Studium optimalizace mřížek pro fúzní neutrovnový zdroj

Jáchym Sýkora Tomáš Skřivanškolitel: Bc. Daniel Krasnický

Změna plánu

Naším původním ukolem bylo zprovoznění vakuové aparatury pro fúzní neutronový zdroj.

Z důvodu nedodání vakuové aparatury, jsme se zaměřili na optimalicazi mřížek pro fúzní neutronový zdoj.

Fúzní neutronový zdroj neboli fúzor je zdroj rychlých neutronů založený na jaderné reakci srážejících se proti sobě

letících kationtů těžkého vodíku urychlených v elektrostatickém poli.

Fúzní neutronový zdroj

Tato jaderná reakce má dva téměř stejně pravděpodobné výsledky:

Schéma

Reálně

-nedokonalé elektrické pole => nedokonalá fokusace

-ionty se srážejí s katodou

Ideální případ

-anoda i katoda jsou celistvé a naprosto propustné mřížky

-dokonalá fokusace a nulové srážky iontů s katodou

Schéma fúzoru kulovitého typu Wisconsinské Univerzity. 1-anoda 2-katoda

1 2

Virtuální anoda

ideální průběh elektrického potenciálu

ve fúzoru

naměřený průběh potenciálu ve

Wisconsinském fúzoru

Předběžné schéma budoucího fúzoru na FJFI

Výhody a nevýhody válcovitého uspořádání

Výhody-rozdíl mezi ideálním a reálným elektrickým polem není tak veliký

-možnost řešení problému virtuální anody, pomocí vstřikování proudu elektronů do středu fúzoru

Nevýhody

-oproti kulové verzi zde nejsou ionty urychlovány do středu ale na úsečku uprostřed

Simion je program pro simulace letu iontů v elektrickém poli.

Je možné do běhu simulace zasahovat vlastními programy pro získání lepšího a reálnějšího modelu.Tím také můžeme sledovat pohyb iontů a zaznamenávat údaje, které nás zajímají. Jeden z možných modelů fúzoru pro simulaci

Simulace – program Simion

Tvorba modelu fúzoruSimion dává výběr:

•Vytvořit model v integrovaném editoru – velmi pracné

•Vytvořit ve 3D editoru model a uložit v STL formátu, který simion dokáže přepočítat pro svou potřebu – příliš nedokonalé

•Napsat textový soubor, ve kterém jsou definované elektrody jako geometrické objekty. Tento soubor pak simion přepočítá s minimálním zkreslením. – pro nás nejlepší možnost

Pro snadnější vytváření těchto souborů jsme si napsali jednoduchý program, který je generuje na základě zadaných parametrů.

Příklad geometrického souboru:

Výběr nejlepšího typu mřížky

Po krátkém zkoumání různých mřížek, jako např. spirála, mnoho kroužků uspořádaných vedle sebe a různé jejich kombinacejsme zjistili, že nejlepší bude vytvořit katodu z rovnoběžných drátků uspořádaných do kružnice. Ostatní mřížky buď špatně koncentrovaly ionty, nebo je vychylovaly tak, že vylétávaly z fúzoru na stranu.

Náhled nejlepšího typu mřížky ze dvou stran:

Optimalizace mřížkyPotřebovali jsme zjistit, jaký počet drátků a jakou tlošťku použít, abychom se co nejvíce přiblížíli ideálnímu modelu. To znamená, aby bla mřížka co nejpropustnější a aby co nejlépe fokusovala ionty so středu.

Abychom mohli mřížky porovnávat, napsali jsme program, který nám zaznamená v datech propustnost, fokusaci a vypočte další určující čísla.

Rozdělili jsme střed fúzoru do sektorů, rozdělenými soustřednými kružnicemi, a zjišťovali, kolik iontů je v daném čase v kterém sektoru. Výsledná data jsme zaznamenali do grafu, pomocí námi napsaného programu.

čas

Sektor (vzdálenost od středu)

Ukázka grafu fokusace u mřížek s 32 drátky (vlevo) a 92 drátky (vpravo).

Ukázka vizualizace simulace v simionu.Přiblížení katody.

Optimalizace mřížkyDalší data, která jsme zaznamenávali nám udávají, kolik iontů uskutečnilo kolik průletů. Také nám řeknou, jestli ionty narazily při vletu, nebo výletu z katody.

Zaznamenáváme také poloměr (R) kruhu, kterým prolétnou všechny ionty, což nám udává rozptyl iontů. Z těchto hodnot pak vypočítáme další čísla, která nám dokáží lépe určit, která mřížka je lepší. Prvním poměr počtu částic, které prolétly středem katody, (n) ku poloměru (R), tedy n/R. Druhé číslo je úměrné pravděpodobnosti, že se iont prolétávající katodou srazí s jiným iontem.

Optimalizace mřížky

Dvojitá mřížka

Původní důvod – snížení srážek iontů s katodou

Zobrazení elektrického pole u jednoduché mřížky, kde výška značí velikost elektrického potenciálu.

Před každý drát postavit nový „kopeček“, přes který iont nepřeletí a tak se po něm pouze sklouzne, tím se vyhne vnitřní mřížce

Dvojitá mřížka

Ty to „kopečky“ vytvoříme pomocí druhé mřížky s o trochu větším poloměrem a až několika násobně menším napětím než na původní mřížce.

Zobrazení elektrického pole s dvěma mřížkami

anoda (0 V)

vnější mřížka (-15kV)

vnitřní mřížka(-50kV)

Mřižka s dvanácti drátky, s poloměrem vnější mřížky 1,5 cm (napětí -31kV) a poloměrem vnitřní mřízky 1cm (napětí -50kV)

0 průletů poloměr n/R pravděpodobnost

drátků 1 1 1 1

32 38 1 161,29 0,15

92 100 0,22 449,74 0,36

132 142 0,1 557,25 0,43

12_dvojita 26 0,03 5127,28 0,99

ZávěrBěhem tohoto roku jsme dozvěděli základní věci z oblasti vakua, provedli jsme měření s různými vývěvami, naučili jsme se pracovat se simionem a procvičili jsme se v programování. Také jsme se naučili jak řešit základní typy diferenciálních rovnic.

Získali jsme náhled na vědeckou práci a vyzkoušeli jsme si jak to chodí.

Provedli jsme průzkum mřížek pomocí simulací a našli jsme výhledově zajímavou kombinaci – dvojitou mřížku.

Přestože naše účast na projektu oficiálně končí, chceme se i nadále podílet na dění okolo fúzoru.

Chceme se více věnovat dvojité mřížce a provést další simulace.

Rádi bychom prozkoušeli aparaturu, až se nám dostane do rukou. A chtěli bychom být i u samotného spuštění fúzoru.

Děkujeme za pozornost