Entwicklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Development
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Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Entwicklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Development of a high-frequency ion source for ITER Speth, Eckehart Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching Korrespondierender Autor E-Mail: [email protected] Zusammenfassung Im IPP-Bereich Technologie in Garching läuft zur Zeit ein Entw icklungsprogramm für eine neuartige Ionenquelle zur Plasmaheizung des internationalen Testreaktors ITER mit energiereichen Neutralteilchenstrahlen. Ausgangspunkt hierzu sind, anders als für bisherige Fusionsanlagen, Strahlen aus negativen Ionen. Die Erzeugung, Beschleunigung und anschließende Neutralisation negativer Wasserstoff-Ionen, die im Unterschied zu positiven Ionen sehr fragile Gebilde sind, ist in physikalischer und technischer Hinsicht eine große Herausforderung. Für ITER verlangt sind zudem hohe Teilchenenergien nahezu im Dauerbetrieb. Die bisherigen Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Hochfrequenz-Quelle des IPP auf dem besten Wege ist, als Kandidat für ITER in Betracht gezogen zu w erden. Summary IPP’s Technology Division in Garching is conducting a development programme for the international test reactor ITER – a new ion source for plasma heating by neutral particle beams. In contrast to former devices for ITER negative ion beams are needed. Production, acceleration, and neutralisation of negative hydrogen ions, w hich in contrast to positive ions are very fragile objects, is accompanied by a series of challenging physics and technology problems. In addition, high particle energies and steady state is requested. The results up to now nevertheless indicate, that IPP’s ion source is w ell on the w ay to be chosen as a candidate for ITER. Ziel der Kernfusionsforschung ist es, die Energieproduktion der Sonne auf der Erde nachzuvollziehen und aus der Verschmelzung von Atomkernen Energie zu gew innen. Zum Zünden des Fusionsfeuers muss ein Plasma in Magnetfeldern eingeschlossen und auf Temperaturen über 100 Millionen Grad aufgeheizt w erden. Dazu w erden w irkungsvolle Heizmethoden benötigt, unter denen die so genannte „Neutralteilchenheizung“ eine w esentliche Rolle einnimmt. Hierbei w ird Energie durch Stöße mit sehr schnellen Teilchen übertragen, die von außen in das Plasma eingeschossen w erden. Mit leistungsstarken Teilchenstrahlen aus neutralem Wasserstoff w erden heute Fusionsplasmen auf ein Vielfaches der Sonnentemperaturen aufgeheizt. 1. Neutralisation von Wasserstoffionen Um durch das Magnetfeld ins Innere des Plasmas eindringen zu können, müssen die eingeschossenen © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 1/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Teilchen elektrisch neutral sein. Da das Plasma aus Wasserstoff – Hydrogenium H oder Deuterium D – besteht, muss die eingeschossene Teilchensorte ebenfalls H oder D sein, um das Plasma nicht zu verunreinigen. Nur in Ausnahmefällen w ird das radioaktive Tritium eingeschossen. Außerdem muss die Energie der eingeschossenen Teilchen w esentlich größer sein als die mittlere Energie der Plasmateilchen, d.h. die Plasmatemperatur, damit durch Stöße der schnellen eingeschossenen mit den langsameren Plasmateilchen genügend Energie übertragen w ird. Je nach Größe des Experiments liegen die gew ünschten Temperaturen zw ischen 50 bis 300 Millionen Grad oder 5 bis 30 Kiloelektronenvolt. Die erforderlichen