Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing
This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carri...
Saved in:
| Published in: | Вопросы атомной науки и техники |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Authors: | , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | English |
| Published: |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109124 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing / O.I. Girka, I.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, S.S. Herashchenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 105-107. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-109124 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Girka, O.I. Bizyukov, I.A. Bizyukov, A.A. Sereda, K.N. Herashchenko, S.S. 2016-11-20T20:34:12Z 2016-11-20T20:34:12Z 2012 Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing / O.I. Girka, I.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, S.S. Herashchenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 105-107. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. 1562-6016 PACS: 52.59.-f https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109124 This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carried out. It is demonstrated that O⁺ impurities which are present in the beam are separated and form the circle with a diameter of ≈6 mm. Therefore, the central part of the spot is free of impurities due to magnetic separation. As a result, the source generates steady-state hydrogen ion beam, which irradiates the surface with high heat and particle fluxes, which approach the upper limit for the flux range expected in a fusion reactor. Исследованы особенности масс-сепарации примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка. Численно рассчитаны отклонения траекторий ионов с учетом экспериментально измеренной функции распределения энергии ионов для водородно-кислородной газовой смеси. Показано, что примеси О⁺ в пучке сепарируются и формируют кольцо диаметром ≈ 6 мм. Таким образом, центральная часть пучка чиста от примесей вследствие магнитной сепарации. В результате источник генерирует стационарные мощные потоки тепла и ионов водорода, которые близки по своим параметрам к потокам, ожидаемым на материалы стенки термоядерного реактора. Досліджено можливість мас-сепарації домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка. Чисельно розраховано відхилення траєкторій іонів з урахуванням експериментально зміненої функції розподілу енергії іонів для воднево-кисневої газової суміші. Показано, що домішки О⁺ в пучку сепаруються та формують кільце діаметром ≈ 6 мм. Таким чином, центральна частина пучка є чистою від домішок унаслідок магнітної сепарації. В результаті джерело генерує стаціонарні потужні потоки тепла і іонів водню, які близькі за своїми параметрами до потоків, очікуваних на матеріали стінки термоядерного реактора. en Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України Вопросы атомной науки и техники Динамика плазмы и взаимодействие плазмы со стенкой Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing Масс-сепарация примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка Мас-сепарація домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing |
| spellingShingle |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing Girka, O.I. Bizyukov, I.A. Bizyukov, A.A. Sereda, K.N. Herashchenko, S.S. Динамика плазмы и взаимодействие плазмы со стенкой |
| title_short |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing |
| title_full |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing |
| title_fullStr |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing |
| title_full_unstemmed |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing |
| title_sort |
mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing |
| author |
Girka, O.I. Bizyukov, I.A. Bizyukov, A.A. Sereda, K.N. Herashchenko, S.S. |
| author_facet |
Girka, O.I. Bizyukov, I.A. Bizyukov, A.A. Sereda, K.N. Herashchenko, S.S. |
| topic |
Динамика плазмы и взаимодействие плазмы со стенкой |
| topic_facet |
Динамика плазмы и взаимодействие плазмы со стенкой |
| publishDate |
2012 |
| language |
English |
| container_title |
Вопросы атомной науки и техники |
| publisher |
Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Масс-сепарация примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка Мас-сепарація домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка |
| description |
This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carried out. It is demonstrated that O⁺ impurities which are present in the beam are separated and form the circle with a diameter of ≈6 mm. Therefore, the central part of the spot is free of impurities due to magnetic separation. As a result, the source generates steady-state hydrogen ion beam, which irradiates the surface with high heat and particle fluxes, which approach the upper limit for the flux range expected in a fusion reactor.
Исследованы особенности масс-сепарации примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной магнитной фокусировкой пучка. Численно рассчитаны отклонения траекторий ионов с учетом экспериментально измеренной функции распределения энергии ионов для водородно-кислородной газовой смеси. Показано, что примеси О⁺ в пучке сепарируются и формируют кольцо диаметром ≈ 6 мм. Таким образом, центральная часть пучка чиста от примесей вследствие магнитной сепарации. В результате источник генерирует стационарные мощные потоки тепла и ионов водорода, которые близки по своим параметрам к потокам, ожидаемым на материалы стенки термоядерного реактора.
