本申請是于2015年5月4日提交的已進入中國國家階段的pct專利申請(中國國家申請?zhí)枮?01380057640.x，國際申請?zhí)枮閜ct/us2013/058093，發(fā)明名稱“基于負離子的中性束注入器”)的分案申請。

本文中公開的主題大體涉及中性束注入器，并且更具體地涉及基于負離子的中性束注入器。

背景技術(shù)：

直至目前，在磁核聚變研究、材料加工、蝕刻、殺菌和其它應(yīng)用中使用的中性束均由正離子形成。通過靜電場從氣體放電等離子提取和加速正氫同位素離子。在加速器的地平面之后，它們進入氣室，在此它們既經(jīng)受電荷交換反應(yīng)來獲取電子且又經(jīng)受碰撞離子化反應(yīng)來再次失去電子。由于電荷交換剖面隨著增大的能量而比離子化更快地減少，因而厚氣室中的平衡中性部分在用于氫粒子的大于60kev的能量下開始快速下降。對于需要比這高得多的能量的氫同位素中性束應(yīng)用，需要產(chǎn)生和加速負離子，并且然后將它們在薄氣室中轉(zhuǎn)換成中性的，這可在直到許多mev的寬的能量范圍上導(dǎo)致大約60％的中性部分。如果使用等離子或光子室來將高能負離子束轉(zhuǎn)換成中性的，那么可獲得甚至更高的中性部分。在光子電池的情況(對于該情況，光子能超出氫的電子親合性)下，中性部分可接近100％。值得注意的是，負離子在加速器物理學(xué)中的應(yīng)用的概念由alvarez在多于50年前首次陳述[1]。

由于用于電流驅(qū)動和在未來的較大核聚變裝置上的加熱，以及現(xiàn)有裝置上的一些應(yīng)用的中性束需要大大超出利用正離子可獲得的能量的能量，因而近年發(fā)展了基于負離子的中性束。但是，至今獲得的束電流顯著少于通過正離子源相當(dāng)常規(guī)地產(chǎn)生的。對于負離子源的關(guān)于束電流的較低性能，其物理原因是僅為0.75ev的氫的低電子親和性。因而，比它們的正配對物更難以產(chǎn)生負氫離子。還十分難以使新生的負離子達到提取區(qū)域而不與高能電子的沖突，高能電子將十分可能引起額外的松弛地結(jié)合的電子的損失。從等離子提取h^-離子來形成束可能比h⁺離子的情況更復(fù)雜，因為負離子將伴隨有更大的電子電流，除非采用抑制措施。由于從h^-離子碰撞剝離電子以用來產(chǎn)生原子的剖面比用于h⁺離子從氫分子獲得電子的剖面大得多，因而在加速期間轉(zhuǎn)換成中性的離子部分可為相當(dāng)數(shù)量的，除非通過操作處于低壓的離子源而使加速器路徑中的氣體線路密度最小化。在加速期間過早地中性化的離子形成低能量尾部，并且通常具有比經(jīng)受整個加速度勢的那些更大的發(fā)散。

加速的負離子束的中性化可利用大約60％的效率在氣體靶中實現(xiàn)。等離子和光子靶的使用允許在負離子的中性化效率的進一步增大。注入器的整體能量效率可通過在經(jīng)過中和器后保留在束中的離子種類的能量恢復(fù)而增大。

在圖3中顯示了用于iter托卡馬克的高功率中性束注入器的示意圖，該注入器也典型地用于被考慮的其它反應(yīng)器等級磁等離子約束系統(tǒng)[2]。注入器的基礎(chǔ)構(gòu)件為負離子的高電流源、離子加速器、中和器、帶有離子收集器-恢復(fù)器的電荷交換束的帶電構(gòu)件的磁分離器。

為了維持注入器中的需要的真空條件，典型地將高真空泵送系統(tǒng)與大尺寸閘門閥一起使用，該閘門閥將束管與等離子裝置切斷并且/或者提供對注入器的主元件的接近途徑。通過使用可縮進量熱靶，以及通過無損光學(xué)方法來測量束參數(shù)。強大的中性束的產(chǎn)生需要使用對應(yīng)的功率供應(yīng)源。

根據(jù)產(chǎn)生的原理，負離子源可分成下列集合：

?體積產(chǎn)生(等離子)源-在其中，在等離子的體積中產(chǎn)生離子；

?表面產(chǎn)生源-在其中，離子在電極或?qū)Ｓ冒械谋砻嫔袭a(chǎn)生；

?表面等離子源-在其中，離子在與由novosibirskgroup開發(fā)的等離子粒子互相作用的電極的表面上產(chǎn)生[3]；和

?電荷交換源-在其中，由于加速的正離子束在不同的靶上的電荷交換，故產(chǎn)生負離子。

為了在與正離子源中相似的現(xiàn)代體積h^-離子源中生成等離子，使用利用熱細絲或中空陰極的電弧放電，以及氫中的rf放電。為了放電中的電子約束的改善并且為了對于負離子源而言重要的氣體放電隔室中的氫密度的降低，使用磁場中的放電。廣泛使用具有外部磁場(即，具有電極的潘寧或磁控管幾何結(jié)構(gòu)，具有“反射”放電的縱向磁場中的電子振蕩)的系統(tǒng)，和具有外圍磁場(多極)的系統(tǒng)。在圖4中顯示了為了jet的中性束注入器開發(fā)的具有外圍磁場的放電隔室的剖面圖[3]。等離子箱的外圍處的磁場通過安裝于其外表面上的永磁體而產(chǎn)生。磁體布置成組，在其中磁化方向是不變的或以錯列順序變化，使得磁場線具有接近壁的線性或交錯尖端(cusp)的幾何結(jié)構(gòu)。

