BR122020018713B1 - Injetor de feixes à base de íons negativos - Google Patents

Abstract

Trata-se de um injetor de feixes neutros à base de íons negativos que compreende uma fonte de íons negativos, um acelerador e um neutralizador para produzir um feixe neutro de cerca de 5 MW com energia de cerca de 0,50 a 1,0 MeV. Os íons produzidos pela fonte de íons são pré-acelerados antes da injeção em um acelerador de alta energia por um pré-acelerador de rede eletrostática com múltiplas aberturas, que é usado para extrair os feixes de íons do plasma e acelerá-los a uma determinada fração da energia de feixe requerida. O feito proveniente da fonte de íons passa através de um par de ímãs de desvio, que permitem que o feixe se desloque do eixo antes de entrar no acelerador de alta energia. Após a aceleração em energia cheia, o feixe entra no neutralizador onde o mesmo é parcialmente convertido em um feixe neutro. As espécies iônicas restantes são separadas por um ímã e direcionadas em conversores de energia eletrostática. O feixe neutro passa através de uma válvula de porta e entra em uma câmara de plasma.

Description

CAMPO

[001] A matéria descrita no presente documento refere-se, em geral, a injeto- res de feixes neutros e, mais particularmente, a um injetor de feixe neutro à base de íons negativos.

FUNDAMENTOS

[002] Até muito recentemente, todos os feixes neutros usados em pesquisa de fusão magnética, processamento de material, gravação, esterilização e outras aplicações eram formados a partir de íons positivos. Os íons de isótopos de hidro-gênio positivos foram extraídos e acelerados a partir de plasma de descarga de gás por campos eletrostáticos. Imediatamente após o plano de aterramento do acelerador, esses entram em uma célula de gás, onde os mesmos são submetidos tanto a reações de troca de carga para adquirir um elétron como a reações de ionização por impacto para perdê-los novamente. Devido ao fato de o corte transversal de troca de carga diminuir muito mais rapidamente com o aumento de energia do que o corte transversal de ionização, a fração neutra de equilíbrio em uma célula de gás espes-sa começa a diminuir rapidamente em energias maiores do que 60 keV para partícu-las de hidrogênio. Para aplicações de feixe neutro de isótopos de hidrogênio que exigem energias consideravelmente maiores do que isso, é necessário produzir e acelerar os íons negativos, e, então, converter os mesmos em neutros em uma célula de gás espessa, isso pode resultar em uma fração neutra de cerca de 60% em uma ampla gama de energias até muitos MeVs. Frações neutras ainda maiores podem ser obtidas se uma célula de plasma ou fóton for usada para converter os feixes de íons negativos energéticos em neutros. No caso de uma célula de fóton, para a qual a energia de fóton excede a afinidade de elétrons de hidrogênio, as frações neutras poderiam ser próximas a 100%. Vale notar que a primeira vez que a ideia da aplicação de íons negativos em física de acelerador foi declarada por Alvarez há mais de 50 anos [1].

[003] Visto que os feixes neutros para transmissão de corrente e aquecimen-to em dispositivos de fusão maiores do futuro, bem como algumas aplicações em dispositivos atuais, exigem energias bem além daquelas acessíveis com íons positi-vos, feixes neutros à base de íons negativos foram desenvolvidos nos últimos anos. Entretanto, as correntes de feixe alcançadas até agora são significativamente meno-res do que aquelas produzidas rotineiramente por fontes de íons positivos. Uma ra-zão física para o desempenho inferior de fontes de íons negativos em termos de cor-rente de feixe é a baixa afinidade de elétrons de hidrogênio, que é apenas 0,75 eV. Portanto, é muito mais difícil produzir íons de hidrogênio negativos do que suas con- trapartes positivas. Também é muito difícil para os íons negativos recentemente for-mados alcançarem uma região de extração sem colisões com elétrons energéticos que, com probabilidade muito alta, irão causar a perda do elétron adicional fraca-mente ligado. A extração de íons de H- de plasma para formar um feixe também é muito mais complicada do que com íons de H+, visto que os íons negativos serão acompanhados por uma corrente de elétrons muito maior a menos que medições de supressão sejam empregadas. Visto que o corte transversal para a remoção por co-lisão do elétron de um íon de H- para produzir um átomo é consideravelmente maior do que o corte transversal para um íon de H+ para adquirir um elétron de uma molé-cula de hidrogênio, a fração de íons convertidos em neutros durante a aceleração pode ser significativa a menos que a densidade de linha de gás na trajetória de ace-lerador seja minimizada ao operar a fonte de íons em uma baixa pressão. Os íons prematuramente neutralizados durante a aceleração formam uma cauda de baixa energia, e geralmente possuem maior divergência do que aqueles que experimen-tam o potencial de aceleração total.

[004] A neutralização do feixe de íons negativos acelerado pode ser realiza- da em um alvo de gás com uma eficiência de cerca de 60%. O uso de alvos de plasma e fóton permite o aumento adicional na eficiência de neutralização de íons negativos. A eficiência energética total do injetor pode ser aumentada pela recuperação da energia das espécies de íons restantes no feixe após a passagem de um neutralizador.