Досліджено можливість мас-сепарації домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним фокусуванням пучка. Чисельно розраховано відхилення траєкторій іонів з урахуванням експериментально зміненої функції розподілу енергії іонів для воднево-кисневої газової суміші. Показано, що домішки О⁺ в пучку сепаруються та формують кільце діаметром ≈ 6 мм. Таким чином, центральна частина пучка є чистою від домішок унаслідок магнітної сепарації. В результаті джерело генерує стаціонарні потужні потоки тепла і іонів водню, які близькі за своїми параметрами до потоків, очікуваних на матеріали стінки термоядерного реактора.
|
| issn |
1562-6016 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/109124 |
| citation_txt |
Mass-separation of impurities in the ion beam systems with reversed magnetic beam focusing / O.I. Girka, I.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, S.S. Herashchenko // Вопросы атомной науки и техники. — 2012. — № 6. — С. 105-107. — Бібліогр.: 5 назв. — англ. |
| work_keys_str_mv |
AT girkaoi massseparationofimpuritiesintheionbeamsystemswithreversedmagneticbeamfocusing AT bizyukovia massseparationofimpuritiesintheionbeamsystemswithreversedmagneticbeamfocusing AT bizyukovaa massseparationofimpuritiesintheionbeamsystemswithreversedmagneticbeamfocusing AT seredakn massseparationofimpuritiesintheionbeamsystemswithreversedmagneticbeamfocusing AT herashchenkoss massseparationofimpuritiesintheionbeamsystemswithreversedmagneticbeamfocusing AT girkaoi massseparaciâprimeseivionnopučkovyhsistemahsreversivnoimagnitnoifokusirovkoipučka AT bizyukovia massseparaciâprimeseivionnopučkovyhsistemahsreversivnoimagnitnoifokusirovkoipučka AT bizyukovaa massseparaciâprimeseivionnopučkovyhsistemahsreversivnoimagnitnoifokusirovkoipučka AT seredakn massseparaciâprimeseivionnopučkovyhsistemahsreversivnoimagnitnoifokusirovkoipučka AT herashchenkoss massseparaciâprimeseivionnopučkovyhsistemahsreversivnoimagnitnoifokusirovkoipučka AT girkaoi masseparacíâdomíšokvíonnopučkovihsistemahzreversivnimmagnítnimfokusuvannâmpučka AT bizyukovia masseparacíâdomíšokvíonnopučkovihsistemahzreversivnimmagnítnimfokusuvannâmpučka AT bizyukovaa masseparacíâdomíšokvíonnopučkovihsistemahzreversivnimmagnítnimfokusuvannâmpučka AT seredakn masseparacíâdomíšokvíonnopučkovihsistemahzreversivnimmagnítnimfokusuvannâmpučka AT herashchenkoss masseparacíâdomíšokvíonnopučkovihsistemahzreversivnimmagnítnimfokusuvannâmpučka |
| first_indexed |
2025-11-27T06:56:14Z |
| last_indexed |
2025-11-27T06:56:14Z |
| _version_ |
1850802584624824320 |
| fulltext |
PLASMA DYNAMICS AND PLASMA WALL INTERACTION
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 105
MASS-SEPARATION OF IMPURITIES IN THE ION BEAM SYSTEMS
WITH REVERSED MAGNETIC BEAM FOCUSING
O.I. Girka, I.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov, K.N. Sereda, S.S. Herashchenko
V.N. Karazin Kharkov National University, Kharkov, Ukraine
E-mail: alexxxgir@gmail.com
This paper describes the intrinsic capability of ion systems with reversed magnetic beam focusing for impurities
mass-separation. Numerical calculation of the ion trajectory deviation with taking into account the experimental ion
energy distribution function for hydrogen-oxygen gas mixture was carried out. It is demonstrated that O+ impurities
which are present in the beam are separated and form the circle with a diameter of ≈6 mm. Therefore, the central
part of the spot is free of impurities due to magnetic separation. As a result, the source generates steady-state
hydrogen ion beam, which irradiates the surface with high heat and particle fluxes, which approach the upper limit
for the flux range expected in a fusion reactor.
PACS: 52.59.-f
INTRODUCTION
At present, there are two ways for experimental
simulation of plasma-surface interaction in a laboratory.
Ion beam devices [1] with a magnetic mass-separation
provide high-energy ion beam, however, their particle
flux is limited by value of 1019...1020 m-2·s-1. HiFIT ion
beam device is capable to provide higher particle flux
up to 3.6×1021 m-2·s-1 and heat flux up to 0.65 MW·m-2,
while mass-separation is excluded. In contrast, plasma
devices can generate low energy particle fluxes
≈1022 m-2·s-1 and heat fluxes in the range of
0.1...1 MW·m-2. Therefore, the parameter range of
particle fluxes >1022 m-2·s-1 and heat fluxes >1 MW·m-2
is currently not achievable for most existing plasma and
ion sources used in material research. In the high heat
and particle flux range new phenomena related to ion-
surface interactions can be found. These phenomena can
be extremely important for justifying the material
selection.