在等離子隔室的外圍處具有多極磁場的系統(tǒng)的應(yīng)用尤其允許系統(tǒng)將在隔室中處于降低的氣體工作壓力下的源中的密集等離子維持為低至1-4pa(不帶有銫)和低至0.3pa(在帶有銫的系統(tǒng)中)[4]。這種在放電隔室中的氫密度的降低對于高電流多孔巨型離子源尤其重要，其是為了核聚變研究中的應(yīng)用而開發(fā)的。

此時，表面等離子產(chǎn)生離子源被認為最適用于高電流負離子束的產(chǎn)生。

在表面等離子產(chǎn)生離子源中，在具有充分的能量的粒子與低功函表面之間的相互作用中產(chǎn)生離子。該效應(yīng)可通過暴露于轟擊的表面的堿性涂層來增強。存在兩個主要工序，即：熱力學(xué)平衡表面離子化，其中，在表面上碰撞的慢原子或分子在平均滯留時間后作為正或負離子發(fā)射回；和非平衡(運動)原子表面互相作用，其中，負離子通過濺射、碰撞解吸(與熱解吸相反，其中熱粒子被解吸)或在堿性金屬涂層的存在下的反射而產(chǎn)生。在熱力學(xué)平衡離子化的工序中，吸收的粒子在熱平衡的條件下脫離表面。離開表面的粒子的離子化系數(shù)通過saha公式而確定，并呈現(xiàn)為十分小～0.02%。

非平衡運動表面離子化的工序呈現(xiàn)為在表面中更加有效，并且具有可比得上負離子的電子親和性的足夠低的功函。在該工序期間，負離子使用從初級粒子獲得的動能來脫離表面，從而克服近表面障礙。在表面附近，附加的電子的能量水平低于在金屬中的電子的較高的費米水平，并且該水平可十分易于通過來自金屬的電子隧穿而獲得。在離開表面的離子移動期間，其克服由鏡像電荷產(chǎn)生的勢壘。電荷鏡像場相對于金屬中的電子的能量水平提高附加的電子的能量水平。從一些臨界距離開始，附加電子的水平變得高于金屬中的電子的較高能量水平，并且諧振隧穿將電子從離開的離子送回至金屬。在離子足夠快速地脫離的情況下，負離子化系數(shù)呈現(xiàn)為對于具有低功函的表面而言相當(dāng)高，該低功函可通過覆蓋堿性金屬(尤其是銫)而提供。

實驗顯示，脫離具有低功函的該表面的氫粒子的負離子化程度可達到。應(yīng)當(dāng)注意到，在0.6單層的cs覆蓋(在鎢晶體110表面上)下，鎢表面上的功函具有最小值。

對于負氫離子源的開發(fā)，重要的是，負離子的整體產(chǎn)量足夠高，k^-=9-25%，以用于具有3-25ev的能量的氫原子和正離子與具有低功函的表面(如，mo+cs,w+cs)的沖突[5]。尤其是，(見圖5)在通過具有大于2ev的能量的弗蘭克康東原子的銫化鉬表面的轟擊中，到h^-離子的整體轉(zhuǎn)換效率可達到k^-～8%。

在表面等離子源(sps)[3]中，負離子產(chǎn)生由于運動表面離子化-在與氣體放電等離子接觸的電極上的濺射、解吸、或反射工序，而實現(xiàn)。在sps中使用具有降低的功函的專用發(fā)射器的電極，以用于增強負離子產(chǎn)生。通常，對放電加入少量的銫允許獲得在h^-束的亮度和強度中的多方面增大。送入放電中的銫顯著地降低與負離子一起提取的電子的附隨通量。

在sps中，氣體放電等離子提供若干功能，即，其產(chǎn)生轟擊電極的粒子的強通量；電極附近的等離子殼層產(chǎn)生離子加速，從而增大了轟擊粒子的能量；在負電勢下在電極處產(chǎn)生的負離子通過等離子殼層電勢而加速并且穿過等離子層進入提取區(qū)域中，而沒有相當(dāng)大的破壞。利用相當(dāng)高的功率和氣體效率的強烈的負離子產(chǎn)生在“臟”的氣體放電條件和電極的強烈轟擊下，在sps的各種改型中獲得。

已經(jīng)開發(fā)若干sps源以用于大型核聚變裝置，如lhd、jt-60u和國際(iter)托克馬克。

這些源的典型的特征可通過考慮lhd仿星器的注入器[4](其在圖6[4,6]中示出)來理解。電弧等離子在具有～100升體積的大型磁性多極桶隔室中產(chǎn)生。二十四個鎢細絲在大約0.3-0.4pa的氫壓力下支持3ka,～80v電弧。在～50g的中心處具有最大電場的外部磁體過濾器提供在等離子附近的提取區(qū)域中的電子密度和溫度下降。等離子電極的正偏壓(～10v)減少了附隨的電子通量。負離子在由最優(yōu)銫層覆蓋的等離子電極上產(chǎn)生。配備有氣動閥的外部銫爐(三個用于一個源)供應(yīng)分配的銫送入(seeding)。負離子產(chǎn)生在200-250℃的最優(yōu)等離子電極溫度下獲得最大值。等離子電極受到絕熱并且其溫度通過功率負載等離子放電而確定。

在圖7中顯示了四電極多孔離子光學(xué)系統(tǒng)，其在lhd中使用[6]。負離子通過各具有1.4cm的直徑的770發(fā)射孔而提取?？自诘入x子電極上占用25x125cm²的區(qū)域。小的永磁體嵌入孔之間的提取柵極中，來將共同提取的電子從束偏轉(zhuǎn)至提取電極壁上。安裝在提取柵極后方的附加的電子抑制柵極抑制從提取電極壁反向散射或放出的次級電子。在離子源中使用帶有高透明度的多裂縫接地柵極。其降低了束交叉面積，因而改善了電壓保持能力并且將在間隙中的氣體壓力降低到1/2.5，并帶有束剝離損耗的對應(yīng)降低。提取電極和接地電極均為水冷的。