Strahlenergien betragen ca. 50 bis 1000 Kiloelektronenvolt, w as einer Geschw indigkeit zw ischen 3000 und 13000 Kilometer pro Sekunde (für H) entspricht. Die Ionenstrahlen w erden ähnlich erzeugt w ie in der Atom- und Kernphysik, nur mit ungleich höheren Stromstärken (Abb. 1): Aus einer Plasmaquelle w erden positive oder negative Plasmaionen mit einem elektrostatischen Extraktionssystem abgesaugt und durch hintereinander liegende, isolierte metallische Elektroden auf Energien bis zu einem Megaelektronenvolt beschleunigt. Durch Ladungsaustausch der schnellen Ionen an einem Gasvorhang entstehen schnelle Neutralatome mit praktisch derselben Geschw indigkeit, da bei dem Austauschstoß mit den Gasmolekülen kaum Energie verloren geht. Die Umladung ist jedoch nicht vollständig; ein Teil des Strahls bleibt ionisiert. Der neutralisierte Anteil sinkt bei positiven Ionen mit w achsender Geschw indigkeit bzw . Energie. Bei den derzeitigen Experimenten mit H-Energien von 50 oder D-Energien von 100 Kiloelektronenvolt liegt die Umladungsausbeute, d.h. der Neutralisationsgrad, bei etw a 50 Prozent. Die neutralisierten Atome durchdringen das Magnetfeld der Plasmaanlage und w erden durch Stöße mit den Plasmateilchen w ieder ionisiert. Sche m a tische Da rste llung de r Ne utra lte ilche nhe izung. © MP I für P la sm a physik , Ga rching Da sie nun als schnelle Ionen vom Magnetfeld eingefangen sind, können sie durch w eitere Stöße mit den Plasmaionen und -elektronen ihre Energie abgeben und so das Plasma aufheizen. Die Eindringtiefe der Neutralatome in das Plasma bis zum Ort ihrer Ionisation steigt mit ihrer Geschw indigkeit. Mit w achsender Größe der Experimente w erden daher – w egen der notw endigen Eindringtiefe der Neutralteilchen in das Plasma – immer höhere Geschw indigkeiten, sprich Energien nötig. Da mit w achsender Geschw indigkeit aber der Neutralisationsgrad abnimmt, sinkt damit auch der elektrische W irkungsgrad der Neutralteilchenheizung (Abb. 2). © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 2/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Ne utra lisa tionswirk ungsgra d a ufge tra ge n ge ge n die Te ilche ne ne rgie für positive (durchge zoge ne Linie ) und ne ga tive (punk tie rte Linie ) W a sse rstoffione n. De r Ene rgie be re ich, in de m positive Ione n sinnvoll e inge se tzt we rde n k önne n, ist ge lb hinte rle gt. © W ill man für den internationalen Testreaktor ITER- Energien von 1 Megaelektronenvolt verw irklichen, so muss man deshalb zu Strahlen aus negativen Ionen übergehen. Sie besitzen einen konstant hohen und Energieunabhängigen Neutralisationsgrad von 60 Prozent. Dagegen sinkt der Neutralisationsgrad positiver Ionen oberhalb 100 Kiloelektronenvolt auf Werte unter 20 Prozent stark ab und ist bei 1 Megaelektronenvolt nahezu Null. 2. Die Herausforderung: negative Wasserstoffionen für ITER Die Herstellung intensiver Strahlen negativer Wasserstoff-Ionen ist allerdings w esentlich schw ieriger als die positiver Ionen: Die geringe Bindungsenergie – rund 0,7 Elektronenvolt – des zusätzlichen Elektrons macht das negative Wasserstoff-Ion zu einem äußerst fragilen Gebilde, dessen Erzeugung und Beschleunigung ein Reihe von Problemen aufw irft. Die hohe Energie von 1 Megaelektronenvolt macht zudem die Entw icklung von entsprechend leistungsstarken Hochspannungsgeräten und großkalibrigen Vakuumisolatoren erforderlich. W ährend die Physik und Technik der positiven Ionen seit Anfang der 70er-Jahre mit großem Erfolg entw ickelt und eingesetzt w urde, stehen heute die