[005] O diagrama esquemático de um injetor de feixe neutro de alta potência para o ITER tokomak, que também é típico para outros sistemas de confinamento de plasma magnético utilizados em reatores sob consideração, é mostrado na Figura 3 [2]. Os componentes básicos do injetor são uma fonte de alta corrente de íons nega-tivos, um acelerador de íons, um neutralizador, e um separador magnético do com-ponente carregado do feixe submetido à troca de carga com coletores- recuperadores de íons.

[006] Para manter as condições de vácuo exigidas no injetor, um sistema de bombeamento de alto vácuo tipicamente é usado com válvulas de porta grandes que cortam o duto de feixe do dispositivo de plasma e/ou proporcionar acesso a elemen-tos maiores do injetor. Os parâmetros de feixe são medidos utilizando alvos calori- métricos retráteis, bem como por métodos ópticos não invasivos. A produção de fei-xes neutros potentes exige que um fornecimento de energia correspondente seja usado.

[007] De acordo com o princípio de produção, as fontes de íons negativos podem ser divididas nos seguintes grupos: Fontes de produção de volume (plasma)- em que os íons são produzidos no volume de plasma; Fontes de produção de superfície- em que os íons são produzidos sobre a superfície de eletrodos ou alvos especiais; Fontes de plasma de superfície - em que os íons são produzidos sobre as superfícies de eletrodos que interagem com as partículas de plasma, que foram de- senvolvidas pelo grupo Novosibirsk [3]; e Fontes de troca de carga - em que os íons negativos são produzidos devido à troca de carga dos feixes de íons positivos acelerados em alvos diferentes.

[008] Para gerar plasma em fontes de íons de H- de volume modernas simi-lares àquelas na fonte de íons positivos, descargas de arco com filamentos quentes ou cátodos ocos são usadas, bem como descargas de RF em hidrogênio. Para o aprimoramento de confinamento de elétrons na descarga e para a redução da den-sidade de hidrogênio na câmara de descarga de gás, que é importante para as fontes de íons negativos, descargas em um campo magnético são usadas. Os sistemas com um campo magnético externo (isto é, com Penning ou geometria de magnétron de eletrodos, com oscilação de elétrons no campo magnético longitudinal da descarga “reflexiva”), e os sistemas com um campo magnético periférico (multipolar) são amplamente usados. Uma vista em corte da câmara de descarga com um campo magnético periférico desenvolvido para o injetor de feixe neutro de JET é mostrada na Figura 4 [3]. Um campo magnético na periferia da caixa de plasma é produzido por ímãs permanentes instalados em sua superfície externa. Os ímãs ficam dispostos em fileiras em que a direção de magnetização é constante ou muda em ordem escalonada, de modo que as linhas de campo magnético possuam uma geometria de linear ou cúspides quadriculados próximos à parede.

[009] A aplicação dos sistemas com um campo magnético multipolar na peri-feria das câmaras de plasma em particular, permite que os sistemas mantenham um plasma denso na fonte na pressão de trabalho de gás reduzida na câmara abaixo de 1 a 4 Pa (sem césio) e abaixo de 0,3 Pa - nos sistemas com césio [4]. Tal redução de densidade de hidrogênio na câmara de descarga é particularmente importante para fontes de íons gigantes de múltiplas aberturas de alta corrente que estão sendo desenvolvidas para aplicações em pesquisa de fusão.

[010] No momento, as fontes de íons de produção de plasma de superfície são consideradas as mais adequadas para a produção de feixes de íons negativos de alta corrente.

[011] Em fontes de íons de produção de plasma de superfície, os íons são produzidos em interação entre as partículas que possuem energia suficiente e uma superfície de baixa função de trabalho. Esse efeito pode ser aumentado por revesti-mento alcalino da superfície exposta ao bombardeamento. Há dois processos princi-pais, isto é, a ionização de superfície de equilíbrio termodinâmico, onde o átomo ou molécula lenta que colide sobre a superfície é emitido novamente como um íon posi-tivo ou negativo após um tempo de residência médio, e a interação átomo-superfície em não equilíbrio (cinética), onde os íons negativos são produzidos por bombarde-amento iônico, dessorção por impacto (ao contrário de dessorção térmica onde as partículas térmicas são dessorvidas) ou reflexão na presença de um revestimento de metal alcalino. No processo da ionização por equilíbrio termodinâmico, as partículas adsorvidas se soltam da superfície nas condições de equilíbrio térmico. O coeficiente de ionização das partículas que saem da superfície é determinado pela fórmula de Saha e parece ser muito pequeno ~ 0,02%.