對多尖端源中的銫送入提供提取的負離子電流的5倍增大和在大范圍的放電功率和氫填充壓力下的h^-離子產(chǎn)量的線性增長。銫送入的其它重要優(yōu)點為共同提取的電子電流的～10倍減少和放電中的氫壓力的低至0.3pa的基本下降。

lhd處的多尖端源慣常地提供大約30a的離子電流，其在2秒長的脈沖上各自具有30ma/cm²的電流密度[6]。lhd離子源的主要問題為通過從細絲濺射的鎢而送至電弧隔室的銫的阻塞，和當(dāng)在高功率長脈沖方法下操作時高電壓保持能力的下降。

lhd的基于負離子的中性束注入器具有兩個離子源，其在180kev的名義束能量下利用氫操作。每個注入器已經(jīng)實現(xiàn)128秒脈沖期間5mw的名義注入功率，使得各離子源提供2.5mw的中性束。圖8a和b顯示了lhd中性束注入器。離子源的焦距為13m，并且兩個源的樞轉(zhuǎn)點定位在下游15.4m。發(fā)射端口為大約3m長，其中，最狹窄部分直徑為52cm，并且長度為68cm。

帶有rf等離子驅(qū)動器的離子源和由銫覆蓋的等離子電極上的負離子產(chǎn)生由ippgarching開發(fā)。rf驅(qū)動器產(chǎn)生更多的清潔等離子，使得在這些源中不存在由鎢導(dǎo)致的銫阻塞。帶有1a的束電流、～20kv的能量和3600秒持續(xù)時間的負離子束脈沖的穩(wěn)態(tài)提取在2011年由ipp證實。

目前，在用于下階段核聚變裝置(例如，iter托克馬克)的開發(fā)下的高能量中性束注入器，還未被證明在期望的1mev能量下的穩(wěn)定操作和具有足夠高的電流的穩(wěn)定狀態(tài)或連續(xù)波(cw)。因而，無論何時，只要有可能解決阻止實現(xiàn)束的靶參數(shù)的問題，均存在對發(fā)展可實施解決方案的需要，例如500-1000kev的范圍中的束能量、100-200a/m³的主容器端口的中性物中的有效電流密度、1000秒脈沖長度的大約5-20mw的每中性束注入器功率、和少于束電流的1-2％的通過束注入器引入的氣體負載。應(yīng)注意的是，如果注入器的模塊中的負離子電流與用于iter束的40a提取離子電流相比降低至8-10a提取離子電流，那么該目標(biāo)的實現(xiàn)變得較不被需要。在提取的電流和束功率中的逐步降低將導(dǎo)致在注入器離子源和高能加速器的關(guān)鍵元件的設(shè)計上的較大變更，使得更多良好發(fā)展的技術(shù)和方法能夠應(yīng)用于改善注入器的可靠性。因而，在如下假定下本考慮提議每模塊8-10a的提取電流：需要的輸出注入功率可使用產(chǎn)生高電流密度、低發(fā)散束的若干注入器模塊獲得。

表面等離子源性能相當(dāng)好地被證明，并且如今在操作中的若干離子源已產(chǎn)生超過1a或更高的連續(xù)可擴縮的離子束。至今，中性束注入器的關(guān)鍵參數(shù)(如，束功率和脈沖持續(xù)時間)距對考慮的注入器所要求的那些相當(dāng)遠。這些注入器的開發(fā)的當(dāng)前狀態(tài)可從表1得到理解。

因而，期望提供一種改進的中性束注入器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

在本文中提供的實施例涉及用于基于負離子的中性束注入器的系統(tǒng)和方法?；谪撾x子的中性束注入器包括離子源、加速器和中和器，來產(chǎn)生具有大約0.50至1.0mev的能量的大約5mw的中性束。離子源定位在真空罐內(nèi)側(cè)并且產(chǎn)生9a的負離子束。由離子源產(chǎn)生的離子在注入高能加速器發(fā)射之前由離子源中的靜電多孔柵極預(yù)加速器預(yù)加速至120kev，該預(yù)加速器用來從等離子提取離子束，并且加速至需要的束能量的一部分。來自離子源的120kev束行進穿過一對偏轉(zhuǎn)磁體，該對偏轉(zhuǎn)磁體允許束在進入高能加速器之前從軸線移開。在加速至滿能量后，束進入中和器，在此其被部分地轉(zhuǎn)換成中性束。剩余的離子種類通過磁體而分離并被引導(dǎo)入靜電能量轉(zhuǎn)換器中。中性束行進穿過閘門閥并進入等離子隔室。

將等離子驅(qū)動器和離子源的等離子箱的內(nèi)壁維持在升高的溫度(150-200℃)下，以防止銫在它們的表面上積聚。提供分配歧管來直接對等離子?xùn)艠O的表面上而不對等離子供應(yīng)銫。這與將銫直接供應(yīng)入等離子放電隔室中的現(xiàn)有離子源相反。

使用磁場來在離子提取中偏轉(zhuǎn)共同提取的電子，并且通過外部磁體而不通過在之前的設(shè)計中采用的嵌入柵極主體中的磁體來產(chǎn)生預(yù)加速區(qū)域。在柵極中的嵌入的“低溫”磁體的不存在允許它們被加熱至升高的溫度。之前的設(shè)計傾向于利用嵌入柵極主體中的磁體，這傾向于導(dǎo)致提取的束電流的顯著的減少，并且防止升高的溫度操作以及適當(dāng)?shù)募訜?冷卻性能。