negativen Ionen noch ziemlich am Beginn ihrer Entw icklung. Nur die beiden japanischen Experimente JT-60 U (Japanese Tokamak) und LHD (Large Helical Device) arbeiten seit einigen Jahren mit negativen Ionen. Diese Anlagen haben gezeigt, w ie viel schw ieriger Physik und Technik der negativen Ionen sind als die ihrer positiv geladenen Partner. Um Heizleistungen von einigen 10 Megaw att zu erzielen, sind für ITER extrem hohe Strahlströme von 40 Ampere notw endig. Aufgrund der oben beschriebenen physikalischen Eigenschaften sind die erreichbaren Stromdichten (Strom / Extraktionsfläche) mit ca. 20 Milliampere pro Quadratzentimeter etw a eine Größenordnung niedriger als bei positiven Ionen. Dies führt zu entsprechend größeren Extraktionsflächen. Man hat es daher bei negativen Ionen mit riesigen Quellen zu tun – bei ITER zum Beispiel rund 1,5 x 0,6 Quadratmeter Extraktionsfläche. Außerdem muss der Gasdruck in der Ionenquelle 5- bis 10-mal kleiner als der positiver Ionenquellen sein, d.h. etw a 0,3 Pascal (1 Pascal = 0,01 mbar), damit die lose gebundenen Elektronen nicht schon w ährend der Beschleunigung durch Stöße mit den Gasmolekülen vorzeitig abgestreift w erden. Trotz dieses vergleichsw eise niedrigen Drucks verliert man so immer noch 10 bis 20 Prozent der © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 3/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER negativen Ionen. Außerdem muss verhindert w erden, dass im Ionenstrahl Elektronen, die ja auch negativ geladen sind, mit beschleunigt w erden, da sonst der Vorteil der negativen Ionen – nämlich der höhere W irkungsgrad für die Erzeugung von hochenergetischen Neutralatomen – zunichte gemacht w ürde. Man muss die Elektronen desw egen schon bei der Extraktion w eitgehend unterdrücken: Das Verhältnis von extrahiertem Elektronen- zu Ionenstrom sollte nicht größer als 1 sein und die Elektronen müssen mit einer Energie von w enigen Kiloelektronenvolt aus dem Strahl gelenkt und thermalisiert w erden. Ein w eiterer signifikanter Unterschied zu den bisherigen Systemen mit positiven Ionen ist die Pulsdauer von einer Stunde für ITER, also praktisch Dauerbetrieb, gegenüber typisch 10 Sekunden bei den derzeitigen Experimenten. Schließlich kommt noch die hohe Energie hinzu – 1 Megaelektronenvolt bei ITER. Insgesamt hat man es also nicht nur mit der äußerst kapriziösen Physik und Technik der negativen Ionen zu tun, sondern dies auch noch bei riesigen Quellen, extrem hohen Energien und quasi im Dauerbetrieb. Sche m a tische Da rste llung e ine r Ione nque lle für ne ga tive Ione n. © MP I für P la sm a physik , Ga rching 3. Physikalische Prozesse bei negativen Ionen Nach den derzeitigen Vorstellungen laufen die Prozesse, die an der Bildung von H - - bzw . D- -Ionen in einer Plasmaquelle hauptsächlich beteiligt sind, folgendermaßen ab: Aus dem primären Plasma, dem so genannten „Driver“, strömt ein Fluss von neutralen Wasserstoffatomen und positiven Ionen auf die Innenw ände und insbesondere auf das erste Gitter, das Plasmagitter ( Abb. 3). An der Oberfläche, deren Austrittsarbeit nicht zu hoch im Vergleich zur Bindungsenergie des negativen Ions sein soll, w erden dann negative Ionen losgeschlagen, die zunächst in Richtung Plasma laufen. Durch geeignete Formgebung der Extraktionsöffnungen bzw . ihrer Nachbarschaft kann ein Teil der Ionen in die richtige Richtung, d.h. aus dem Plasma heraus, emittiert w erden. Diese Ionen w erden dann durch das elektrische Feld der Extraktion – ca. 10 Kilovolt – erfasst, zum Strahl gebündelt und dann w eiter auf