергією пучка іонів натрію 20…25 кэВ іонним струмом до 2 мА та діаметром пучка 15…20 мм з двома типами нейтралізаторів. Нейтралізація пучка проводилася на парах натрію за температурою випарника до 300 °С. Ефективність нейтралізації на даний час становить 60…80 % для іонного струму натрію 1,5…2 мА та енергії пучка 20…25 кеВ.Проведены испытания инжектора легких атомов для пучково-эмиссионной спектроскопии (ПЭС) для диагностики торсатрона Ураган-2М. Исследования проводились при энергии пучка ионов натрия 20…25 кэВ ионным током до 2 мА и диаметром пучка 15…20 мм с двумя типами нейтрализаторов. Нейтрализация пучка проводилась на парах натрия при температуре испарителя до 300 °С. Эффективность нейтрализации в настоящее время составляет 60…80 % для ионного тока натрия 1,5…2 мА и энергии пучка 20…25 кэВ

The development of light ion injector for the plasma diagnostic system based on beam emission spectroscopy

The development of light ion injector and neutralizer for the BES plasma diagnostic system and its first experimental results are presented in this work. This injector will be used for neutral beam plasma diagnostic systems. Diagnostic systems based on neutral beams of Li or Na atoms can be used to study the spatial plasma density profiles, impurity ions and magnetic field distribution in the border region of the plasma fusion devices. This method is based on the detection of the probe beam glow of atoms excited by the plasma electrons. These diagnostic systems consist of two main parts – the neutral beam injector (including the ion beam accelerator and neutralizer) and the secondary light signal registration system. Light ion beam accelerator based on the five-electrode ion-optical system, in contrast to the classical three-electrode system, delivers beams of lithium or sodium with current 3…5 mA at a beam energy 20…25 keV. The neutralizer is based on the supersonic jet of sodium vapor formed by Laval nozzle. The first experiments of neutralizing the ion beam with a transverse supersonic atomic jet was done.Представлена разработка инжектора легких ионов и нейтрализатора для ПЭС-системы диагностики плазмы и первые экспериментальные результаты. Этот инжектор будет использован для диагностики плазмы с помощью пучка нейтральных атомов. Диагностические системы, основанные на нейтральных пучках атомов Li или Na, могут быть использованы для исследования пространственных профилей плотности плазмы, примесей ионов и распределения магнитного поля в пограничных областях плазмы термоядерных установок. Этот метод основан на регистрации свечения атомов зондирующего пучка, возбуждаемых электронами плазмы. Эти диагностические системы состоят из двух основных частей: инжектора нейтральных атомов (включающего ускоритель пучка ионов и нейтрализатор) и системы регистрации излучения. Ускоритель легких ионов, базирующийся на пятиэлектродной ионно-оптической системе, в отличие от классической трехэлектродной, позволяет получать пучки ионов лития или натрия с током 3…5 мА при энергии пучка 20…25 кэВ. Нейтрализатор основан на сверхзвуковой струе паров натрия, формируемой с помощью сопла Лаваля. Проведены первые эксперименты по нейтрализации пучка ионов с помощью поперечной сверхзвуковой струи.Представлена розробка інжектора легких іонів і нейтралізатора для системи ПЕС діагностики плазми та перші експериментальні результати. Цей інжектор буде використаний для діагностики плазми за допомогою пучка нейтральних атомів. Діагностичні системи, засновані на нейтральних пучках атомів Li або Na, можуть бути використані для дослідження просторових профілів густини плазми, домішкових іонів і розподілу магнітного поля в приграничних областях плазми термоядерних установок. Цей метод заснований на реєстрації світіння атомів зондуючого пучка, збуджуваних електронами плазми. Ці діагностичні системи складаються з двох основних частин: інжектора нейтральних атомів (що включає прискорювач пучка іонів і нейтралізатор) та системи реєстрації випромінювання. Прискорювач легких іонів, який базується на п’ятиелектродній іонно-оптичній системі, на відміну від класичної трьохелектродної, дозволяє отримувати пучки іонів літію або натрію зі струмом 3…5 мА при енергії пучка 20…25 кеВ. Нейтралізатор заснований на надзвуковому струмені пари натрію, формованої за допомогою сопла Лаваля. Проведені перші експерименти з нейтралізації пучка іонів за допомогою поперечного надзвукового струменя

