Mágneses és hőmérsékleti szimulációk proton ionforrás fejlesztéséhez

A témakiírás háttere

A világon üzemelő nukleáris kutatóreaktorok élettartama véges, a következő évtizedben közülük számos le fog állni, ami miatt neutronnyalábot alkalmazó fizikai mérési eljárások lehetetlenülnek el. A neutronnyalábokkal végzett roncsolásmentes anyagtudományi vizsgálatok érzékenysége, felbontása az elmúlt években olyan mértékben növekedett, hogy napjainkban mind az alapkutatásban (mágnességtan, élő szervezetek molekula szerkezetének vizsgálata stb.), mind az ipari felhasználók körében (különböző szilárdsági vizsgálatok) széleskörűen elterjedt.

Alternatív neutronforrásként gyorsító alapú berendezéseket fejlesztenek, melyek néhány MeV – néhány GeV energiájú proton nyalábot ütköztetnek T/Li/Be céltárgyon. Ezeknek a gyorsítóknak az első fokozata egy alacsonyenergiás (30-100 keV, elektrosztatikus), 1-100mA áramú ionforrás, melyet egy vagy több gyorsító fokozat gyorsít a végleges energiára. A belépő ionforrások paraméterei (ionáram, emittancia) meghatározzák az elérhető maximális neutronfluxust, emiatt ezeknek a forrásoknak a fejlesztése alapvető fontosságú.

Kísérleti berendezés

Egy ilyen belépő ionforrás fejlesztése van folyamatban az EK Fúziós Plazmafizika Laboratóriumában. Alapja egy mikrohullámú ECR (electron cyclotron resonance) kisülési kamra permanens mágnesekkel, amiben hidrogén plazmát hozunk létre. A plazma paramétereit a kialakuló mikrohullámú módus, a mikrohullám energiája és a beeresztett hidrogén mennyisége határozza meg (adott mágneses tér esetén). A kialakuló plazma sűrűsége, eloszlása, valamint a kihúzó elektromos tér együttesen határozza meg a kihúzható ionáramot. A cél egy 35keV energiájú, 20mA ionáramú nyaláb előállítása (megfelelő nyalábparaméterekkel), amely a Martonvásáron épülő kompakt neutron forrás belépő nyalábjaként – is – üzemelne.

A kutatás célkitűzése

A kamrában kialakuló mágneses tér alapvető fontosságú a kihúzható ionáram szempontjából. Ezt a kamra körül lévő permanens mágnesek, ill. a kamrát lezáró lágyvas elemek határozzák meg. A hallgató feladata ennek a mágneses térnek a szimulációja, majd a kamrán belül a mágneses tér mérésének megvalósítása és a tér optimalizációja (permanens mágnesekkel).

A kamrán különböző helyeken lyukakat elhelyezve (a mikrohullám hullámhossza alatti átmérővel) lehetséges a kialakuló plazma megfigyelése. A hallgató feladata lesz ennek a mérésnek a megtervezése:

•

lyukak elhelyezkedése, tervezése, modellbe integrálása,

•

direkt optika, leképezés vagy fényszál kiválasztása (figyelembe véve az ablakok fényáteresztő képességének a változását is - kalibrálás).

Megfelelő leképezés esetén a plazma 3D intenzitáseloszlása megmérhető. Ez alapján a hallgató feladata lesz a kamra hőmérsékleti eloszlásának a szimulációja, ill. annak validációja, valamint a plazma intenzitáseloszlás és a kihúzható ionáram közötti összefüggések meghatározása az alábbi paraméterek szerint:

•

mikrohullám energiája,

•

mágneses tér magnitúdója, topológiája,

•

hidrogén gáz áramlás (0.1 – 5 sccm között),

•

kamra hőmérséklet.

Ez egy olyan unikális mérési elrendezés, amelyet ebben a formában még senki nem valósított meg. Ezeknek az összefüggéseknek a kimérése, a tendenciák kimutatása, esetleg azoknak az elméleti értelmezése mind referált folyóirat cikként kell bemutatásra kerüljön.