[012] O processo de ionização de superfície cinética em não equilíbrio pare-ce ser muito mais eficaz na superfície e possui uma função de trabalho suficiente-mente baixa comparável com a afinidade de elétrons do íon negativo. Durante esse processo, o íon negativo sai da superfície ultrapassando a barreira de superfície próxima utilizando a energia cinética adquirida da partícula primária. Próximo à su-perfície, um nível de energia do elétron adicional é menor do que o nível de Fermi superior dos elétrons em metal e esse nível pode ser muito facilmente ocupado por tunelamento de elétrons a partir de metal. Durante o movimento de íons fora da su-perfície, essa se submete a uma barreira potencial produzida por carga de imagem E2

O campo da imagem de carga eleva o nível de energia do elétron adici- onal em relação aos níveis de energia dos elétrons em metal. A partir de uma deter- minada distância crítica, o nível do elétron adicional se torna maior do que o nível de energia superior dos elétrons no metal, e o tunelamento por ressonância retorna o elétron do íon de saída para o metal. No caso a partícula está saindo suficientemente rápido, o coeficiente de ionização negativa parece ser muito alto para a superfície com baixa função de trabalho que pode ser fornecida ao cobrir um metal alcalino, especialmente césio.

[013] Mostra-se experimentalmente que o grau de ionização negativa de par-tículas de hidrogênio que saem dessa superfície com uma função de trabalho redu-zida pode alcançar

Observa-se que a função de trabalho J+J+J sobre as superfícies de tungstênio possui um valor mínimo com cobertura de Cs de 0,6 monocamada (sobre uma superfície de cristal de tungstênio 110).

[014] Para o desenvolvimento de fontes de íons de hidrogênio negativos, é importante que o rendimento integral de íons negativos seja suficientemente alto, K- = 9-25%, para colisões de átomos de hidrogênio e íons positivos com energias de 3-25 eV com superfícies com baixa função de trabalho, como Mo+Cs, W+Cs [5]. Em particular, (veja a Figura 5) no bombardeamento de uma superfície de molibdênio cesiada por átomos de Frank-Condon com energia maior do que 2eV, a eficiência de conversão integral em íons de H- pode alcançar K-~8%.

[015] Em fontes de plasma de superfície (SPSs) [3], a produção de íons ne-gativos é realizada devido à ionização de superfície cinética- processos de bombar-deamento iônico, dessorção ou reflexão em eletrodos em contato com o plasma de descarga de gás. Os eletrodos de emissores especiais com uma função de trabalho reduzida são usados em SPSs para o aumento de produção de íons negativos. Normalmente, a adição de uma pequena quantidade de césio na descarga permite obter um aumento múltiplo na luminosidade e intensidade de feixes de H-. A semea-dura de césio na descarga reduz consideravelmente o fluxo associado de elétrons extraídos com os íons negativos.

[016] Em uma SPS, o plasma de descarga de gás realiza várias funções, isto é, esse produz fluxos intensos de partículas que bombardeiam os eletrodos; a bainha de plasma adjacente ao eletrodo produz a aceleração de íon, desse modo, au-mentando a energia das partículas de bombardeamento; os íons negativos, que são produzidos em eletrodos sob potencial negativo, são acelerados pelo potencial de bainha de plasma e se apresentam através da camada de plasma dentro da região de extração sem destruição considerável. Uma produção de íons negativos intensa com eficiências de energia e gás bastante elevadas foi obtida em várias modificações de SPS sob condições de descarga de gás ”sujas” e um bombardeamento intenso dos eletrodos.

[017] Várias fontes de SPS foram desenvolvidas para dispositivos de fusão grandes como LHD, JT-60U e o international (ITER) tokomak.

[018] Características típicas dessas fontes podem ser entendidas conside-rando-se o injetor de um stellarator LHD [4], que é mostrado na Figura 6 [4, 6]. Um plasma de arco é produzido em uma câmara de confinamento em balde multipolar magnética grande com um volume de ~100 Litros. Vinte e quatro filamentos de tungstênio sustentam o arco de 3 kA, ~80 V sob pressão de hidrogênio de cerca de 0,3 a 0,4 Pa. Um filtro magnético externo com um campo máximo no centro de ~50 G fornece a densidade de elétrons e redução de temperatura na região de extração próxima ao eletrodo de plasma. A polarização positiva de eletrodo de plasma (~ 10 V) reduz um fluxo de elétrons associado. Os íons negativos são produzidos sobre o eletrodo de plasma coberto pela camada de césio ideal. Fornos de césio externos (três para uma fonte) equipados com válvulas pneumáticas fornecem a semeadura de césio distribuída. A produção de íons negativos alcança um máximo em uma temperatura de eletrodo de plasma ideal de 200 a 250°C. O eletrodo de plasma é termicamente isolado e sua temperatura é determinada por descarga de plasma de cargas de energia.

[019] Um sistema iônico-óptico com múltiplas aberturas de quatro eletrodos, que é usado na fonte de íons LHD, é mostrado na Figura 7 [6]. Os íons negativos são extraídos através de 770 aberturas de emissão com um diâmetro de 1,4 cm cada. As aberturas ocupam uma área de 25 x 125 cm2 sobre o eletrodo de plasma. Pequenos ímãs permanentes são incorporados na rede de extração entre as aberturas para desviar os elétrons coextraídos do feixe sobre a parede de eletrodo de extração. Uma rede de supressão de elétrons adicional, instalada atrás da rede de extração suprimiu os elétrons secundários, retroespalhados ou emitidos a partir das paredes de eletrodo extraído. Uma rede aterrada de múltiplas fendas com alta transparência é usada na fonte de íons. Essa reduz a área de interseção de feixes aprimorando, assim, a capacidade de retenção de tensão e reduzindo a pressão de gás nos vãos por um fator de 2,5 com a redução correspondente das perdas de remoção de feixe. Tanto o eletrodo de extração como o eletrodo aterrado são resfriados à água.