HIBP diagnostic for Uragan-2M stellarator

The project of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic system for stellarator Uragan-2M is presented. The device Uragan-2M is the flexible torsatron machine with small helical ripples and considerably high size and magnitude of the magnetic field (R = 170 cm, ape = 22 , B0 = 0.8…2.4 T, l = 2, m = 4). Necessary calculations by using the computer code made in HIBP group to optimize HIBP diagnostic set for stellarator Uragan-2MПредставлено проект системи діагностики зондування плазми пучком важких іонів (ЗППВІ) для стеларатора Ураган-2М. Установка Ураган-2М являє собою гнучкий торсатрон з малими гелікоїдальними гофрами, з великими розмірами й величиною магнітного поля (R = 170 см, ape = 22 см, B0 = 0.8...2.4 T, l = 2, m = 4). З метою оптимізації параметрів діагностичного пристрою для стеларатора Ураган-2М проведено розрахунки з використанням комп’ютерних програм, які були розроблені групою ЗППВІ- діагностики.Представлен проект системы диагностики зондирования плазмы пучком тяжелых ионов (ЗППТИ) для стелларатора Ураган-2М. Установка Ураган-2М представляет собой гибкий торсатрон с малыми геликоидальными гофрами, с большими размерами и величиной магнитного поля (R = 170 см, ape = 22 см, B0 = 0.8...2.4 T, l = 2, m = 4). С целью оптимизации параметров диагностического устройства для стелларатора Ураган-2М проведены расчеты с использованием компьютерных программ, разработанных в группе ЗППТИ- диагностики

Investigations of thermo-ionic emitters of heavy alkali metals for diagnostic injector of “Uragan-2M” stellarator

The results of solid-state thermo-ionic emitters of Cs⁺ and Tl⁺ ions investigations are presented. These emitters are planned to use in heavy ion beam diagnostic system for “Uragan-2M” stellarator. According to estimations for HIBP diagnostic system operations it is necessary to have primary beam current up to 0.5 mA. The aim of these investigations was determination of emission rate, mass-spectrum of ion beam during the beam extraction time and heavy ion beam current stability in area of 0.5 mA.Представлено результати досліджень твердотілих термоемітерів важких іонів Cs⁺ та Tl⁺ . Цей тип емітерів планується використати у діагностичному комплексі на стеллараторі «Ураган-2М». Згідно з проведеними розрахунками для роботи діагностичного комплексу на пучках важких іонів необхідна величина первинного струму біля 0.5 мА. Метою досліджень було визначення емісійної здатності емітерів, масового спектру потоку іонів у процесі відбору струму та стабільності величини струму іонів важких металів у режимі 0.5 мА.Представлены результаты исследований твердотельных термоэмиттеров тяжелых ионов Cs⁺ и Tl⁺. Данный тип эмиттеров планируется использовать в диагностическом комплексе на стеллараторе «Ураган-2М». Согласно проведенным расчетам, для работы диагностического комплекса необходима величина первичного тока ионов порядка 0.5 мА. Целью исследований было определение эмиссионной способности эмиттера, массового спектра потока ионов в процессе отбора тока и стабильности величины тока ионов тяжелых металлов в режиме 0.5 мА

HIBP diagnostic injectors for Uragan-2M and TJ-II stellarators

The testing and first operations of the Heavy Ion Beam Probe (HIBP) plasma diagnostic injectors for stellarator Uragan-2M and TJ-ІІ is presented in this work. The increasing of plasma density in modern fusion devices up to (3...7)×10^19m^-3 (TJ-ІІ and T-10) leads to huge probing ion beam absorption in central plasma area. One way to obtain the HIBP information from plasma centre is the increasing of primary ion beam current. A new modification of HIBP injectors for TJ-ІІ and Uragan 2M stellarators was developed and tested in IPP NSC KIPT with energy up to 100 keV and ion current up to 300 μA

The first operation of the heavy ion beam probing diagnostic (HIBP) on the Uragan-2M torsatron

The Heavy Ion Beam Probing (HIBP) diagnostic system has been installed and operates now on the Uragan-2M torsatron for the first time in Ukraine. The cesium ion beam with energy range of 17…120 keV and ion current of 10…150 μA was used in the first experiments for tracing the probing beam through torsatron magnetic field (0.39…0.4 T). The secondary ion beam with intensity in the range of 30…100 nA was detected on the first deflecting plate of the secondary beam-line according to preliminary calculations by using 80 keV primary beam energy and 100 μA of primary ion current. The primary beam with energy range of 17…20 keV (Ibeam≈10 μA) was traced through torsatron magnetic field towards the analyzer detection plates.Впервые в Украине введена в строй система диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на торсатроне Ураган-2М. В первых экспериментах по проведению зондирующего пучка через магнитное поле торсатрона (0,39…0,4 Тл) использовался первичный пучок ионов цезия с энергией 17…120 кэВ и током 10…150 мкА. В соответствии с ранее проведенными расчетами осуществлена регистрация двукратного ионизованного пучка ионов цезия на первую отклоняющую пластину вторичного ионопровода (ток 30…100 нА) при энергии первичного пучка 70…80 кэВ и токе 100 мкА. Осуществлено проведение первичного пучка с энергией 17…20 кэВ (ток 10 мкА) через магнитное поле торсатрона до детекторных пластин анализатора.Вперше в Україні введено в дію систему діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів на торсатроні Ураган-2М. У перших експериментах з проведення зондувального пучка крізь магнітне поле торсатрона (0,39… 0,4 Т) застосовано первинний пучок іонів цезію з енергією 17…120 кеВ та струмом 10…150 мкА. Згідно з попередніми розрахунками проведено реєстрацію вторинного пучка на першу пластину, яка відхиляє іони у вторинному іонопроводі (струм 30…100 нА) а енергії первинного пучка 70…80 кеВ та струму іонів 100 мкА. Здійснено проведення первинного пучка з енергією 17…20 кеВ (струм 10 мкА) крізь магнітне поле торсатрона до детекторних пластин аналізатора

Features of HIBP diagnostics application to stellarator-like devices

Features of heavy ion beam probe application to stellarator-like devices have been connected with specific stellarator characteristics: zero (negligible) plasma current, relatively high poloidal and stray magnetic fields, toroidal asymmetry of magnetic surfaces and various operational regimes connected with different magnetic configurations. This paper shows how to decrease the errors in HIBP measurements due to these disadvantages. Absence of the plasma current in stellaratorlike devices gives possibility to make secondary ion beam energy analyzer calibration in situ in each plasma shot. This advantage improves accuracy of plasma potential measurements by HIBP diagnostic on TJ-II stellarator.Можливості застосування діагностики плазми за допомогою пучка важких іонів у пристроях стеллараторного типу зв’язанізі специфічними характеристиками стеллараторів: практично нульовий струм плазми, відносно високізначення полоідальних і розсіяних магнітних полів, тороідальна асиметрія магнітних поверхонь; і різними режимами роботи з різними магнітними конфігураціями. Показано, як можна знизити рівень похибок НІВР вимірювань, зв’язаних з цими несприятливими умовами. Відсутність струму плазми у пристроях стеллараторного типу дає можливість проводити калібровку аналізатора енергій вторинного пучка іонів у кожному плазмовому розряді. Це дозволяє збільшити точність вимірювань потенціалу плазми за допомогою пучка важких іонів на стеллараторі TJ-II.Возможности применения диагностики плазмы с помощью пучка тяжелых ионов в установках стеллараторного типа связаны со специфическими характеристиками стеллараторов: практически нулевой ток плазмы, относительно высокие значения полоидальных и рассеянных магнитных полей, тороидальная ассиметрия магнитных поверхностей; и различными режимами работы с разными магнитными конфигурациями. Показано, как можно снизить уровень ошибок HIBP измерений, вызванных этими неблагоприятными условиями. Отсутствие тока плазмы в установках стеллаторного типа дает возможность проводить калибровку анализатора энергий вторичного пучка ионов непосредственно в каждом плазменном разряде. Это позволяет увеличить точность измерения потенциала плазмы с помощью пучка тяжелых ионов на стеллараторе TJ-II

Heavy ion beam probe design study for TCABR

The Heavy Ion Beam Probe (HIBP) diagnostic is known as a unique tool for the direct plasma electric potential measurements. It gives also information on plasma density, temperature and current profile. The method is based on the injection of single charged ion beam into the plasma and the registration of the double charged particles born due to collisions with the plasma electrons. The area of the ionization in plasma is the sample volume of the plasma potential measurements. The position and the size of the sample volume are determined by the calculation of the trajectories of the probing particles. Three schemes have been analysed: Cs⁺, Tl⁺ ion and neutral injection for TCABR parameters: B0 = 1.5 T, Ipl = 135 kA. The calculations show that ion probing allows getting radial profiles of TCABR plasma parameters with the injection angle fast scan system. In all cases of ion beam injection we must use a curved beam line for ion beam transportation from last steering plates towards upper port. The primary ion beam injector must be situated out of high magnetic field area and its length is about 1.5m. The energy range (less than 100 keV for Cs⁺, or Tl⁺) allows using compact and cheap ion gun equipmenСистема зондування плазми пучком важких іонів відома як унікальний інструмент для прямих вимірювань потенціалу плазми. Вона також дозволяє одержувати інформацію про густину плазми, температуру і профіль току. Метод заснований на інжекції пучка однозарядних іонів у плазму та реєстрації двозарядних часток, утворених у результаті зіткнень з електронами плазми. Область іонізації у плазмі визначає елементарний об’єм, у якому здійснюється вимірювання потенціалу плазми. Положення і розмір елементарного об’єму визначається за допомогою розрахунків траєкторій зондуючих часток. Проаналізовано три варіанти: інжекція іонів Cs⁺, Tl⁺ та нейтральних атомів для параметрів TCABR: B0 = 1.5 T, Ipl = 135 кA. Розрахунки показують можливість одержання профілів параметрів плазми TCABR за допомогою системи швидкого сканування по кутам інжекції іонного пучка. У всіх випадках інжекції іонного пучка необхідно застосування вигнутого іонопроводу для транспортування іонного пучка від вихідних відхиляючих пластин до порту токамака. Інжектор первинного іонного пучка повинен бути розташований поза областю сильного магнітного поля , а його довжина буде біля 1,5 м. Енергія іонного пучка (біля 100 кеВ для Cs⁺ або Tl⁺) дозволяє застосувати компактний и дешевий іонний інжектор.Система зондирования плазмы пучком тяжелых ионов известна как уникальный инструмент для прямых измерений потенциала плазмы. Она так же позволяет получать информацию о плотности плазмы, температуре и профиле тока. Метод основан на инжекции пучка однозарядных ионов в плазму и регистрации двухзарядных частиц, образующихся в результате столкновений с электронами плазмы. Область ионизации в плазме определяет элементарный объем, в котором происходит измерение потенциала плазмы. Положение и размер элементарного объема определяются с помощью расчета траекторий зондирующих частиц. Проанализировано три варианта: инжекция ионов Cs⁺, Tl⁺ и нейтральных атомов для параметров TCABR: B0 = 1.5 T, Ipl = 135 kA. Расчеты показывают возможность получения профилей параметров плазмы TCABR с помощью системы быстрого сканирования по углу инжекции ионного пучка. Во всех случаях инжекции ионного пучка необходимо использование изогнутого ионопровода для транспортировки ионного пучка от выходных отклоняющих пластин до порта токамака. Инжектор первичного ионного пучка должен быть расположен вне области сильного магнитного поля , а его длина составит около 1,5 м. Энергия ионного пучка (около 100 кэВ для Cs⁺ или Tl⁺) позволяет использовать компактный и дешевый ионный инжектор