O National Institutes of Natural Sciences Institute for Fusion Science (NIFS) conseguiu revelar o fluxo de íons de hidrogênio negativos usando uma combinação de lasers infravermelhos e sondas eletrostáticas no plasma de fonte de íons, que gera um feixe de íons de hidrogênio negativo. Esta é a primeira vez no campo da pesquisa de fusão que o fluxo de íons detalhado, que muda de direção e se move em direção à direção do feixe na fonte de íons, foi demonstrado experimentalmente.

Antecedentes da Pesquisa

A injeção de feixe neutro (NBI) é um método para aumentar a temperatura do plasma e conduzir correntes em plasmas de fusão confinados magneticamente por meio da injeção de feixes neutros de hidrogênio / deutério. Conforme o tamanho do plasma aumenta, uma energia de feixe mais alta é necessária para depositar feixes neutros na região central do plasma confinado. A eficiência de neutralização do feixe de íons de hidrogênio / deutério positivo acelerado com NBI convencional diminui drasticamente com energia de mais de 100 keV. Por outro lado, Feixes de íons de hidrogênio / deutério negativos sustentam a eficiência de neutralização independente de energia de ~ 60%. Consequentemente, NBI baseado em íons negativos são indispensáveis ​​para dispositivos recentes de confinamento de plasma em grande escala. A fim de construir NBI baseado em íons negativos com energia de 190 keV, Os pesquisadores do NIFS foram os pioneiros no desenvolvimento de fontes de íons negativos.

Duas melhorias significativas foram trazidas para a fonte de íons negativos NIFS. Um é o aumento da corrente de íons negativos otimizando a configuração magnética para confinamento de plasma na fonte de íons. A segunda melhoria é o desenvolvimento de um acelerador de feixe original equipado com o eletrodo de abertura de fenda, cuja transparência do feixe é duas vezes maior do que o eletrodo de abertura circular convencional. Combinando essas duas ideias inovadoras, o desempenho de injeção de feixe mais alto do mundo foi alcançado com a potência do feixe de 6,9 ​​MW na energia do feixe de 190 keV, como mostrado na Fig. 1.

Investigação aprofundada, Contudo, é necessário para obter maior desempenho e estabilidade para a fonte avançada de íons negativos a ser adotada para dispositivos de fusão futuros. Além disso, o tamanho da fonte de íons é muito grande para aplicar uma abordagem de tentativa e erro. A abordagem de escalonamento também não é aplicável, porque o caminho livre médio de um elétron é muito mais curto do que a fonte de íons real para NBI e uma fonte de íons com o tamanho menor do que o caminho livre médio tem características diferentes. Esses desenvolvimentos convencionais tornam-se difíceis de alcançar um progresso significativo no desempenho. Por esta razão, o grupo NIFS NBI iniciou pesquisas que enfocam o comportamento de íons de hidrogênio negativos dentro do plasma fonte de íons.

No caso da fonte de íons negativos, a pequena quantidade de césio é injetada na fonte de íons e a superfície adsorvida a césio do chamado "eletrodo de plasma" torna-se ativada para transferir o elétron para átomos de hidrogênio e íons positivos de hidrogênio que estão colidindo na superfície. Conforme mostrado na Fig. 2, essas partículas são convertidas em íons negativos na superfície e retrocedem na direção oposta à do feixe. O mecanismo de como os íons de hidrogênio negativos mudam a direção de sua velocidade e são extraídos como um feixe não foi esclarecido. Além disso, também não foi esclarecido de qual parte da superfície do eletrodo de plasma o íon de hidrogênio negativo é extraído como um feixe. Até este ponto, quanto aos processos relativos à produção do feixe através da extração de íons de hidrogênio negativos, embora muitas simulações tenham sido realizadas, como inúmeros processos físicos estão relacionados a este problema, ainda não obtivemos resultados que ajudem a explicar os resultados experimentais.

Resultados da pesquisa

Na grande fonte de íons de hidrogênio negativo no NIFS, vários tipos de diagnósticos estão disponíveis para medir a densidade negativa de íons de hidrogênio, densidade de elétrons, e outras quantidades. Essas grandezas físicas podem ser medidas em detalhes espacial e temporalmente. Os comportamentos dos íons de hidrogênio negativos podem ser esclarecidos na extração do feixe. Até agora, esses comportamentos eram difíceis de medir experimentalmente.

Acompanhando a extração do feixe, a distribuição espacial do fluxo dos íons de hidrogênio negativos foi investigada pela medição do fluxo de íons de hidrogênio negativos com o uso de uma sonda eletrostática do tipo composto com quatro eletrodos do tipo agulha irradiados por pulso de laser.

Essas operações foram realizadas em vários lugares, e, durante a extração do feixe, investigamos como o fluxo de íons de hidrogênio negativos mudou. Nos resultados dessa investigação, foi esclarecido experimentalmente que os íons de hidrogênio negativos gerados no eletrodo de plasma se movem para longe do eletrodo, subsequentemente, faça uma inversão de marcha, e flua em direção ao orifício de extração do feixe onde o campo de extração do feixe é aplicado (ver Figura 3). Esta característica dos íons negativos nunca foi observada antes deste experimento. Esclarecer a configuração detalhada do fluxo de íons de hidrogênio negativo é um resultado valioso para pesquisas em física e tecnologia.

O resultado desta pesquisa foi relatado na 26ª Conferência de Energia de Fusão da Associação Internacional de Energia Atômica (IAEA) realizada em Kyoto, Japão de 17 a 22 de outubro, 2016. Além de alcançar o sucesso na melhoria do desempenho da fonte de íon hidrogênio negativo, esclarecemos fenômenos físicos experimentalmente detalhados relacionados ao plasma de fonte de íons negativos usando vários diagnósticos para investigar plasma de fonte de íons negativos de várias direções. Esses resultados foram avaliados de forma abrangente, e recebeu o Prêmio NIBS no 5º Simpósio Internacional de Íons Negativos, Feixes e fontes realizada em Oxford, Inglaterra de 12 a 16 de setembro, 2016

Significado da Pesquisa

Ao aplicar o método desenvolvido nesta pesquisa, a medição do fluxo de íons negativos em locais ainda mais próximos do eletrodo de plasma é possível para esclarecer o mecanismo mais detalhado dos íons negativos extraídos como um feixe. O resultado fornece uma orientação para melhorar o desempenho da fonte de íons negativos, bem como uma contribuição importante para o campo de simulação relacionado ao plasma da fonte de íons. Os feixes de íons negativos são amplamente utilizados não apenas na pesquisa de fusão, mas também em aplicações médicas, física de partículas, e propulsão para espaçonaves. Espera-se que os efeitos em cascata desses resultados experimentais e os métodos de diagnóstico recentemente desenvolvidos nesta pesquisa contribuam para o desenvolvimento dessas pesquisas.