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Heavy-ion Beam Transport in Plasma Channels

Neff, Stephan Hans :
Heavy-ion Beam Transport in Plasma Channels.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2005)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Heavy-ion Beam Transport in Plasma Channels
Language: English
Abstract:

Concepts for heavy-ion fusion (HIF) reactors require the transport of kiloampere ion beams over distances of several meters inside the reactor chamber. A possible solution for this task is to use assisted pinched transport (APT) for the final transport of the beam. This scheme uses an adiabatic plasma lens to focus the beam outside the chamber and a plasma channel to transport it inside the reactor chamber towards the fusion target at the center. The plasma channel has three functions: it neutralizes both the space charge and the current of the ion beam and furthermore creates a large azimuthal magnetic field that prevents the beam ions from leaving the channel. The appeal of the APT scheme is that it separates the focusing of the beam from the final transport, thus relaxing the focusing requirements of the beam. The purpose of this study is to demonstrate the creation of long, free-standing channels and to study their magnetohydrodynamical stability and their transport properties for low-current heavy-ion beams inside the channels. It is the result of a collaboration with Lawrence Berkeley National Laboratory and thus contributes to the ARIES fusion reactor study. In combination with the results of detailed transport simulations for high-current heavy-ion beams, which are part of the ARIES study, the results of the experiments make it possible to map out a set of suitable operating parameters for the channel transport of beams with reactor-like parameters, for instance the required discharge current and plasma density. Previous transport experiments at the Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) used a discharge chamber that was 50 cm long and 60 cm in diameter. To get closer to reactor scales the chamber was extended by inserting a 50 cm long chamber section, resulting in a total length of 1 m. Since the prolongation changed the geometry of the chamber and thus the electric fields inside of it, it was necessary to optimize the fields by setting each section of the chamber to a separate potential. The electric setup was optimized with the help of detailed electrostatic calculations for the chamber. The channels are created in a three-step process. After the channel initiation, which guides the discharge along the chamber axis, a prepulse, that is a small discharge, heats the gas on the axis, resulting in a rarefaction and thereby stabilizing the subsequent main discharge. Two methods of channel initiation were used successfully. Laser-initiated channels were created in ammonia and ion-beam initiated channels in various other gases, such as krypton and xenon. The evolution of the channels is consistent with results from a one-dimensional MHD simulation. The channels are stable for normal operating conditions. A detailed study of channels in ammonia revealed that the channels become unstable for high gas densities, when the prepulse can no longer be used. The instabilities show the characteristics of kink instabilities, and their growth is consistent with the predictions of a simple analytical model. Proof-of-principle experiments demonstrate the transport of low-current heavy-ion beams. The transport properties of the channel were studied and found to be consistent with the assumption of a homogeneous current density in the channel, leading to betatron oscillations. In combination with the results of simulations for the transport of high-current beams and theoretical estimates about the growth of beam-plasma instabilities, the experimental results yield an estimate for a suitable set of operating parameters for assisted pinched transport in a fusion reactor.