Учёные из Национального института термоядерного синтеза Японии, работающие над проектом крупнейшего в мире сверхпроводящего устройства для удержания плазмы Large Helical Device (LHD), добились значительного прорыва в диагностике плазмы. Исследователям удалось удвоить или даже утроить эффективность работы важнейшего измерительного инструмента — зонда тяжелых ионов (HIBP), применив инновационную методику «электростатической линзы».
Это достижение решает давнюю проблему, связанную с ограничениями в транспортировке пучка ионов, и позволяет проводить значительно более точные и детальные измерения электрического потенциала внутри высокоплотной плазмы.
Повышение точности измерений напрямую влияет на поиск устойчивой термоядерной энергии. Как отметили исследователи, достижение высокоточной и воспроизводимой диагностики внутренней структуры потенциала плазмы, соответствующей параметрам будущих реакторов, чрезвычайно важно как фундаментальная база данных для исследований в области управления плазмой и проектирования реакторов. Установка LHD, использующая магнитную конфигурацию типа «гелиотрон», является ключевым объектом в этих изысканиях.
В процессе термоядерного синтеза, аналогичного процессам на Солнце, учёным необходимо удерживать плазму с температурами свыше 100 миллионов градусов. Точное измерение внутреннего потенциала плазмы необходимо для повышения эффективности будущих термоядерных реакторов. Для этих измерений на LHD используется система HIBP, которая направляет в плазму высокоэнергетический пучок ионов золота. Для получения четкого сигнала необходим пучок с очень высоким током, однако учёные столкнулись с проблемой: мощный пучок отрицательных ионов золота расширялся из-за собственного «пространственного заряда» ещё до попадания в основной ускоритель, что приводило к значительным потерям.
Вместо сложной и дорогостоящей переделки оборудования научная группа разработала практичное и компактное решение. С помощью моделирования они выявили точную причину расширения пучка и предложили перенастроить существующий многоступенчатый предускоритель, расположенный между источником ионов и основным ускорителем. Путем тщательной оптимизации распределения напряжения на электродах они превратили этот компонент в электростатическую линзу. Эта линза эффективно фокусирует мощный пучок ионов, не давая ему расширяться и направляя его прямо во вход ускорителя.
Численное моделирование предсказало, что новая конфигурация напряжения позволит достичь эффективности транспортировки пучка более 95%. Последующие эксперименты с плазмой подтвердили успех метода: ток пучка отрицательных ионов золота, успешно вводимого в ускоритель, увеличился в два-три раза. В результате также возрос и высокоэнергетический пучок положительных ионов, вводимый в плазму, что расширило измерительный диапазон HIBP. Улучшенная чёткость сигнала позволила детектировать быстрые, зависящие от времени изменения внутреннего потенциала плазмы, которые происходят при включении и выключении различных систем нагрева. Разработанный метод предлагает практичное решение для транспортировки интенсивных пучков тяжёлых ионов и может быть применён в других диагностических системах и ускорительных приложениях.