To fill up the gap between the parameters provided
by laboratory tools and ITER relevant conditions, our
team from KKhNU has recently developed the
FALCON ion source [2-4]. It is based on the design of
closed drift thrusters (also known as Hall thrusters),
which are typically used as space propulsions. Intrinsic
characteristics of this type of ion sources are their
simplicity (that makes them affordable) and extremely
high ion currents, both are tempting for use in material
research.
Small percentage of impurities in the beam can
distort the results of the plasma-surface interactions
experiments. That is why the beam purity is of a great
importance for fusion-relevant material research
experiments.
The aim of this paper is the numerical study of the
capability for impurities mass-separation [5] of systems
with reversed magnetic beam focusing.
EXPERIMENTAL TECHNIQUE
AND CALCULATED IMPURITIES
MASS-SEPARATION POSSIBILITY
The principal design of the FALCON ion source is
presented in Fig. 1. It is based on design of Hall
thrusters.
Fig. 1. The high-flux FALCON ion source principal
design: 1 – anode; 2 – ballistic focusing cathodes;
3 – magnetic focusing lens; 4 – magnetic field coils;
5 – magnetic circuit; 6 – the target placed in the H+
crossover plane; 7 – Hydrogen ions beam trajectory;
8 – impurities trajectory
The biased anode (1) and cathode at the ground
potential (2) form the discharge gap designed to provide
the drift of thin (≈1 mm) electron layer in crossed E×B
fields. Main ionizing processes and acceleration of the
ions occur within this electron drift layer. The ion
source has an ion focusing system consisted of two
parts. The first part is the ballistic focusing system,
consisted of tilted anode (1) and cathode (2); it forms
ion beam of the conical shape. The magnetic focusing
system (3) focuses the ion beam further by cancelling a
momentum, which ions gain in the magnetic field of the
discharge gap. The reversed magnetic field
configuration is powered by two magnetic coils (4); the
magnetic circuit delivers the generated magnetic fluxes
to the respective gaps.
Fig. 2 shows the distribution of the magnetic field
strength along the discharge gap and the magnetic
focusing system. It is possible to adjust beam focusing
via varying the ratio of magnetic field fluxes in gaps of
the magnetic conductors (varying the ratio of currents in
the magnetic coils (4)). This allows precise
compensating of the momentum gained by the ion in the
discharge gap and, as a result, obtaining small ion beam
spot on the target surface. Another advantage of this
configuration is the intrinsic capability for mass-
106 ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82)
separation of the impurities (like oxygen). Ions of
hydrogen and impurities obtain different momentum in
the same magnetic field. As the result, the trajectories of
hydrogen ions (7) cross the target (6) plane primarily in
the central part of the target, while trajectories of the
impurity ions (8) are located farther from the central
part (see Fig. 1).
Fig. 2. The distribution of the magnetic intensity (bold
solid line) that is perpendicular to the ion flux direction
obtained via numerical calculations. Dashed line shows
the ion flux. Thin lines show the lines of equal magnetic
intensity
Fig. 3. The beam ion energy distribution function
measured by energy analyzer. The resolution of energy
analyzer is 30 eV
The energies of the beam ions are spread over the
range from ≈650 eV and up to accelerating voltage of
few kilo electron-volts; typical distribution of the ion
energies is shown on Fig. 3. The peak of the distribution
function is located at ≈40 % of the accelerating voltage.
Fig. 4 shows the calculated single particle location
of ions bombarding the target surface [3]. One can see
that heavy O+ and Ar+ ions are located within the
narrow circle with the diameter of 6 mm. The target is
etched primarily by hydrogen ions of average energy,
which are of highest intensity.
Fig. 4. Calculated deviation of ions from central
point in the target plane as a function of ion energy for
different ion species. Intersection of dashed lines shows
the 2 keV H+ crossover region
Fig. 5 shows the spatial distribution of H+ ion beam
current in the 2 keV crossover plane. It was obtained via
numerical calculation of the ion trajectory deviation
with taking into account the experimental ion energy
distribution function. Z axis shows the ratio between the
current of ion with given energy and total beam current.
Fig 5. The spatial distribution of H+ ion beam
current in the 2 keV crossover plane
Fig. 6 shows the result of numerical calculation of
the ion trajectory deviation with taking into account the
experimental ion energy distribution function for
hydrogen-oxygen gas mixture.
The impurity is modelled by adding 5 % of oxygen
to working gas. It is shown that 5 % O+ impurities being
present in the beam are separated and form the circle
with the diameter of ≈6 mm. For material oriented
experiments one can use pre-filtering of the working
hydrogen gas with palladium filter to obtain best
possible purity of the ion beam. Therefore, there are all
the bases to conclude that magnetic separation provides
the purity of the central part of the beam spot in the
respect of impurities.