ca. 30 Kiloelektronenvolt beschleunigt (Abb. 4). © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 4/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Sche m a tische Da rste llung de r Ex tra k tion und Be schle unigung von Ione n. © MP I für P la sm a physik , Ga rching Zur Umlenkung der negativen Ionen könnte außerdem noch die Streuung oder der Ladungsaustausch an Neutralatomen beitragen sow ie die Krümmung der Bahnen durch das Filter-Magnetfeld (s.u.). Üblicherw eise haben Metalle w ie Kupfer oder Molybdän, die als Gittermaterialien in Frage kommen, eine relativ hohe Austrittsarbeit von 4 bis 5 Elektronenvolt. Alkalimetalle w ie Li, Na und Cs dagegen liegen mit ca. 2 Elektronenvolt w esentlich niedriger, sind aber für die Herstellung von Gittern w egen ihrer chemischen und mechanischen Eigenschaften nicht geeignet. Man hat daher in den letzten Jahren eine Technik entw ickelt, bei der eine dünne Schicht von ca. einer Atomlage Cäsium (Cs) durch Verdampfen auf die Innenw ände der Plasmaquelle aufgebracht w ird. Hierdurch erniedrigt sich die Austrittsarbeit entsprechend: Die Ionenausbeute steigt um rund das Fünffache an. Der Nachw eis dieses Zusammenhangs durch direkte Messung der Austrittsarbeit in situ ist in Vorbereitung. Frühere Vorstellungen über die Bildung von H - über Prozesse im Plasmavolumen statt an der W and sind mit diesen Beobachtungen kaum in Einklang zu bringen. W ichtig bei der Erzeugung von negativen Ionen ist die Beherrschung der Zerstörungsprozesse: Die Hauptfeinde von H- bzw . D- sind nämlich gegenseitige Neutralisationsstöße mit H+ und D+ sow ie, oberhalb einer Elektronentemperatur von 1,5 Elektronenvolt, die Ionisationsstöße durch Elektronen. Da die entsprechenden freien Weglängen der negativen Ionen bei den vorliegenden Plasmaparametern nur bei 1 bis 2 Zentimetern liegen, können nur negative Ionen in der unmittelbaren Nachbarschaft des Plasmagitters zur extrahierten Ausbeute beitragen. Um die Elektronentemperatur im Extraktionsbereich niedrig zu halten, w ird das primäre Plasma daher durch ein Quermagnetfeld von ca. 50 Gauß – ein so genanntes „magnetisches Filter“ (siehe Abb. 3) – abgekühlt: Es zw ingt die Elektronen auf Kreisbahnen von nur w enigen Millimeter Durchmesser und behindert damit die Elektronen in ihrer Bew eglichkeit quer zum Feld, d.h. in Richtung Extraktionsbereich. Dieser Behinderung können die Elektronen jedoch durch Stöße entkommen. Da die Häufigkeit dieser Stöße um so größer w ird, je langsamer die Teilchen sind, können kalte Elektronen sich leichter durch das Filterfeld hindurchbew egen als schnelle. Das Quermagnetfeld senkt gleichzeitig den mitextrahierten Elektronenstrom und trägt möglicherw eise auch zur Re-Orientierung der an der PlasmagitterOberfläche entstandenen Ionen bei. 4. Die Hochfrequenzquelle Die bisher hauptsächlich eingesetzten Quellen für positive und für negative Ionen sind im Bereich von einigen © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 5/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Pascal arbeitende Niederdruck-Bogenquellen. Sie benötigen Glühkathoden (Abb. 5 oben), aus denen Elektronen emittiert und von einer Gleichspannung von ca. 100 Volt auf Ionisationsenergie beschleunigt w erden. Die durch Stöße erzeugten Ladungsträger führen zu einem law inenartigen Anw achsen des Entladungsstroms, der schließlich durch die Verluste auf die Gefäßw ände begrenzt w ird und dann einen stationären Wert erreicht. Da Glühkathoden sehr reparaturanfällig sind und solche Reparaturen bei ITER nur per Fernbedienung