高電壓加速器不直接聯(lián)接至離子源，而是通過具有彎轉(zhuǎn)磁體、真空泵和銫阱的過渡區(qū)域(低能束傳輸線-lebt)與離子源間隔開。過渡區(qū)域從束截取和移除共同流動的粒子中的大多數(shù)，包括電子、光子和中性物，抽空從離子源發(fā)出的氣體，并且防止其到達高電壓加速器，防止銫流出離子源和滲透至高電壓加速器，防止通過負離子剝離產(chǎn)生的電子和中性物進入高電壓加速器。在之前的設(shè)計中，離子源直接連接至高電壓加速器，這傾向于導(dǎo)致高電壓加速器遭受所有的氣體、帶電粒子、和來自離子源的銫流，且反之亦然。

lebt中的彎轉(zhuǎn)磁體將束偏轉(zhuǎn)和聚焦至加速器軸線上，并且因而補償在傳輸穿過離子源的磁場期間的任何束偏移和偏轉(zhuǎn)。在預(yù)加速器和高電壓加速器的軸線之間的偏移減少了共同流動的粒子去往高電壓加速器的流入，并且防止高度加速的粒子(正離子和中性物)回流入預(yù)加速器和離子源中。束聚焦與多孔柵極系統(tǒng)相比還促進了進入加速器的束的均一性。

中和器包括等離子中和器和光子中和器。等離子中和器基于在壁處具有高磁場永磁體的多尖端等離子約束系統(tǒng)。光子中和器是基于基于高反射壁的圓柱形空腔，并且利用高效率激光進行泵送的光子阱。這些中和器技術(shù)從未考慮應(yīng)用于大規(guī)模中性束注入器中。

在檢查下列附圖和詳細說明后，實例實施例的其它系統(tǒng)、方法、特征和優(yōu)點對于本領(lǐng)域技術(shù)人員將是或?qū)⒆兊蔑@而易見。

附圖說明

可通過對附圖的研究來部分地收集實例實施例的細節(jié)，包括結(jié)構(gòu)和操作，其中，相似的參考數(shù)字指相似的元件。附圖中的構(gòu)件不一定遵循比例，而是將重點放置于示出本發(fā)明的原理上。而且，所有的示出均意圖傳達概念，其中，可示意地而不是精確地或準確地示出相對尺寸、形狀以及其它詳細特征。

圖1是基于負離子的中性束注入器布局的平面圖。

圖2是在圖1中顯示的基于負離子的中性束注入器的剖視等距視圖。

圖3是用于iter托克馬克的中性的高功率注入器的平面圖。

圖4是用于jet中性束注入器的具有外圍多極磁場的放電隔室的等距剖視圖。

圖5是顯示作為入射能的函數(shù)的負離子的整體產(chǎn)量的圖表，該負離子通過利用中性h原子和正分子h轟擊mo+cs表面形成。與僅預(yù)銫化表面相比，通過利用dc銫化來增加產(chǎn)量。

圖6是用于lhd的負離子源的平面圖。

圖7是用于lhd源的多孔離子光學(xué)系統(tǒng)的示意圖。

圖8a和b是lhd中性束注入器的頂視圖和側(cè)視圖。

圖9是離子源的剖視圖。

圖10是低能量氫原子源的剖視圖。

圖11是顯示在低能量束中的h^-離子軌跡的圖。

圖12是加速器的等距視圖。

圖13是顯示加速管中的離子軌跡的圖。

圖14是四極透鏡三合體的等距視圖。

圖15是顯示在高能束輸送線的加速器中的離子軌跡的頂視圖(a)和側(cè)視圖(b)的圖。

圖16是等離子靶布置的等距視圖。

圖17是顯示在恢復(fù)器中的離子束減速的二維計算的結(jié)果的圖。

應(yīng)當(dāng)理解的是，遍及附圖，具有相似結(jié)構(gòu)或功能的元件通常由相似的參考數(shù)字代表以用于示出目的。還應(yīng)當(dāng)注意的是，附圖僅意圖促進優(yōu)選實施例的描述。

具體實施方式

在下面公開的附加的特征和教導(dǎo)可單獨地或結(jié)合其它特征和技術(shù)利用，來提供新的基于負離子的中性束注入器。現(xiàn)在將參照附圖更加詳細地描述在本文中描述的實施例的代表實例，這些實例既單獨地又結(jié)合地利用這些附加特征和教導(dǎo)中的許多。該詳細描述僅意圖教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員用于實踐本教導(dǎo)的優(yōu)選方面的更多細節(jié)，并且不意圖限制本發(fā)明的范圍。因而，在最廣泛的意義上，在下列詳細描述中公開的特征和步驟的組合對于實踐本發(fā)明不是必須的，而是僅被教導(dǎo)來尤其描述本教導(dǎo)的代表性實例。

而且，代表性實例和從屬權(quán)利要求的各種特征可以以未具體地和明確地列舉的方式組合，以便提供本教導(dǎo)的附加的有用實施例。此外，清楚地注意到，在說明書和/或權(quán)利要求中公開的所有特征意圖彼此分離地且獨立地公開，以用于原始公開的目的，并且用于約束要求保護的主題的目的，該主題與在實施例和/或權(quán)利要求中的特征的組合無關(guān)。還清楚地注意到，所有的值范圍或?qū)嶓w的集合的指示公開了每個可能的中間值，或中間實體，以用于原始公開的目的，并且用于約束公開的主題的目的。

在本文中提供的實施例涉及新的基于負離子中性束注入器，其具有優(yōu)選地為大約500-1000kev的能量和高整體能量效率。在圖1和圖2中示出了基于負離子的中性束注入器100的實施例的優(yōu)選布置。如所繪出的，注入器100包括：離子源110、閘門閥120、用于偏轉(zhuǎn)低能束線的偏轉(zhuǎn)磁體130、絕緣體支撐140、高能加速器150、閘門閥160、中和器管(示意地顯示)170、分離磁體(示意地示出)180、閘門閥190、泵送面板200和202、真空罐210(其為在下面討論的真空容器250的部分)、低溫吸附泵220、和四極透鏡的三合體230。如所注意到的，注入器100包括離子源110、加速器150以及中和器170，來產(chǎn)生具有大約0.50至1.0mev的能量的大約5mw的中性束。離子源110位于真空罐210內(nèi)側(cè)并且產(chǎn)生9a的負離子束。真空罐210偏壓至相對于地的-880kv，并且在填充有sf6氣體的較大直徑罐240內(nèi)側(cè)安裝于絕緣支撐140上。由離子源產(chǎn)生的離子在注入高能加速器150中之前，通過離子源110中的靜電多孔柵極預(yù)加速器111(見圖9)預(yù)加速至120kev，該預(yù)加速器111用來從等離子提取離子束，并且加速至需要的束能量的一些部分。來自離子源110的120kev束行進穿過一對偏轉(zhuǎn)磁體130，其允許束在進入高能加速器150之前從軸線移開。顯示為在偏轉(zhuǎn)磁體130之間的泵送面板202包括隔離和銫阱(trap)。