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Gegenwärtige Entwürfe für schwerionengetriebene Trägheitsfusionsreaktoren erfordern Strahlströme von etlichen Kiloampere, die über eine Distanz von einigen Metern in der Reaktorkammer zum Fusionstarget transportiert werden müssen. Eine Möglichkeit, den Strahl zu transportieren, bietet der sogenannte Assisted Pinched Transport. Bei dieser Transportmethode werden die Ionenstrahlen zunächst mit einer adiabatischen Plasmalinse fokussiert und dann in einem Plasmakanal zum Fusionstarget transportiert. Der Plasmakanal erfüllt drei Funktionen: er neutralisiert die Raumladung und den Strom des Ionenstrahls und erzeugt zusätzlich ein sehr starkes azimutales Magnetfeld, das den Strahl am Verlassen des Kanals hindert. Dieses Vorgehen trennt den Fokussiervorgang vom Transport in der Kammer und verringert dadurch die Anforderungen an die Fokussierung des Strahls. Diese Arbeit entstand in Zusammenarbeit mit dem Lawrence Berkeley National Laboratory, das den Assisted Pinched Transport Mode im Rahmen der ARIES Reaktorstudie untersucht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Erzeugung von langen, freistehenden Plasmakanälen und die Untersuchung ihrer Dynamik einschließlich der Entstehung von magnetohydrodynamischen Instabilitäten. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Untersuchung der Strahltransporteigenschaften mit Hilfe von Schwerionenstrahlen, die im Linearbeschleuniger UNILAC der Gesellschaft für Schwerionenforschung erzeugt wurden. In früheren Transportexperimenten wurde eine Entladungskammer mit einem Durchmesser von 60 cm und einer Länge von 50 cm verwendet. Um näher an den Reaktorbedingungen zu sein, wurde die Kammer durch das Einfügen eines neuen Abschnitts um 50 cm verlängert, so dass nun Kanäle mit einer Länge von 1 m erzeugt werden können. Da die Verlängerung die Geometrie der Kammer wesentlich änderte, wurde es notwendig, das elektrische Feld zu optimieren. Aufgrund der Ergebnisse elektrostatischer Rechnungen wurden die drei Abschnitte der Kammer elektrisch isoliert und auf unterschiedliche Potentiale gesetzt, was das Absinken des elektrischen Feldes zur Kammermitte hin wesentlich reduzierte und somit das Erzeugen der Kanäle erleichterte. Die Kanalerzeugung erfolgt in drei Schritten. Im ersten Schritt wird der Kanal initiiert. Dazu wird das Gas entweder mit dem Ionenstrahl ionisiert oder mit einem Laser erhitzt. Da unser Experiment einen Kohlendioxid-Laser verwendet, ist die Laser-Initiierung auf Gase mit einem geeigneten Absorptionsband, wie es zum Beispiel Ammoniak besitzt, beschränkt. Ioneninduzierte Kanäle wurden in vielen Gasen erzeugt, unter anderen Xenon und Krypton. Der Sinn der Initiierung ist es, Überschläge zur metallischen Wand der Kammer zu verhindern. Im zweiten Schritt wird eine kleine Entladung, der Prepulse, ausgelöst. Sie erhitzt das Gas und führt dadurch zu einer Reduktion der Gasdichte entlang der Achse. Das dadurch entstehende Dichteprofil stabilisiert die nachfolgende Hauptentladung, die den Transportkanal erzeugt. Die Entwicklung des Kanals stimmt qualitativ mit Simulationsergebnissen überein, die mit der eindimensionalen magnetohydrodynamischen Simulation Cyclops berechnet wurden. Die Kanäle sind stabil, lediglich bei hohen Gasdichten können Instabilitäten entstehen. Das Wachstum der Instabilitäten wurde in Ammoniak gemessen und ist in guter qualitativer Übereinstimmung mit den Vorhersagen eines einfachen magnetohydrodynamischen Modells. Die Transporteigenschaften des Kanals für Schwerionenstrahlen wurden untersucht und sind in guter Übereinstimmung mit den Erwartungen. Die Transporteigenschaften zeigen, dass die Stromdichte im Kanal homogen ist. Anhand der Meßergebnisse und mit Hilfe von theoretischen Abschätzungen und Simulationen für den Fall hoher Strahlströme konnten geeignete Kanalparameter für das Reaktorszenario abgeschätzt werden.German
Uncontrolled Keywords: Plasmakanal, Strahltransport, Traegheitsfusion, ARIES, Beschleuniger, Strahldiagnostik
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Plasmakanal, Strahltransport, Traegheitsfusion, ARIES, Beschleuniger, StrahldiagnostikGerman
plasma channel, beam transport, inertial confinement fusion, ARIESEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:22
Last Modified: 07 Dec 2012 11:51
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000561
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-5612
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H.H. and Roth, Prof. Dr. Markus
Advisors: Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Refereed: 25 April 2005
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/561
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