möglich w ären, w ürden sie hier einen erheblichen Aufw and und signifikante Ausfallzeit verursachen. Mitte der 90er-Jahre ging am Garchinger Tokamak ASDEX Upgrade ein neuer Neutralteilcheninjektor (mit positiven Ionen) in Betrieb, der w eltw eit zum ersten Male mit Hochfrequenz-Plasmaquellen (Abb. 5 unten) ausgestattet w ar. Da in diesem Quellentyp die ionisierenden Elektronen durch eine Hochfrequenzw elle und nicht mehr durch Glühkathoden erzeugt w erden, versprechen die Hochfrequenz-Quellen eine erheblich längere Lebensdauer. Darüber hinaus zeichnen sie sich durch einen einfacheren elektrischen und mechanischen Aufbau aus, w as zu signifikanten Kosteneinsparungen führt. © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 6/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Aufba u e ine r Boge ne ntla dungspla sm a que lle (obe n). Zwische n e ine r ode r m e hre re n Glühk a thode n und de r Anode wird e ine Gle ichspa nnung von typisch 100 Volt a nge le gt. Die a us de n Glühk a thode n e m ittie rte n Ele k trone n we rde n durch die se Spa nnung be schle unigt, ne hm e n Ene rgie a uf und k önne n da s übe r de n Ga se inla ss e inström e nde Ga s ionisie re n. Die e ntste he nde n we ite re n Ele k trone n führe n zu e ine m la wine na rtige n Anwa chse n de s Entla dungsstrom s. Da s zum Be ispie l durch P e rm a ne ntm a gne te e rze ugte Ma gne tfe ld zwingt de n Ele k trone n e ine Gyra tionsbe we gung a uf und ve rhinde rt e ine n dire k te n Einstrom de r Ele k trone n a uf die Anode . So wird da für ge sorgt, da ss die Ele k trone n in vie le n Ionisie rungsstöße n ihre Ene rgie we itge he nd a bge be n, be vor sie die Anode e rre iche n. Typische P a ra m e te r be i le istungssta rk e n Q ue lle n, wie sie in de r Fusionsforschung ve rwe nde t we rde n: Boge nstrom 1000 Am pe re , Boge nspa nnung 100 Volt, Boge nle istung 100 Kilowa tt, 24 He izfä de n, Ga sdruck 1 P a sca l. Aufba u e ine r Hochfre que nzpla sm a que lle (unte n). Es gibt zwe i Arte n de r Hochfre que nze ink opplung, induk tiv ode r k a pa zitiv, und unte rschie dliche Fre que nzbe re iche vom Me ga - bis in de n Giga he rtz-Be re ich. Die Abbildung ze igt e ine induk tiv ge k oppe lte Q ue lle im Me ga he rtz-Be re ich. Da s © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 7/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Entla dungsge fä ß ist da be i von e ine r Hochfre que nzspule um ge be n, übe r die e ine Hochfre que nzwe lle e inge stra hlt wird. Da m it die Hochfre que nzwe lle e indringe n k a nn, m uss da s Entla dungsge fä ß a us e ine m Isola tor be ste he n, zum Be ispie l Q ua rzgla s ode r Ke ra m ik . Durch Höhe nstra hlung ode r e ine n k le ine n He izfa de n e rze ugte Ele k trone n we rde n von de r Hochfre que nz be schle unigt, ne hm e n da durch Ene rgie a uf und k önne n da s übe r de n Ga se inla ss e inström e nde Ga s ionisie re n. Die da durch e ntste he nde n we ite re n Ele k trone n führe n – wie be i de r Boge ne ntla dungsque lle – zu e ine m la wine na rtige n Anwa chse n de s Entla dungsstrom s. Typische P a ra m e te r be i le istungssta rk e n Q ue lle n, wie sie in de r Fusionsforschung ve rwe nde t we rde n: Hochfre que nzle istung 100 Kilowa tt, Fre que nz 1 Me ga he rtz, Ga sdruck 1 P a sca l. © MP I für P la sm a physik , Ga rching 5. Eine Hochfrequenzquelle für negative Ionen Derzeit w erden Neutralteilcheninjektoren mit negativen Ionen w eltw eit in mehreren Laboratorien entw ickelt, bisher auf der Grundlage von Bogenquellen, die w egen