假定離子源110的氣體效率為大約30％。9-10a的射出的負離子束電流對應(yīng)于離子源110中的6-7itorr/s的氣體噴出。從離子源110流出的中性氣體累積至預(yù)加速器111中的大約2x10^-4torr的平均壓力。在該壓力下，中性氣體引起在預(yù)加速器111內(nèi)側(cè)的離子束的～10%的剝離損耗。在偏轉(zhuǎn)磁體130之間，存在用于中性粒子的貯存器(未顯示)，該中性粒子起源于主負離子束。還存在用于從高能加速器150回流的正離子的貯存器(未顯示)。在預(yù)加速后立即使用帶有來自泵送面板200的差壓泵送的低能束傳輸線區(qū)域205，來在其到達高能加速器150之前將氣體壓力降低至～10^-6torr。這引入了附加的～5%的束損耗，但是由于其在低預(yù)加速能量下發(fā)生，故功率損耗相對小。高能加速器150中的電荷交換損耗在10^-6torr背景壓力下低于1％。

在加速至1mev的滿能量后，束進入中和器170，在此其被部分地轉(zhuǎn)換成中性束。剩余的離子種類由磁體180分離并被引導(dǎo)入靜電能量轉(zhuǎn)換器(未顯示)中。中性束行進穿過閘門閥190并進入等離子隔室270。

真空容器250被分解成兩個區(qū)段。一個區(qū)段包含第一真空罐210中的預(yù)加速器111和低能束線205。另一區(qū)段容納在第二真空罐255中的高能束線265、中和器170和帶電粒子能量轉(zhuǎn)換器/恢復(fù)器。真空容器250的區(qū)段通過在內(nèi)側(cè)具有高能加速器管150的隔室260連接。

第一真空罐210是預(yù)加速器111和低能束線205的真空邊界，并且利用sf6加壓較大直徑罐或外部容器240以用于高電壓絕緣。真空罐210和255用作用于內(nèi)部設(shè)備(例如，磁體130、低溫吸附泵220等)的支撐結(jié)構(gòu)。從內(nèi)部熱承受構(gòu)件的熱移除將利用冷卻管來實現(xiàn)，在被偏壓至-880kv的第一真空罐210的情況下，該冷卻管必須進行絕緣間歇。

離子源：

在圖9中顯示了離子源110的示意圖。離子源包括：靜電多孔預(yù)加速器柵極111、陶瓷絕緣體112、rf型等離子驅(qū)動器113、永磁體114、等離子箱115、冷卻水通道和岐管116、和氣體閥117。在離子源110中，使用等離子預(yù)加速器柵極111的銫化鉬表面，將由等離子驅(qū)動器113形成的正離子和中性原子轉(zhuǎn)換成等離子膨脹體積(驅(qū)動器113與柵極111之間的體積，在圖9中由標(biāo)注“pe”的括弧指示)中的負離子，該體積帶有如由永磁體114提供的磁性多極桶外殼。

施加用于去往等離子預(yù)加速器柵極111的電子的收集的正偏壓電壓，以用于負離子產(chǎn)生的優(yōu)化條件。使用等離子預(yù)加速器柵極111中的孔111b的幾何成形，來將h^-離子聚焦入提取柵極的孔111b中。使用由外部永磁體114產(chǎn)生的小的橫向磁性過濾器來降低電子的溫度，該電子從等離子箱115的驅(qū)動器區(qū)域或等離子發(fā)射器區(qū)域pe擴散至等離子箱115的提取區(qū)域er。等離子中的電子通過由外部永磁體114產(chǎn)生的小的橫向磁性過濾器場而從提取區(qū)域er反射回。離子在注入高能加速器150中之前通過離子源110中的靜電多孔預(yù)加速器等離子?xùn)艠O111而加速至120kev。在加速到高能量之前，離子束在直徑上為大約35cm。離子源110因而必須在孔111b中產(chǎn)生26ma/cm²，從而在預(yù)加速器等離子?xùn)艠O111中呈現(xiàn)33％透明度。

對等離子箱115進行供給的等離子通過等離子驅(qū)動器113的陣列而產(chǎn)生，該等離子驅(qū)動器113安裝在等離子箱的后凸緣115a上，該等離子箱優(yōu)選地為圓柱形水冷銅隔室(700mm直徑持續(xù)170mm長)。等離子箱115的開放端部由提取和加速系統(tǒng)的預(yù)加速器等離子?xùn)艠O111封閉。

假定負離子將在等離子?xùn)艠O111的表面上產(chǎn)生，該等離子?xùn)艠O111覆蓋有銫的薄層。通過使用銫供應(yīng)系統(tǒng)(在圖9中未顯示)將銫引入等離子箱115中。

離子源110由永磁體114圍繞，以形成用于初級電子和等離子約束的線尖端構(gòu)造。等離子箱115的圓柱形壁上的磁體柱114a在后凸緣115a處由也處于線尖端構(gòu)造的磁體114b的排連接。等離子?xùn)艠O111的平面附近的磁性過濾器將等離子箱115分成等離子發(fā)射器pe和提取區(qū)域er。過濾器磁體114安裝于等離子?xùn)艠O111附近的凸緣111a處，來提供橫向磁場(在中心處，b=107g)，其用來防止來自離子驅(qū)動器113的高能初級電子到達提取區(qū)域er。但是，正離子和低能電子可跨過過濾器擴散到提取區(qū)域er中。