[020] A semeadura de césio na fonte multicúspide fornece um aumento de 5 vezes de uma corrente de íons negativos extraídos e um crescimento linear de ren-dimento de íons de H- na ampla gama de potências de descarga e pressões de en-chimento de hidrogênio. Outras vantagens importantes de semeadura de césio con-sistem em uma redução de ~10 vezes da corrente de elétrons coextraídos e uma redução essencial de pressão de hidrogênio na descarga para abaixo de 0,3 Pa.

[021] As fontes multicúspides em LHD geralmente fornecem uma corrente de íons de cerca de 30 A cada uma com uma densidade de corrente de 30 mA/cm2 em pulsos de 2 segundos de comprimento [6]. As principais questões para as fontes de íons LHD é um bloqueio de césio, que é semeado na câmara de arco, pelo tungstê- nio bombardeado a partir de filamentos e a redução de alta capacidade de retenção de tensão quando operadas no regime de pulso longo de alta potência.

[022] O injetor neutro de feixe à base de íons negativos do LHD possui duas fontes de íons operadas com hidrogênio em energia de feixe nominal de 180keV. Cada injetor alcançou a potência de injeção nominal de 5 MW durante um pulso de 128 segundos, de modo que cada fonte de íons forneça um feixe neutro de 2,5 MW. A Figura 8 A e B mostra o injetor de feixe neutro de LHD. Um comprimento focal da fonte de íons é 13 m, e o ponto de pivô das duas fontes fica localizado 15,4m a jusante. A porta de injeção possui cerca de 3m de comprimento com a parte mais estreita tendo 52 cm de diâmetro e 68 cm de comprimento.

[023] As fontes de íons com acionadores de plasma RF e produção de íons negativos em um eletrodo de plasma coberto por césio estão sob desenvolvimento em IPP Garching. Os acionadores de RF produzem plasma mais limpo, de modo que não haja bloqueio de césio por tungstênio nessas fontes. A extração em estado estacionário de um pulso de feixe de íons negativos com uma corrente de feixe de 1 A, energia de ~20 kV e duração de 3600 segundos foi demonstrada por IPP em 2011.

[024] Atualmente, os injetores de feixe neutro de alta energia, que estão sob desenvolvimento os próximos dispositivos de fusão de fases, como, por exemplo, o ITER tokomak, não demonstraram uma operação estável em uma energia de 1 MeV desejada e uma operação em estado estacionário ou onda contínua (CW) com uma corrente suficientemente alta. Portanto, há a necessidade de desenvolver soluções viáveis sempre que possível para resolver os problemas que impedem a obtenção dos parâmetros alvo do feixe, como, por exemplo, energia de feixe na faixa de 500-1000 KeV, densidade de corrente eficaz em neutros da porta de recipiente principal de 100-200 A/m3, potência por injetor de feixe neutro de cerca de 5-20 MW de com-primento de pulso de 1000 segundos, e cargas de gás introduzidas pelo injetor de feixe inferiores a 1-2% da corrente de feixe. Observa-se que a realização desse ob-jetivo se torna muito menos exigente se uma corrente de íons negativos em um mó-dulo do injetor for reduzida para uma corrente de íons extraída de 8-10A comparada com uma corrente de íons extraída de 40A para o feixe ITER. A redução gradua na corrente extraída e na potência de feixe poderia resultar em alterações consideráveis no projeto dos elementos essenciais da fonte de íons de injetor e do acelerador de alta energia, de tal modo que tecnologias e abordagens muito mais bem desen-volvidas se tornam aplicáveis aumentando a confiabilidade do injetor. Portanto, a presente consideração sugere a corrente extraída de 8 a 10 A por módulo, pressu-pondo que a potência de injeção de saída exigida pode ser obtida utilizando vários módulos de injetor que produzem feixes de alta densidade de corrente e baixa diver-gência.

[025] O desempenho de fonte de plasma de superfície está bem documentado e várias fontes de íons agora em operação produziram feixes de íons escaláveis contínuos em excesso de 1 A ou mais. Até agora, os principais parâmetros de injetores de feixes neutros, como potência de feixe e duração de pulso, estão muito distantes daqueles exigidos pelo injetor sob consideração. O estado atual do desenvolvimento desses injetores pode ser entendido a partir da Tabela 1.

