離子源中使用帶有高透明度的多裂縫接地柵極。其降低了射束交叉面積，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,并帶有射束剝離損耗的對應(yīng)降低。提取 電極和接地電極均為水冷的。
[0020] 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r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〇. 3Pa的基本下降。
[0021]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，和當在高功率長脈沖方法下操作時高電壓保持能力的下降。
[0022] LHD的基于負離子的中性射束注入器具有兩個離子源，其在180keV的名義射束能 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的中性射束。圖8A和B顯示了LHD中性射束注入器。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。
[0023] 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IPP Garching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致的銫阻 塞。帶有1A的射束電流、~20kV的能量和3600秒持續(xù)時間的負離子射束脈沖的穩(wěn)態(tài)提取 在2011年由IPP證實。
[0024]目前，在用于下階段熔化裝置（例如，ITER托克馬克）的開發(fā)下的高能量中性射束 注入器，還未被證明在期望的IMeV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)射束的靶參數(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的范圍中的射束能量、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的每中性射束注入器功 率、和少于射束電流的1-2%的通過射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射束的40A提取離子電流相比降低至8-10A提取離子 電流，那么該目標的實現(xiàn)變得較不被需要。在提取的電流和射束功率中的逐步降低將導致 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)散射束的若干注入器模塊獲 得。
[0025] 表面等離子源性能相當好地被證明，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)可擴縮的離子射束。至今，中性射束注入器的關(guān)鍵參數(shù)（如，射束功率和脈 沖持續(xù)時間）距對考慮的注入器所要求的那些相當遠。這些注入器的開發(fā)的當前狀態(tài)可從 表1得到理解。
[0026] 因而，期望提供一種改進的中性射束注入器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0027] 在本文中提供的實施例涉及用于基于負離子的中性射束注入器的系統(tǒng)和方法?；?于負離子的中性射束注入器包括離子源、加速器和中和器，來產(chǎn)生具有大約〇. 50至1.OMeV 的能量的大約5MW的中性射束。離子源定位在真空罐內(nèi)側(cè)并且產(chǎn)生9A的負離子射束。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加速器預加 速至120keV，該預加速器用來從等離子提取離子射束，并且加速至需要的射束能量的一部 分。來自離子源的120keV射束行進穿過一對偏轉(zhuǎn)磁體，該對偏轉(zhuǎn)磁體允許射束在進入高能 加速器之前從軸線移開。在加速至滿能量后，射束進入中和器，在此其被部分地轉(zhuǎn)換成中性 射束。剩余的離子種類通過磁體而分離并被引導入靜電能量轉(zhuǎn)換器中。中性射束行進穿過 閘門閥并進入等離子隔室。
[0028] 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°C)下， 以防止它們的表面上的銫積聚。提供分配歧管來直接對等離子柵極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。
[0029] 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，這傾向于導致提取的射束電流的顯著的減少，并且防止升高的溫度操作以及適當?shù)募?熱/冷卻性能。
[0030] 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（低能射束傳輸線-LEBT)與離子源間隔開。過渡區(qū)域從射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。
[0031] LEBT中的彎轉(zhuǎn)磁體將射束偏轉(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射束偏移和偏轉(zhuǎn)。在預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）回流入預加速器和離子源中。射束聚焦與多孔柵極系統(tǒng)相比還促進了進入加速器的 射束的均一性。
[0032] 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)模中性射束注入器 中。
[0033] 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】
[0034] 可通過對附圖的研宄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。
[0035] 圖1是基于負離子的中性射束注入器布局的平面圖。
[0036] 圖2是在圖1中顯示的基于負離子的中性射束注入器的剖視等距視圖。
[0037] 圖3是用于ITER托克馬克的中性的高功率注入器的平面圖。
[0038] 圖4是用于JET中性射束注入器的具有外圍多極磁場的放電隔室的等距剖視圖。
[0039] 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。與僅預銫化表面相比，通過利用DC銫化來增加 產(chǎn)量。
[0040] 圖6是用于LHD的負離子源的平面圖。
[0041] 圖7是用于LHD源的多孔離子光學系統(tǒng)的示意圖。
[0042] 圖8A和B是LHD中性射束注入器的頂視圖和側(cè)視圖。
[0043] 圖9是離子源的剖視圖。
[0044] 圖10是低能量氫原子源的剖視圖。
[0045] 圖11是顯示在低能量束中的IT離子軌跡的圖。
[0046] 圖12是加速器的等距視圖。
[0047] 圖13是顯示加速管中的離子軌跡的圖。
[0048] 圖14是四極透鏡三合體的等距視圖。
[0049] 圖15是顯示在高能射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。
[0050] 圖16是等離子靶布置的等距視圖。
[0051] 圖17是顯示在恢復器中的離子射束減速的二維計算的結(jié)果的圖。
[0052] 應(yīng)當理解的是，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】
[0053] 在下面公開的附加的特征和教導可單獨地或結(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射束注入器。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中的許多。該詳細描述 僅意圖教導本領(lǐng)域技術(shù)人員用于實踐本教導的優(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，而是僅被教導來尤其描述本教導的代表性實例。
[0054] 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