초록 ▼

본 연구의 목표는 향후 KSTAR (> 300 sec 연속 운전)을 위하여 현재 제작되고 있는 중성입자빔 입사장치의 필라멘트 아크방전 이온원을 대체하기 위한 RF 플라즈마 원 제작 기반 기술 및 장치 기술 확보임. RF 이온원 모델과 10 kW급 RF 이온원 모사 장치 실험 장치를 활용하여 장시간 (300 s), 고밀도 (>10¹² cm^-3), 13 × 45 cm² 빔 인출면 대비 불균일도 10 % 이내 조건 달성이 가능한 100 kW급 이중 주파수 RF 이온원의 설계 기반

본 연구의 목표는 향후 KSTAR (> 300 sec 연속 운전)을 위하여 현재 제작되고 있는 중성입자빔 입사장치의 필라멘트 아크방전 이온원을 대체하기 위한 RF 플라즈마 원 제작 기반 기술 및 장치 기술 확보임. RF 이온원 모델과 10 kW급 RF 이온원 모사 장치 실험 장치를 활용하여 장시간 (300 s), 고밀도 (>10¹² cm^-3), 13 × 45 cm² 빔 인출면 대비 불균일도 10 % 이내 조건 달성이 가능한 100 kW급 이중 주파수 RF 이온원의 설계 기반 기술을 구축하였음. 기반 기술을 토대로 KSTAR NBI용 100 kW급 이중 주파수 RF 이온원 설계를 완료하였으며, 100 kW급 RF 이온원 진단용 탐침을 개발하였음. RF 음이온원 장치 실험을 통해 차세대 중성입자빔 가열 장치용 RF 음이온원 제작 기반 기술도 확보하였음.

Abstract ▼

Ⅳ. Results of R&D
1^st year in the first step
□ Survey for the status of NBI RF ion source R&D
▫ Design parameters for NBI RF ion source
: 1. High density (> 10¹¹ cm^-3)
2. Uniformity (non-uniformity < 10 %)
3. Electrical and thermal stability in long

Ⅳ. Results of R&D
1^st year in the first step
□ Survey for the status of NBI RF ion source R&D
▫ Design parameters for NBI RF ion source
: 1. High density (> 10¹¹ cm^-3)
2. Uniformity (non-uniformity < 10 %)
3. Electrical and thermal stability in long period operation(> 300s)
4. High H⁺ ion ratio
□ Design data collection for the ICP ion source prototype
▫ 500 mm Φ ICP experiments + CFD-ACE simulation
The optimum aspect ratio for ion source : about 1.6
□ Development of plasma diagnostics for RF plasma ion source
▫ Development of RF compensated probe
2^nd year in the first step
□ Construction of several kW RF-ICP prototype
▫ Construction of design database of RF ion source prototype by using ICP transformer circuit model and hydrogen plasma analysis model
▫ Experimental investigation of pressure and RF power effects on hydrogen ion species ratio
High H⁺ ion ratio condition
: The optimum pressure ∼ 5 mTorr / high density less hot electrons
□ Development of plasma diagnostics for high density and high power ion source
▫ Development of RF compensated probe for high density plasma
3^rd year in the first step
□ Upgrade of RF ion source prototype to several tens of kW RF ion source
▫ Success to generate plasma of 10 kW RF power
▫ Success to achieve high density (> 10^{11 cm-3) plasma
▫ Success to achieve uniform (non-uniform < 10 %) plasma
▫ Investigation of driving frequency effect on plasma
□ Development of stabilization technology on ion source
▫ Success to operate RF ion source prototype in high temperature and high density conditions during long period (>300 s)
1st year in the second step
□ Development of design technology on antenna and RF matcher for 100 kW high density uniform RF ion source
▫ Development of hydrogen plasma global model
▫ Development of ICP transformer circuit model
▫ Construction of database of the dielectric breakdown around antenna / RF matcher and the cooling technology on heat load of antenna and RF matcher
□ Deduction of design data from the experiments of 10 kW dual antenna RF ion source
▫ Investigation of dual frequency effect on control of proton density ratio
▫ Investigation of dual antenna effect on control of density and density distribution
□ Development of probe fabrication technique associated with plasma diagnostics for high power, high density RF plasma
▫ Development of RF compensated probe for high density (>1011 cm-3) plasma diagnostics
2nd year in the second step
□ Deduction of concept design for 100 kW RF ion source coupled with beam extraction part and magnetic bucket from KAERI
▫ Development of Faraday shield design
▫ Design of connection plug into beam extraction part for the required plasma uniformity
▫ Design of 100 kW RF ion source coupled with Faraday shield and magnetic bucket
□ Fabrication of probe associated with plasma diagnostics in high power, high density RF plasma
▫ Development of RF compensated and water-cooled probe for high density (> 1012 cm-3) plasma diagnostics
□ Construction of database for development technologies on the next generation NBI RF negative ion source
▫ Development of RF ion source model for 100 kW RF negative ion source}

목차 Contents

• 제 출 문 ... 1
• 보고서 요약서 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• S U M M A R Y ... 10
• C O N T E N T S ... 19
• 목 차 ... 20
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 21
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 22
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과 ... 23
• 제 1 절 RF 이온원의 개요 및 공학 설계 인자 ... 23
• 제 2 절 모사용 ICP 장치를 활용한 RF 이온원 설계자료 구축 ... 27
• 제 3 절 10 kW급 RF 이온원 모사장치 제작 및 설계 자료 도출 ... 36
• 제 4 절 100 kW급 RF 이온원 설계 ... 55
• 제 5 절 100 kW급 RF 이온원용 고밀도 플라즈마 진단계 설계 ... 97
• 제 6 절 RF 음이온원 제작 기반 기술 ... 108
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 127
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획 ... 137
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 138
• 제 7 장 참고문헌 ... 139
• 끝페이지 ... 143