[026] Portanto, deseja-se fornecer um injetor de feixe neutro aprimorado.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

[027] As modalidades proporcionadas no presente documento se referem a sistemas e métodos para um injetor de feixes neutros à base de íons negativos. O injetor de feixes neutros à base de íons negativos compreendeu uma fonte de íons, um acelerador e um neutralizador para produzir um feixe neutro de cerca de 5 MW com energia de cerca de 0,50 a 1,0 MeV. A fonte de íons fica localizada dentro de um tanque a vácuo e produz um feixe de íons negativos de 9 A. Os íons produzidos pela fonte de íons são pré-acelerados a 120 keV antes da injeção em um acelerador de alta energia por um pré-acelerador de rede eletrostática com múltiplas aberturas na fonte de íons, que é usada para extrair feixes de íons a partir do plasma e acelerar até certa fração da energia de feixe requerida. O feixe de 120 keV proveniente da fonte de íons passa através de um par de ímãs de desvio, que permitem que o feixe se desloque do eixo antes de entrar no acelerador de alta energia. Após uma aceleração em energia cheia, o feixe entre no neutralizador onde é parcialmente convertido em um feixe neutro. As espécies iônicas restantes são separadas por um ímã e direcionadas a conversores de energia eletrostática. O feixe neutro passa através de uma válvula de porta e entra em uma câmara de plasma.

[028] Os acionadores de plasma e as paredes internas de uma caixa de plasma da fonte de íons são mantidos em temperatura elevada (150 a 200°C) para evitar o acúmulo de césio em suas superfícies. Proporciona-se uma tubulação de distribuição para fornecer césio diretamente sobre a superfície das redes de plasma e não ao plasma. A mesma contrapõe-se às fontes de íons existentes que fornecem césio diretamente em uma câmara de descarga de plasma.

[029] Um campo magnético usado para desviar elétrons coextraídos em regiões de extração de íons e de pré-aceleração é produzido por ímãs externos, não por ímãs embutidos no corpo da rede, conforme adotado em projetos anteriores. A ausência de ímãs de “baixa temperatura” embutidos nas redes permite que as mesmas sejam aquecidas até temperaturas elevadas. Os projetos anteriores tendem a utilizar ímãs embutidos no corpo da rede, que tende a causar uma redução significativa na corrente de feixe extraído e evitar uma operação em temperatura elevada, bem como um desempenho apropriado de aquecimento/resfriamento.

[030] O acelerador de alta tensão não é acoplado diretamente à fonte de íons, mas é separado da fonte de íons por uma zona de transição (linha de transporte de feixes de baixa energia - LEBT) com ímãs de flexão, bombas a vácuo e armadilhas de césio. A zona de transição intercepta e remove a maioria das partículas de co-propagação incluindo elétrons, fótons e nêutrons a partir do feixe, bombeia gás que emana a partir da fonte de íons e evita que o mesmo alcance o acelerador de alta tensão, evita flua para fora da fonte de íons e penetre no acelerador de alta tensão, evita que elétrons e nêutrons, produzidos por remoção de íons negativos, entrem no acelerador de alta tensão. Nos projetos anteriores, a fonte de íons é diretamente conectada ao acelerador de alta tensão, que tende a induzir que o acelerador de alta tensão seja submetido a todos os fluxos de gás, partículas carregadas, e fluxos de césio provenientes da fonte de íons e vice-versa.

[031] Os ímãs de flexão no LEBT desviam e focalizam o feixe sobre o eixo do acelerador e, logo, compensa qualquer desvio de feixe e desvio durante o transporte através do campo magnético da fonte de íons. O deslocamento entre os eixos geométricos de pré-aceleradores e de aceleradores de alta tensão reduz o influxo de partículas de co-propagação ao acelerador de alta tensão e evita que as partículas altamente aceleradas (íons positivos e nêutrons) se retro-propaguem no pré- acelerador e na fonte de íons. A focalização de feixe também facilita a homogeneidade do feixe que entra no acelerador comparado a sistemas de rede com múltiplas aberturas.

[032] O neutralizador inclui um neutralizador de plasma e um neutralizador de fótons. O neutralizador de plasma se baseia em um sistema de confinamento de plasma multicúspide com ímãs permanente de alto campo nas paredes. O neutrali- zador de fótons é uma armadilha de fótons baseada em uma cavidade cilíndrica com paredes altamente refletivas e bombeamento com lasers de alta eficiência. Essas tecnologias de neutralizador nunca foram consideradas para aplicações em injetores de feixes neutros em larga escala.

[033] Outros sistemas, métodos, recursos e vantagens das modalidades exemplificadoras serão ou se tornarão aparentes aos indivíduos versados na técnica mediante análise das figuras a seguir e da descrição detalhada.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[034] Os detalhes das modalidades exemplificadoras, incluindo estrutura e operação, podem ser colhidos em parte pelo estudo das figuras em anexo, em que referências numéricas similares se referem a partes similares. Os componentes nas figuras não estão necessariamente em escala, ao invés disso, enfatiza-se a ilustração dos princípios da invenção. Ademais, todas as ilustrações são destinadas a transmitir conceitos, onde tamanhos, formatos e outros atributos detalhados relativos podem ser ilustrados de modo esquemático ao invés de ser ilustrados de modo literal ou preciso.

[035] A Figura 1 é uma vista de planta de um layout de injetor de feixes neutros à base de íons negativos.

[036] A Figura 2 é uma vista isométrica em corte do injetor de feixes neutros à base de íons negativos mostrado na Figura 1.

[037] A Figura 3 é uma vista em planta de um injetor de alta potência de nêu-trons para o tokomak ITER.