der oben beschriebenen Probleme allerdings für ITER nur schw er vorstellbar sind. ITER hat daher ein großes Interesse an der Technik der Hochfrequenz-Quellen. Im Jahr 2002 w urde ein Entw icklungsvertrag zw ischen EFDA (European Fusion Development Agreement) und dem MPI für Plasmaphysik in Garching geschlossen, in dessen Rahmen die Eignung der Hochfrequenz-Quelle für ITER genauer zu untersuchen und alle für ITER erforderlichen Parameter nachzuw eisen sind: • D- -Stromdichte von 20 Milliampere pro Quadratzentimeter • Elektron-Ionen-Verhältnis Ie / I- ≤ 1 • Gasdruck ≤ 0,3 Pascal • Pulslänge: 1 Stunde Ausgenommen w urde die Energie und die volle Extraktionsfläche: Die Strahlenergie ist unabhängig vom Quellentyp und für die Eignung der Quelle irrelevant. Man kann sich daher auf relativ niedrige Energien von 30 Kiloelektronenvolt beschränken. Bei der Extraktionsfläche w ollte man den Aufw and begrenzen: Es w ird nur die Größenskalierbarkeit der Hochfrequenz-Quelle anhand einer Plasmaquelle von halber ITER-Größe – ohne Extraktion – nachgew iesen. 6. Apparaturen Das Entw icklungsprogramm läuft parallel an drei Testständen: Am ersten Teststand w erden bei beschränkten Extraktionsflächen ( Den schematischen Aufbau der Hochfrequenz-Quelle für negative Ionen zeigt Abbildung 3. Sie besteht aus dem „Driver“, in dem eine Hochfrequenzw elle das Plasma erzeugt, dem Expansionsbereich, in den auch der Cs-Dampf eingeführt w ird und dem durch das magnetische Filterfeld abgetrennten Extraktionsbereich. Da das magnetische Filterfeld durch außen angebrachte starke Permanentmagnete erzeugt w ird, ist es nicht homogen, sondern nimmt von mehreren 100 Gauß am Rand auf einige 10 Gauß in der Mitte ab. Abbildung 6 zeigt die Außen- und Innenansicht der Quelle. Die drei Gitterelektroden, das Plasmagitter, das Extraktionsund das Erdgitter erzeugen bis zu mehreren 100 Einzel-Strahlbündel. Das Extraktionsgitter muss dabei zw ei Aufgaben erfüllen: die Extraktion des Ionenstrahl und die Beseitigung des Elektronenanteils. Letzteres w ird durch kleine, im Gittermaterial eingebaute Permanent-Magnete erreicht (Abb. 3), w elche die leichten © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 8/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Elektronen in dafür vorgesehene Taschen lenken, ohne die viel schw ereren Ionen w esentlich zu beeinflussen. Der aufgefangene Elektronenstrom ist für das Extraktionsgitter eine thermische Belastung, die sich aus dem Elektronenstrom multipliziert mit der Extraktionsspannung errechnet. Der maximal erlaubte Wert von I e / I(Elektronen-Ionen-Verhältnis) ist deshalb im Wesentlichen durch die über das filigrane Kühlkanalsystem im Extraktionsgitter abführbare Kühlleistung auf W erte um 1 begrenzt. Auße n- und Inne na nsicht de r Hochfre que nz-Q ue lle de s IP P für ne ga tive Ione n. © MP I für P la sm a physik , Ga rching 7. Bisherige Ergebnisse der IPP-Entwicklung W ährend im Cs-freien Betrieb die Hochfrequenz-Quelle nur Stromdichten von w enigen Milliampere pro Quadratzentimeter H- liefert, erhöht sich die Ausbeute drastisch mit der Zuführung von Cs-Dampf in den Expansionsbereich. Optimale Verhältnisse w erden jedoch erst nach einigen Betriebstagen erreicht, da die CsVerteilung auf den Innenw änden einer komplizierten Dynamik unterliegt. Sind diese Bedingungen jedoch erreicht, so lässt sich der Zustand ohne w esentliche Probleme über mehrere Monate reproduzierbar aufrecht erhalten. Ein Beispiel einer Kampagne von 10 Tagen zeigt Abbildung 7 für eine Extraktionsfläche von 70 