, cm
, k
O
e
, mm
, k
O
e
, k
eV
, keV
, a
.u
.
ISSN 1562-6016. ВАНТ. 2012. №6(82) 107
Fig. 6. The distribution of 95 % H+ (“1” b) and 5 %
O+ (“2” b) ions specie in the H+ 2 keV crossover plane
CONCLUSIONS
The numerical study of the intrinsic capability for
impurities mass-separation of systems with reversed
magnetic beam focusing was carried out. The ion
trajectory deviation was studied numerically with taking
into account the experimental ion energy distribution
function for hydrogen-oxygen gas mixture. It was
shown that O+ impurities in the beam are separated and
form the circle with the diameter of ≈6 mm. Therefore,
the central part of the spot is free of impurities due to
magnetic separation. As the result, the source generates
steady-state pure hydrogen ion beam, which irradiates
the surface with high heat and particle fluxes, which
approaches the upper limit for the flux range expected
in a fusion reactor.
Obtained results could be taken into account for the
high-current ion sources development and high-current
beams transport experiments.
REFERENCES
1. I.G. Brown. The Physics and Technology of Ion
Sources. WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,
Weinheim, 2004.
2. O. Girka, I. Bizyukov, K. Sereda, A. Bizyukov,
M. Gutkin, V. Sleptsov. Compact steady-state and high-
flux FALCON ion source for tests of plasma-facing
materials // Review of Scientific Instruments. 2012,
v. 83, Issue 8, p. 083501.
3. M. Gutkin, A. Bizyukov, V. Sleptsov, I. Bizyukov,
K. Sereda. Focused anode layer ion source with
converging and charge compensated beam (FALCON).
U.S. Patent No US 7622721 B2, 2009.
4. A.A. Bizyukov, A.I. Girka, K.N. Sereda,
A.V. Nazarov, E.V. Romaschenko. Hall Ion Source
With Ballistic and Magnetic Beam Focusing //
Problems of Atomic Science and Technology. Series
“Plasma Physics” (14). 2008, №6, p. 174-176.
5. O.I. Girka, I.A. Bizyukov, A.A. Bizyukov,
K.N. Sereda, S.S. Gerashchenko. Impurities Mass-
Separation in Optimized Falcon Ion Source for High-
Flux and High-Heat Material Tests // Programme and
Abstracts of 11th Kudowa Summer School, “Towards
Fusion Energy” Kudowa Zdrój, June 11-15, 2012,
p. 92-95.
Article received 20.09.12
МАСС-СЕПАРАЦИЯ ПРИМЕСЕЙ В ИОННО-ПУЧКОВЫХ СИСТЕМАХ
С РЕВЕРСИВНОЙ МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКОЙ ПУЧКА
А.И. Гирка, И.А. Бизюков, А.A. Бизюков, K.Н. Середа, С.С. Геращенко
Исследованы особенности масс-сепарации примесей в ионно-пучковых системах с реверсивной
магнитной фокусировкой пучка. Численно рассчитаны отклонения траекторий ионов с учетом
экспериментально измеренной функции распределения энергии ионов для водородно-кислородной газовой
смеси. Показано, что примеси О+ в пучке сепарируются и формируют кольцо диаметром ≈ 6 мм. Таким
образом, центральная часть пучка чиста от примесей вследствие магнитной сепарации. В результате
источник генерирует стационарные мощные потоки тепла и ионов водорода, которые близки по своим
параметрам к потокам, ожидаемым на материалы стенки термоядерного реактора.
МАС-СЕПАРАЦІЯ ДОМІШОК В ІОННО-ПУЧКОВИХ СИСТЕМАХ
З РЕВЕРСИВНИМ МАГНІТНИМ ФОКУСУВАННЯМ ПУЧКА
O.I. Гірка, I.О. Бізюков, О.A. Бізюков, K.М. Середа, С.С. Геращенко
Досліджено можливість мас-сепарації домішок в іонно-пучкових системах з реверсивним магнітним
фокусуванням пучка. Чисельно розраховано відхилення траєкторій іонів з урахуванням експериментально
зміненої функції розподілу енергії іонів для воднево-кисневої газової суміші. Показано, що домішки О+ в
пучку сепаруються та формують кільце діаметром ≈ 6 мм. Таким чином, центральна частина пучка є чистою
від домішок унаслідок магнітної сепарації. В результаті джерело генерує стаціонарні потужні потоки тепла і
іонів водню, які близькі за своїми параметрами до потоків, очікуваних на матеріали стінки термоядерного
реактора.
, nm
, %
|