電極提取和預(yù)加速系統(tǒng)111包括五個電極111c、111d、111e、111f、111g，各自具有形成為正交穿過其形成其并且用來提供負離子束的142個孔洞或孔111b。提取孔111b各自在直徑上為18mm，使得142個提取孔的總離子提取區(qū)域為大約361cm²。負離子電流密度為25ma/cm²，并且被要求產(chǎn)生9a的離子束。過濾器磁體114c的磁場延伸到靜電提取器與預(yù)加速器柵極111之間的間隙中，來使共同提取的電子偏轉(zhuǎn)到孔111b的內(nèi)表面處的凹槽上，該孔111b在提取電極111c、111d和111e中。磁性過濾器磁體114c的磁場與附加的磁體114d的磁場一起提供與負離子共同提取的電子的偏轉(zhuǎn)和截取。附加的磁體114d包括安裝在加速器柵極的加速器電極111f和111g的保持器之間的磁體陣列，該加速器柵極定位在包括提取電極111c、111d以及111e的提取柵極的下游。將負離子加速至120kev的能量的第三柵極電極111e從接地柵極電極111d被正偏壓，來將進入預(yù)加速器柵極的流動的正離子反射回。

等離子驅(qū)動器113包括兩個備選項，即rf等離子驅(qū)動器和電弧放電原子驅(qū)動器。在原子驅(qū)動器中使用binp開發(fā)的電弧放電電弧等離子發(fā)生器。電弧放電等離子發(fā)生器的特征由導(dǎo)向等離子射流的形成組成。膨脹的射流中的離子沒有沖突地移動，并且由于通過雙極等離子電勢的下降的加速，而獲得～5-20ev的能量。等離子射流可被導(dǎo)向至轉(zhuǎn)換器(見在圖10中的320)的傾斜的鉬或鉭表面上，其中，作為射流的中性化和反射的結(jié)果，產(chǎn)生氫原子流。氫原子的能量可通過轉(zhuǎn)換器的相對于等離子箱115的負偏壓而增大至超出初始的5-20ev。關(guān)于利用這種轉(zhuǎn)換器獲得原子的密集流的實驗于1982-1984年在budkerinstitute中進行。

在圖10中，低能量原子的源的先進布置300顯示為包括氣體閥310、陰極插入物312、直通至加熱器314的電供應(yīng)、冷卻水歧管316、lab6電子發(fā)射器318、和離子-原子轉(zhuǎn)換器320。在實驗中，已經(jīng)以大于50％的效率產(chǎn)生了氫原子流，該氫原子流具有20-25a的等效電流和在20ev至80ev的范圍中變化的能量。

此種源可用在負離子源中，以供應(yīng)原子，該原子具有為了等離子?xùn)艠O111的銫化表面上的負離子的有效產(chǎn)生而優(yōu)化的能量。

低能束傳輸線

利用通過離子源110的外圍磁場且通過兩個專用楔形彎轉(zhuǎn)磁體130的磁場造成的偏差，使h-離子垂直于它們的運動方向移置440mm，該h-離子通過離子源110在沿著低能束傳輸線205的它們的通路上產(chǎn)生且預(yù)加速至120kev的能量。提供低能束傳輸線205中的負離子束的移置(如在圖11中所示出的)，來分離離子源110和高能加速器區(qū)域150。使用該移置來避免因加速管150中的剩余的氫的h^-束的剝離導(dǎo)致的快速原子的滲透，來減少從離子源110到加速管150的銫和氫的流，并且還用于抑制從加速管150到離子源110的次級離子通量。在圖11中，顯示了在低能束傳輸線中的h-離子的計算的軌跡。

高能束管

從低能束線逸出的低能束進入圖12中顯示的常規(guī)靜電多孔加速器150中。

考慮空間電荷貢獻的9a負離子束加速的計算的結(jié)果在圖13中顯示。將離子從120kev能量加速直至1mev。在管150上的加速度勢為880kv，且電極之間的電勢階梯為110kv。

計算顯示，在電子放電可能發(fā)生的區(qū)域中，在電極上的優(yōu)化加速管150中，場強度不超過50kv/cm。

在加速后，束行進穿過工業(yè)常規(guī)四極透鏡231、232和233(圖14)的三合體230，其用來補償在加速管150的出口上的輕微的束離焦，并且用來在出口端口上形成具有優(yōu)選尺寸的束。三合體230安裝在高能束傳輸線265的真空罐255內(nèi)。四極透鏡231、232和233中的各個包括四極電磁體的常規(guī)組，其產(chǎn)生如在所有的現(xiàn)代常規(guī)粒子加速器中發(fā)現(xiàn)的慣例的磁性聚焦場。

在圖15中顯示了，在加速管150、四極透鏡230以及高能束傳輸線265中的具有12ev的橫向溫度的9a負離子束的計算的軌跡。計算遵循超出其聚焦點的束。

在徑向剖面的一半高度處，在中和器后12.5m距離處的具有6a等效電流的中性束的計算的直徑為140mm,并且束電流中的95%在180mm直徑圓周中。

中性化

選擇用于束系統(tǒng)的光致分離中和器170可實現(xiàn)多于95％的離子束剝離。中和器170包括氙燈和圓柱形光阱的陣列，該圓柱形光阱帶有反射壁來提供要求的光子密度。使用具有大于0.99的反射率的冷卻鏡來適應(yīng)壁上的大約70kw/cm²的功率通量。在備選方案中，可使用利用常規(guī)技術(shù)的等離子中和器，但代價是效率上的輕微下降。然而，如所預(yù)測的，如果能量回收系統(tǒng)具有>95%的效率，那么等離子室的～85%中性化效率是相當(dāng)充分的。

等離子中和器等離子被約束在在壁處具有多極磁場的圓柱形隔室175中，該多極磁場由永磁體172的陣列產(chǎn)生。在圖16中顯示了約束裝置的概要視圖。中和器170包括冷卻水歧管171、永磁體172、陰極組件173和lab6陰極174。

圓柱形隔室175為1.5-2m長，并且在用于束行進穿過的端部處具有開口。通過使用安裝在約束隔室175的中心處的若干陰極組件173來生成等離子。在裝置170的中心附近供應(yīng)工作氣體。在利用這種等離子中和器170的原型的實驗中，觀測到，由壁處的多極磁場172進行的電子的約束足夠好并且比等離子離子的約束好相當(dāng)多。為了使離子和電子損耗均衡，在等離子中發(fā)展了相當(dāng)?shù)呢撾妱?，以便離子由電場有效地約束。

相當(dāng)長的等離子約束導(dǎo)致維持支持中和器170中的大約10¹³cm^-3的等離子密度所需的相對低的放電功率。

能量恢復(fù)

存在在我們的條件下的高功率效率的實現(xiàn)的客觀原因。首先，存在：相對小的離子束電流和低能量擴展。在本文中描述的方案中，通過利用等離子或蒸汽金屬靶，剩余離子電流在中和器后期望為～3a。這些帶有正或負電荷的剔出離子的流將通過偏轉(zhuǎn)磁體180而轉(zhuǎn)移至兩個能量恢復(fù)器，各一個分別用于正和負離子。已經(jīng)進行了這些剩余的剔出離子束的減速的數(shù)值模擬，該束典型地帶有在恢復(fù)器內(nèi)的直接轉(zhuǎn)換器中的1mev能量和3a，而沒有空間電荷補償。直接轉(zhuǎn)換器將在剩余的剔出離子束中包含的能量的相當(dāng)大的部分直接轉(zhuǎn)換成電力，并作為用于并入熱循環(huán)中的高質(zhì)量熱來供應(yīng)能量的剩余部分。直接轉(zhuǎn)換器遵循靜電多孔減速器的設(shè)計，由此帶電電極的連續(xù)區(qū)段產(chǎn)生縱向中斷場并且吸收離子的動能。

圖17顯示了轉(zhuǎn)換器中的離子束減速的二維計算的結(jié)果。從顯示的計算，可見具有1mev能量的離子束低至30kev能量的減速是十分可行的，因而可獲得96-97％的恢復(fù)因數(shù)值。

已經(jīng)分析了基于負離子的高功率中性束注入器的之前的開發(fā)嘗試，來揭露出阻止實現(xiàn)具有～1mev的穩(wěn)定狀態(tài)操作和若干mw的功率的注入器的至今的關(guān)鍵問題。其中最重要的為：

?銫層的控制，和損耗以及重新沉積(溫度控制等)

?用以提取的負離子的表面產(chǎn)生的優(yōu)化

?共同流動的電子的分離

?因內(nèi)部磁場導(dǎo)致的等離子?xùn)艠O處的離子電流剖面的非均一性

?低離子電流密度

?加速器是復(fù)雜的，并且許多新技術(shù)仍正在被開發(fā)(低電壓保持能力，大絕緣體等)

?回流正離子

?先進的中和器技術(shù)(等離子、光子)未在相關(guān)條件下被證實

?能量轉(zhuǎn)換未充分發(fā)展

?管中的束阻塞。

在本文中提供的問題的創(chuàng)新性解決方案可根據(jù)與它們連接的系統(tǒng)(即負離子源、提取/加速、中和器、能量轉(zhuǎn)換器等)而分組。

1.0負離子源110:

1.1.等離子箱115和等離子驅(qū)動器113的內(nèi)部壁保持在升高的溫度(150-200℃)下，來防止銫在它們的表面上積聚。

升高的溫度：

-防止由解吸/濺射引起的不受控制的銫釋放，并且降低其到離子光學(xué)系統(tǒng)(柵極111)中的滲入；

-減少壁處的銫層中的氫原子的吸收和重組；

-減小銫的消耗和中毒。

為了實現(xiàn)其，使高溫流體循環(huán)穿過所有構(gòu)件。表面的溫度通過主動反饋控制(即：熱在cw操作和瞬態(tài)狀態(tài)期間被移除或增加)進一步穩(wěn)定。與該方法相反，所有其它現(xiàn)有和計劃的束注入器使用被動系統(tǒng)，其利用在冷卻劑管與熱電極主體之間的水冷卻和熱中斷。

1.2.銫通過分配歧管直接供應(yīng)至等離子?xùn)艠O111的表面上，而不供應(yīng)至等離子。通過分配歧管供應(yīng)銫：

-在所有的束開啟時間期間提供受控的且分配的銫供應(yīng)；

-防止典型地由等離子導(dǎo)致的阻塞引起的銫短缺；

-在長脈沖期間在其積聚和解除阻塞后減少來自等離子的銫釋放。

相反地，現(xiàn)有的離子源將銫直接供應(yīng)入排放隔室中。

2.0預(yù)加速器(100-kev)111：

2.1.使用磁場來在離子提取中使共同提取的電子偏轉(zhuǎn)，并且通過外部磁體而不通過如在之前的設(shè)計中采用的嵌入柵極主體中的磁體來產(chǎn)生預(yù)加速區(qū)域：

-在柵極之間的高電壓間隙中的磁場線在各處均朝受到負偏壓的柵極凹入，即朝提取間隙中的等離子?xùn)艠O和朝預(yù)加速間隙中的提取柵極凹入。磁場線朝受到負偏壓的柵極的凹陷防止高電壓間隙中的局部潘寧阱和共同提取的電子的俘獲/增加，因為其可在具有嵌入磁體的構(gòu)造中發(fā)生。