Quadratzentimetern und Pulslängen bis 5 Sekunden. Auch nach längeren Experiment-Pausen incl. Belüftung der Quelle übertrifft die gemessene H- -Stromdichte w ährend einer Experimentserie von über drei Monaten die für ITER erforderlichen W erte, w ohlgemerkt im richtigen Druckbereich und mit niedrigem Ie / I- ( © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 9/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Ge m e sse ne Strom dichte n für H - und D - sowie da s Ele k trone nzu Ione n-Ve rhä ltnis a ls Funk tion de r Ka le nde rta ge © MP I für P la sm a physik , Ga rching Etw as schw ieriger ist der Deuterium-Betrieb, bei dem die Unterdrückung der Elektronen stärkere Filterfelder erfordert. Sie begrenzen die maximal einkoppelbare Hochfrequenz-Leistung aus noch nicht verstandenen Gründen. Dennoch w urden auch bei D- die für ITER erforderlichen Stromdichten bei Ie / I- ≤ 1 reproduzierbar überschritten (Abb. 7). Dabei w ird die Quelle im Laufe der Kampagne bezogen auf die erforderliche Hochfrequenz-Leistung immer effizienter. Erste Versuche, die Extraktionsfläche auf 300 Quadratzentimeter und die Pulslänge auf 20 Sekunden auszudehnen, w aren bereits erfolgreich. Das experimentelle Programm w ird von umfangreicher Diagnostik begleitet. Insbesondere die optische Emissionsspektroskopie hat sich in den letzten Jahren zu einem w ichtigen Hilfsmittel entw ickelt. So lassen sich eventuelle Verunreinigungen nachw eisen und die Cs 0 - und Cs +-Dichten sow ie die H- -Ionendichte vor dem Plasmagitter messen. Ein Beispiel zeigt Abbildung 8: Zw ischen der Volumendichte des Cs einerseits und der H- -Ausbeute andererseits gibt es keinen Zusammenhang. Dies w ird heute als Evidenz dafür angesehen, dass die Bildung von H- bei diesen niedrigen Drucken und hohen Stromdichten im Wesentlichen von Oberflächenprozessen bestimmt w ird. © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 10/11 Jahrbuch 2004/2005 | Speth, Eckehart | Entw icklung einer Hochfrequenz-Ionenquelle für ITER Ione nstrom (bla u) und Inte nsitä t de r C s-Linie (schwa rz) a ls Funk tion de r Ze it. De r Stra hlpuls da ue rt von t =1,1 bis t = 4,1 Se k unde . © MP I für P la sm a physik , Ga rching 9. Ausblick Die bisherigen Ergebnisse zeigen, dass die Hochfrequenz-Quelle des IPP auf dem besten Wege ist, als Kandidat für ITER in Betracht gezogen zu w erden. Sie ist in den verlangten Parametern Stromdichte, Druck und Elektronenanteil der Bogenquelle ebenbürtig bzw . sogar überlegen. Für eine endgültige Eignung muss noch die Größenskalierbarkeit gezeigt w erden, der Nachw eis der Dauerstrichfähigkeit steht unmittelbar bevor. Hierzu steht der Teststand für lange Pulse kurz vor der Inbetriebnahme. Die Arbeiten w erden sich vor allem auf die Beherrschung aller thermischen Belastungen und die dynamische Regelung der Cs-Bedeckung konzentrieren. Ziel ist ein konstanter Ionenstrom und ein ökonomischer Cs-Verbrauch. Das Größenskalierungsexperiment mit der halben ITER-Quelle w ird derzeit aufgebaut. Ein flexibler Aufbau der Plasmaquelle mit bis zu vier Drivern w ird die Optimierung von Gefäßdimensionen, Anzahl und Anordnung der Driver ermöglichen. Ziel ist ein möglichst homogenes H- /D- -Dichteprofil. Da w egen des technischen Aufw ands zunächst keine globale Extraktion aus der gesamten Fläche vorgesehen ist, w ird die Plasmaquelle mit ausreichender Diagnostik versehen sein, die nach einer Eichung an den beiden anderen Testständen eine Aussage über die zu erw artende Stromdichte liefern soll. © 2005 Max-Planck-Gesellschaft w w w .mpg.de 11/11