A 2. gyorsító fokozatba erősen összetartó nyalábot kell belőni, ezért a rendszer részét képezi egy mágneslencse is. Ennek a szolenoidnak a megvalósítása folyamatban van, a hallgató feladata lesz ebben a fejlesztésben, ill. a mérésben való részvétel (mágneses és hőmérsékleti szimulációk).

A megfelelő nyalábfókuszálás mellett a nyaláb emittanciájának is szigorú követelményeknek kell megfelelnie. Ennek a mérése megvalósítható, amennyiben a nyalábot egy hálón keresztül (hűtött) rézlemezre lőjük (pepperpot method), amelynek a hátoldalát hőkamerával képezzük le. A valódi nyalábalak meghatározása lehetséges, amennyiben a rézlemezben a hőterjedést ismerjük. Ennek a szimulációja, valamint abból a tényleges nyalábméret meghatározása a hallgató feladata lesz.

Magnetic and temperature simulations for the development of a proton ion source

Background of the PhD topic

The nuclear research reactors operating in the world have a finite lifetime, and many of them will be shut down in the next decade, making physical measurements using neutron beams impossible. In recent years, the sensitivity and resolution of non-destructive materials science tests using neutron beams have increased to such an extent that they are now widely used in fundamental research (magnetic physics, molecular structure of living organisms, etc.) and by industrial users (various strength tests).

As an alternative neutron source, accelerator-based devices are being developed to collide proton beams of a few MeV - a few GeV on T/Li/Be targets. The first stage of these accelerators is a low-energy (30-100 keV, electrostatic) ion source with a current of 1-100 mA, accelerated to final energy by one or more accelerator stages. The parameters of the input ion sources (ion current, emittance) determine the maximum neutron flux that can be achieved, and therefore the development of these sources is essential.

Experimental setup

Such an input ion source is under development at the EC Fusion Plasma Physics Laboratory. It is based on a microwave ECR (electron cyclotron resonance) discharge chamber with permanent magnets in which hydrogen plasma is generated. The parameters of the plasma are determined by the microwave mode generated, the energy of the microwave and the amount of hydrogen injected (for a given magnetic field). The density and distribution of the plasma generated, together with the electric field to be extracted, determine the ion current that can be extracted. The aim is to produce a beam with an energy of 35keV and an ion current of 20mA (with appropriate beam parameters), which would also serve as the inlet beam for the compact neutron source to be built at Martonvásár.

Research Objectives

The magnetic field in the chamber is essential for the ion current to be extracted. It is created by permanent magnets around the chamber and by soft iron elements sealing the chamber. The student's task is to simulate this magnetic field, then to measure the magnetic field inside the chamber and optimise the field (with permanent magnets). Placing holes (with diameters below the microwave wavelength) at different locations in the chamber makes it possible to observe the plasma as it forms. The student will be responsible for the design of this measurement:

•

location, design and integration of the holes in the model,

•

choosing direct optics, mapping or light fibre (taking into account the variation of the transmittance of the windows - calibration).

With proper mapping, the 3D intensity distribution of the plasma can be measured. On this basis, the student will be responsible for simulating and validating the temperature distribution of the chamber and determining the relationship between the plasma intensity distribution and the extractable ionic current according to the following parameters:

•

microwave energy,

•

magnetic field magnitude, topology,

•

hydrogen gas flow (0.1 - 5 sccm),

•

chamber temperature.

This is a unique measurement setup that has never been implemented in this form before. The measurement of these correlations, the detection of trends, and possibly their theoretical interpretation should all be presented as refereed journal articles.

Accelerator stage 2 requires a strongly holding bundle, so a magnetic lens is part of the system. The realisation of this solenoid is in progress, the student will be responsible for its development and will be involved in the measurements (magnetic and temperature simulations).

In addition to proper beam focusing, the beam emittance must also meet strict requirements. This can be measured by firing the beam through a mesh onto a (cooled) copper plate (pepperpot method), the backside of which is imaged with a thermal camera. It is possible to determine the true bundle shapes if the heat propagation in the copper plate is known. The simulation of this and the determination of the actual bundle size will be the student's task.