-可將不帶有嵌入的“低溫”nib磁體的離子光學(xué)系統(tǒng)(ios)(柵極111)的電極加熱至升高的溫度(150-200℃)，并且通過使用熱(100-150℃)的液體而允許長脈沖期間的熱移除。

-嵌入磁體的不存在節(jié)省了柵極的發(fā)射孔之間的空間，并且允許引入更有效的電極加熱/冷卻通道。

相反地，之前的設(shè)計利用嵌入柵極主體中的磁體。這導(dǎo)致了高電壓間隙中的靜磁電阱的形成，該阱俘獲且增加共同提取的電子。這可引起在提取的束電流中的顯著下降。其還防止對于長脈沖操作而言關(guān)鍵的升高溫度操作以及適當(dāng)?shù)募訜?冷卻性能。

2.2.離子光學(xué)系統(tǒng)(柵極111)的所有電極通常在升高的溫度(150-200℃)下被支撐，來防止銫在它們表面處積聚，并且增加提取和預(yù)加速間隙的高電壓強度。相反地，在常規(guī)設(shè)計中，電極由水冷卻。電極具有升高的溫度，因為在冷卻劑管與電極主體之間存在熱中斷，并且不存在主動反饋。

2.3.通過使具有可控溫度的熱液體流動穿過柵極111內(nèi)側(cè)的內(nèi)部通道，執(zhí)行起動時的柵極111的初始預(yù)熱和束開啟階段期間的熱移除。

2.4.穿過側(cè)面空間和柵極保持器中的大開口從預(yù)加速間隙額外地泵出氣體，以便沿著束線減小氣體壓力，并且抑制間隙中的負離子剝離和次級粒子的產(chǎn)生/增加。

2.5.包含正偏壓柵極111以用來彈回流動的正離子。

3.0高壓(1mev)加速器150：

3.1.高電壓加速器150不直接聯(lián)接至離子源，而是通過具有彎轉(zhuǎn)磁體130、真空泵和銫阱的過渡區(qū)域(低能束傳輸線-lebt205)與離子源間隔開。過渡區(qū)域：

-從束截取和移除共同流動的粒子中的大多數(shù)，包括電子、光子和中性物；

-泵出從離子源110發(fā)出的氣體，并且防止其到達高電壓加速器150；

-防止銫流出離子源110并滲透至高電壓加速器150；

-防止由負離子剝離產(chǎn)生的電子和中性物進入高電壓加速器150。

在之前的設(shè)計中，離子源直接連接至高電壓加速器。這導(dǎo)致高電壓加速器遭受所有的氣體、帶電粒子、和從離子源流出的銫，且反之亦然。該強干涉降低了高電壓加速器的電壓保持能力。

3.2.lebt205中的彎轉(zhuǎn)磁體130使束偏轉(zhuǎn)和聚焦至加速器軸線上。彎轉(zhuǎn)磁體130：

-在傳輸穿過粒子源110的磁場期間補償任何束偏移和偏轉(zhuǎn)；

-在預(yù)加速器111和高電壓加速器150的軸線之間的偏移減少了共同流動的粒子去往高電壓加速器150的流入，并且防止高度加速的粒子(正離子和中性物)回流入預(yù)加速器111和離子源110中。

相反地，之前的系統(tǒng)在加速級之間不具有物理分離，并且因而，不允許在本文中作為特征的軸向偏移。

3.3.低能束線205的磁體將束聚焦入單孔加速器150的進口中：

-束聚焦與多孔柵極系統(tǒng)相比促進了進入加速器150的束的均一性。

3.4.單孔加速器的應(yīng)用：

-簡化系統(tǒng)對準和束聚焦；

-促進氣體泵送和從高能加速器150的次級粒子移除；

-減少了到高能加速器150的電極上的束損耗。

3.5.磁性透鏡230在加速后使用，以補償在加速器150中的過度聚焦并且形成準平行的束。

在常規(guī)設(shè)計中，除了在加速器自身中之外，不存在用于束聚焦和偏轉(zhuǎn)的機構(gòu)。

4.0中和器170:

4.1等離子中和器基于在壁處具有高磁場永磁體的多尖端等離子約束系統(tǒng)；

-增加中性化效率；

-使整體中性束注入器損耗最小化。

這些技術(shù)從未被考慮應(yīng)用于大規(guī)模中性束注入器中。

4.2光子中和器-光子阱基于具有高反射壁的圓柱形空腔阱并且利用高效率激光進行泵送。

-進一步增大中性化效率；

-使整體中性束注入器損耗最小化。

這些技術(shù)從未被考慮應(yīng)用于大規(guī)模中性束注入器中。

5.0恢復(fù)器:

5.1剩余離子能量恢復(fù)器的應(yīng)用：

-增大了注入器的整體效率。

相反地，在常規(guī)設(shè)計中完全未預(yù)見到恢復(fù)。

[0100]參考：

[1.]l.w.alvarez,rev.sci.instrum.22,705(1951)

[2.]r.hemsworthetal.rev.sc.instrum.,vol.67,p.1120(1996)

[3.]capitellim.andgorsec.ieeetransonplasmasci,33,n.6,p.1832-1844(2005)

[4.]hemsworthr.s.,inouet.,ieeetransonplasmasci,33,n.6,p.1799-1813(2005)

[5.]b.rasser,j.vanwunnikandj.lossurf.sci.118(1982),p.697(1982)

[6.]y.okumura,h.hanada,t.inoueetal.aipconf.proceedings#210,ny,p.169-183(1990)

[7.]o.kaneko,y.takeiri,k.tsumori,y.oka,andm.osakabeetal.,“engineeringprospectsofnegative-ion-basedneutralbeaminjectionsystemfromhighpoweroperationforthelargehelicaldevice,”nucl.fus.,vol.43,pp.692–699,2003。

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