[038] A Figura 4 é uma vista isométrica em corte da câmara de descarga com um campo magnético multipolar periférico para o injetor de feixe neutro JET.

[039] A Figura 5 é um gráfico que mostra o rendimento integral de íons nega-tivos formados bombardeando-se uma superfície Mo+Cs com átomos de H neutros e H molecular positivo como uma função de energia incidente. Os rendimentos são aumentados utilizando-se cesiação DC conforme comparado somente à pré- cesiação da superfície.

[040] A Figura 6 é uma vista em planta de uma fonte de íons negativa para o LHD.

[041] A Figura 7 é uma vista esquemática de um sistema óptico iônico com múltiplas aberturas para a fonte de LHD.

[042] As Figuras 8A e 8B são vistas superiores e laterais do injetor de feixe neutro de LHD.

[043] A Figura 9 é uma vista em corte de uma fonte de íons.

[044] A Figura 10 é uma vista em corte de uma fonte de átomos de hidrogênio de baixa energia.

[045] A Figura 11 é um gráfico que mostra as trajetórias de íons de H- no trato de baixa energia.

[046] A Figura 12 é uma vista isométrica de um acelerador.

[047] A Figura 13 é um gráfico que mostra as trajetórias de íons no tubo de aceleração.

[048] A Figura 14 é uma vista isométrica do tripleto de lentes quadripolares.

[049] A Figura 15 é um gráfico que mostra uma vista superior (a) e uma vista lateral (b) das trajetórias de íons em um acelerador de uma linha de transporte de feixe de alta energia.

[050] A Figura 16 é uma vista isométrica de uma disposição almejada de plasma.

[051] A Figura 17 é um gráfico que mostra resultados de cálculos bidimensi-onais de uma desaceleração de feixe de íons no recuperador.

[052] Deve-se notar que os elementos de estruturas ou funções similares são genericamente representados por referências numéricas similares por propósitos ilustrativos ao longo das figuras. Deve-se notar, também, que as figuras são destinadas somente para facilitar a descrição das modalidades preferenciais.

DESCRIÇÃO DETALHADA

[053] Cada um dos recursos e ensinamentos adicionais revelados abaixo pode ser utilizado separadamente ou em conjunto com outros recursos e ensinamentos para proporcionar um novo injetor de feixes neutros à base de íons negativos. Exemplos representativos das modalidades descritas no presente documento, em que exemplos utilizam muitos dos recursos e ensinamentos adicionais tanto separadamente como em combinação, serão agora descritos em maiores detalhes com referência aos desenhos em anexo. A descrição detalhada é meramente destinada a ensinar a um indivíduo versado na técnica detalhes adicionais para praticar os aspectos preferenciais dos presentes ensinamentos e não é destinada a limitar o escopo da invenção. Portanto, combinações de recursos e etapas reveladas na descrição detalhada a seguir podem não ser necessárias para praticar a invenção em seu sentido mais amplo, e são preferencialmente ensinadas para descrever particularmente exemplos representativos dos presentes ensinamentos.

[054] Ademais, os vários recursos dos exemplos representativos e das rei-vindicações dependentes podem ser combinados em formas que não sejam específica e explicitamente enumerados a fim de proporcionar modalidades úteis adicionais dos presentes ensinamentos. Além disso, nota-se expressamente que todos os recursos revelados na descrição e/ou nas reivindicações são destinados a serem revelados separada e independentemente entre si para o propósito da revelação original, bem como para o propósito de restringir a matéria reivindicada independente das composições dos recursos nas modalidades e/ou nas reivindicações. Nota-se ex-pressamente, também, que todas as faixas de valor ou indicações de grupos de en-tidades revelam cada valor intermediário possível ou entidade intermediária para o propósito da revelação original, bem como para o propósito de restringir a matéria reivindicada.

[055] As modalidades proporcionadas no presente documento se referem a um novo injetor de feixes neutros à base de íons negativos com energia, de preferência, cerca de 500 a 1000 keV e alta eficiência energética geral. A disposição preferencial de uma modalidade de um injetor de feixes neutros à base de íons negativos 100 é ilustrada nas Figuras 1 e 2. Conforme descrito, o injetor 100 inclui uma fonte de íons 110, uma válvula de porta 120, ímãs de desvio 130 para desviar uma linha de feixe de baixa energia, um suporte isolante 140, um acelerador de alta energia 150, uma válvula de porta 160, um tubo neutralizador (mostrado esquematicamente) 170, um ímã de separação (mostrado esquematicamente) 180, uma válvula de porta 190, painéis de bombeamento 200 e 202, um tanque a vácuo 210 (que faz parte de um recipiente a vácuo 250 discutido mais adiante), bombas de criossor- ção 220, e um tripleto de lentes quadripolares 230. O injetor 100, conforme notado, compreende uma fonte de íons 110, um acelerador 150 e um neutralizador 170 para produzir um feixe neutro de cerca de 5 MW com energia de cerca de 0,50 a 1,0 MeV. A fonte de íons 110 fica localizada dentro do tanque a vácuo 210 e produz um feixe de íons negativos de 9 A. O tanque a vácuo 210 é polarizado para -880 kV em relação ao aterramento e instalado em suportes isolantes 140 dentro de um tanque de diâmetro maior 240 carregado com gás SF6. Os íons produzidos pela fonte de íons são pré-acelerados a 120 keV antes da injeção no acelerador de alta energia 150 por um pré-acelerador de rede eletrostática com múltiplas aberturas 111 (vide a Figura 9) na fonte de íons 110, que é usada para extrair feixes de íons a partir do plasma e acelerar até determinada fração da energia de feixe requerida. O feixe de 120 keV proveniente da fonte de íons 110 passa através de um par de ímãs de desvio 130, permitindo que o feixe se desloque do eixo antes de entrar no acelerador de alta energia 150. Os painéis de bombeamento 202 mostrados entre os ímãs de desvio 130 incluem uma partição e armadilha de césio.

[056] Supõe-se que a eficiência gasosa da fonte de íons 110 seja cerca de 30%. Uma corrente projetada de feixe de íons negativos de 9 a 10 A corresponde a 6-7 l-Torr/s de gás expirado na fonte de íons 110. O gás neutro que flui a partir da fonte de íons 110 se acumula a uma pressão média no pré-acelerador 111 de cerca de 2 x 10-4 Torr. Nessa pressão, o gás neutro induz ~ 10% de perda de remoção do feixe de íon dentro do pré-acelerador 111. Entre os ímãs de desvio 130 existem depressões (não mostradas) para partículas neutras, que surgem a partir do feixe primário de íons negativos. Existem, também, depressões (não mostradas) para retro- propagação de íons positivos a partir do acelerador de alta energia 150. Uma região de linha de transporte de feixe de baixa energia 205 com bombeamento diferencial a partir dos painéis de bombeamento 200 é usada imediatamente após a pré- aceleração para reduzir a pressão de gás até ~10-6 Torr antes de alcançar o acelerador de alta energia 150. Isso introduz ~5% adicionais de perda de feixe, mas visto que isso ocorre em uma energia de pré-aceleração baixa, a perda de potência é relativamente pequena. As perdas de troca de carga no acelerador de alta energia 150 estão abaixo de 1% na pressão de fundo de 10-6 Torr.

[057] Após a aceleração estar em energia cheia de 1 MeV, o feixe entre em um neutralizador 170 onde é parcialmente convertido em um feixe neutro. As espécies iônicas restantes são separadas por um ímã 180 e direcionadas em converso- res de energia eletrostática (não mostrados). O feixe neutro passa através da válvula de porta 190 e entra em uma câmara de plasma 270.

[058] O recipiente a vácuo 250 é dividido em duas seções. Uma seção contém o pré-acelerador 111 e a linha de feixe de baixa energia 205 no primeiro tanque a vácuo 210. A outra seção aloja uma linha de feixe de alta energia 265, o neutrali- zador 170 e conversores/recuperadores de energia de partículas carregadas em um segundo tanque a vácuo 255. As seções do recipiente a vácuo 250 são conectadas através de uma câmara 260 com o tubo de acelerador de alta energia 150 no interior.

[059] O primeiro tanque a vácuo 210 é o limite a vácuo do pré-acelerador 111 e da linha de feixe de baixa energia 205 e o tanque ou recipiente externo de diâmetro maior 240 é pressurizado com gás SF6 para isolamento de alta tensão. Os tanques a vácuo 210 e 255 agem como a estrutura de suporte para o equipamento interno, tais como ímãs 130, bombas de criossorção 220, etc. A remoção de calor proveniente dos componentes internos tolerantes a calor será realizada por tubos de resfriamento, que precisam ter barreiras isolantes no caso do primeiro tanque a vácuo 210, que é polarizado a -880kV. FONTE DE ÍONS:

[060] Um diagrama esquemático da fonte de íons 110 é mostrado na Figura 9. A fonte de íons inclui: redes de pré-acelerador eletrostáticas com múltiplas aberturas 111, isolantes de cerâmica 112, acionadores de plasma tipo RF 113, ímãs permanentes 114, uma caixa de plasma 115, canais e tubulações de refrigerante de água 116, e válvulas de gás 117. Na fonte de íons 110, uma superfície de molibdênio cesiada das redes de pré-acelerador de plasma 111 é usada para converter os íons positivos e átomos neutros formados pelos acionadores de plasma 113 em íons negativos em um volume de expansão de plasma (o volume entre os acionadores 113 e as redes 111, indicado pela chave marcada como “PE” na Figura 9) com detenção em balde multipolar magnético conforme proporcionado pelos ímãs permanentes 114.

[061] Uma tensão de polarização positiva para coleta dos elétrons às redes de pré-acelerador de plasma 111 é aplicada em condições otimizadas para produção de íons negativos. O formato geométrico das aberturas 111B em redes de pré- acelerador de plasma 111 é usado para focalizar íons de H- nas aberturas 111B da rede de extração. Um pequeno filtro magnético transversal produzido pelos ímãs permanentes externos 114 é usado para diminuir a temperatura de elétrons difundida a partir da região acionadora ou região emissora de plasma PE da caixa de plasma 115 à região de extração ER da caixa de plasma 115. Os elétrons no plasma são refletidos de volta a partir da região de extração ER pelo pequeno campo de filtro magnético transversal produzido por ímãs permanentes externos 114. Os íons são acelerados a 120 keV antes da injeção no acelerador de alta energia 150 pelas redes de plasma de pré-acelerador eletrostático com múltiplas aberturas 111 na fonte de íons 110. Antes da aceleração em energia cheia, o feixe de íons tem cerca de 35 cm de diâmetro. Portanto, a fonte de íons 110 precisa produzir 26 mA/cm2 nas aberturas 111B supondo-se uma transparência de 33% nas redes de plasma de pré- acelerador 111.

[062] O plasma, que alimenta a caixa de plasma 115, é produzido por um arranjo de acionadores de plasma 113 instalados em um flange posterior 115A da caixa de plasma, que, de preferência, é uma câmara de cobre cilíndrica resfriada à água (700 mm de diâmetro por 170 mm de comprimento). A extremidade aberta da caixa de plasma 115 é confinada pelas redes de plasma de pré-acelerador 111 do sistema de extração e aceleração.

[063] Supõe-se que os íons negativos sejam produzidos sobre a superfície das redes de plasma 111, que são revestidas por uma camada fina de césio. Introduz-se césio na caixa de plasma 115 através do uso de um sistema de suprimento de césio (não mostrado na Figura 9).

[064] A fonte de íons 110 é circundada por ímãs permanentes 114 para formar uma configuração cúspide linear para confinamentos primários de elétron e plasma. As colunas de ímã 114A na parede cilíndrica da caixa de plasma 115 são conectadas no flange posterior 115A por fileiras de ímãs 114B que também se encontram em uma configuração cúspide linear. Um filtro magnético próximo ao plano das redes de plasma 111 divide a caixa de plasma 115 em emissor de plasma PE e em região de extração ER. Os ímãs de filtro 114C são instalados em um flange 111A próximo às redes de plasma 111 para proporcionar um campo magnético transversal (B=107 G no centro) que serve para evitar que elétrons primários energéticos provenientes dos acionadores de íons 113 alcancem a região de extração ER. No entanto, íons positivos e elétrons de baixa energia podem se difundir através do filtro na região de extração ER.

[065] Um sistema de extração e pré-aceleração de eletrodos 111 compreende cinco eletrodos 111C, 111D, 111E, 111F e 111G, cada um tendo 142 orifícios ou aberturas 111B formados ortogonais através dos mesmos e usados para proporcionar um feixe de íons negativos. Cada abertura de extração 111B tem 18 mm de diâmetro, de modo que a área de extração de íons total das 142 aberturas de extração seja igual a cerca de 361 cm2. A densidade de corrente de íons negativos é de 25 mA/cm2 e requer-se que produza um feixe de íons de 9 A. O campo magnético dos ímãs de filtro 114C é estendido nos vãos entre o extrator eletrostático e as redes de pré-acelerador 111 para desviar elétrons coextraídos sobre as ranhuras na superfície interna das aberturas 111B nos eletrodos de extração 111C, 111D, e 111E. O campo magnético dos ímãs de filtro magnético 114C junto ao campo magnético de ímãs adicionais 114D proporciona a desvio e a intercepção dos elétrons, coextraídos com íons negativos. Os ímãs adicionais 114D incluem um arranjo de ímãs instalados entre os retentores dos eletrodos de acelerador 111F e 111G da rede de acelerador situada a jusante da rede de extração que compreende os eletrodos de extração 111C, 111D, e 111E. O terceiro eletrodo de rede 111E, que acelera os íons negativos a uma energia de 120 keV, é positivamente polarizado a partir do eletrodo de rede aterrada 111D para refletir os íons positivos de retro-propagação que entram na rede de pré-acelerador.

[066] Os acionadores de plasma 113 incluem duas alternativas, isto é, um acionador de plasma RF e um acionador atômico de descarga de arco. Um gerador de plasma de arco de descarga de arco desenvolvido por BINP é usado no aciona- dor atômico. Um recurso do gerador de plasma de descarga de arco consiste na formação de um jato de plasma direcionado. Os íons no jato em expansão se movem sem colisões e devido à aceleração por queda de energias de ganho de potencial de plasma ambipolar de ~ 5 a 20 eV. O jato de plasma pode ser direcionado a uma superfície inclinada de molibdênio ou tântalo do conversor (vide 320 na Figura 10), em que, como resultado da neutralização e reflexão do jato, produz-se um fluxo de átomos de hidrogênio. A energia dos átomos de hidrogênio pode ser aumentada além de uma energia inicial de 5 a 20 eV por polarização negativa do conversor em relação à caixa de plasma 115. Experimentos referentes à obtenção de fluxos intensivos de átomos com tal conversor foram realizados no Budker Institute em 1982 a 1984.

[067] Na Figura 10, a disposição desenvolvida de uma fonte de átomos de baixa energia 300 é mostrada incluindo uma válvula de gás 310, um elemento de inserção de cátodo 312, uma carga elétrica através de um aquecedor 314, tubulações de água de resfriamento 316, um emissor de elétrons LaB6 318, e um conversor de íon-átomo 320. