Negative Ion Beam Emittance Calculations

Abstract

Компьютерное моделирование находит широкое применение в разработке и оптимизации мощных источников отрицательных ионов для будущих термоядерных реакторов, в частности, ITER. Целью настоящей работы являлось изучение изменений качества генерируемого пучка (характеризуемого параметрами эмиттанса и яркости) в зависимости от геометрии вытяжной системы и выходного напряжения. Для моделирования извлечения ионов Hи электронов из плазменной камеры источника ионов через канал со скошенной поверхностью использовался двумерный метод частиц в ячейке (PIC). Среднеквадратическое значение эмиттанса извлечённого пучка рассчитывалось на основе подхода Часмана и Лапостолле. Дополнительно приводятся ионно-лучевые фазовые пространственные изображения ионного пучка. Рост эмиттанса ионного (электронного) пучка наблюдался при увеличении как радиуса вытяжного канала, так и наклона его скошенной поверхности. Данное ухудшение качества пучка частично компенсируется увеличением ионным током H-. С другой стороны, увеличение длины вытяжного канала повышает качество пучка. Показано, что в случае большей ширины вытяжного канала пучок ионов Hвключает в себя две составляющих, исходящих из двух различных областей камеры. Из результатов расчёта яркости пучка следует, что оптимальный угол наклона стенки канала для рассматриваемого случая составляет 26o. Уменьшение эмиттанса пучка достигает насыщения при бόльших значениях длины канала. В рассмотренном случае оптимальная длина канала составила h = 1,7 мм. Эволюция эмиттанса и яркости ионного пучка показывает, что наилучшее качество пучка достигается при выходных напряжениях от 0,5 кВ до 2 кВ.