基于負離子的中性射束注入器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本文中公開的主題大體涉及中性射束注入器，并且更具體地涉及基于負離子的中 性射束注入器。
【背景技術】
[0002] 直至目前，在磁熔化研宄、材料加工、蝕刻、殺菌和其它應用中使用的中性射束均 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，在此它們既經受電荷交換反應來獲取電子且又經受碰撞離子化 反應來再次失去電子。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 這稍高的能量的氫同位素中性射束應用，需要產生和加速負離子，并且然后將它們在薄氣 室中轉換成中性的，這可導致跨過直到許多MeV的大范圍能量的大約60%的中性部分。如 果使用等離子或光子室來將高能負離子射束轉換成中性的，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中的應用的概念由Alvarez在多于50年前 首次陳述[1]。
[0003] 由于用于電流驅動和在未來的較大熔化裝置上的加熱，以及現(xiàn)有裝置上的一些應 用的中性射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 的中性射束。但是，至今獲得的射束電流顯著少于通過正離子源相當日常地產生的。負離 子源的關于射束電流的較低性能的物理原因是僅為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合的電子的損失。從等離子提取 r離子來形成射束可能比H+離子的情況更復雜，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r離子碰撞剝離電子以用來產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，因而在加速期間轉換成中性的離子部分可為顯著的，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，并且通常具有比經受整個加速度勢的那些更大的發(fā)散。
[0004] 加速的負離子射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 過中和器后保留在射束中的離子種類的能量恢復而增大。
[0005] 在圖3中顯示了用于ITER托卡馬克的高功率中性射束注入器的示意圖，該注入器 也典型地用于被考慮的其它反應器等級磁等離子約束系統(tǒng)[2]。注入器的基礎構件為負離 子的高電流源、離子加速器、中和器、帶有離子收集器-恢復器的電荷交換射束的帶電構件 的磁分離器。
[0006] 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，該閘門閥將射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，以及通過無損光學方法來測量射束參數(shù)。強大的中性射束 的產生需要使用對應的功率供應源。
[0007] 根據(jù)產生的原理，負離子源可分成下列集合： ?體積產生（等離子）源-在其中，在等離子的體積中產生離子； ?表面產生源-在其中，離子在電極或專用靶的表面上產生； ?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 的電極的表面上產生[3];和 ?電荷交換源-在其中，由于加速的正離子射束在不同的靶上的電荷交換，故產生負離 子。
[0008] 為了在與正離子源中相似的現(xiàn)代體積IT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構，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的中性射束注入 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)的幾何結構。
[0009]在等離子隔室的外圍處具有多極磁場的系統(tǒng)的應用尤其允許系統(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l_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，其是為了熔化研宄中的應用而開發(fā)的。
[0010] 此時，表面等離子產生離子源被認為最適用于高電流負離子射束的產生。
[0011] 在表面等離子產生離子源中，在具有充分的能量的粒子與低功函表面之間的相互 作用中產生離子。該效應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生。在熱力學 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%。
[0012] 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
產生的勢皇。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高，該 低功函可通過覆蓋堿性金屬（尤其是銫）而提供。
[0013] 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
應當注意到，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。
[0014] 對于負氫離子源的開發(fā)，重要的是，負離子的整體產量足夠高，r=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， 到離子的整體轉換效率可達到IT~8%。
[0015] 在表面等離子源（SPS) [3]中，負離子產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生。通常，對放電加入少量的銫允許獲得在IT射束 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。
[0016] 在SPS中，氣體放電等離子提供若干功能，S卩，其產生轟擊電極的粒子的強通量； 電極附近的等離子殼層產生離子加速，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 大的破壞。利用相當高的功率和氣體效率的強烈的負離子產生在"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。
[0017] 已經開發(fā)若干SPS源以用于大型熔化裝置，如LHD、JT-60U和國際（ITER)托克馬 克。
[0018] 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 生。配備有氣動閥的外部銫爐（三個用于一個源）供應分配的銫送入（seeding)。負離子 產生在200-250°C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。
[0019] 在圖7中顯示了四電極多孔離子光學系統(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射束偏轉至提取電極壁上。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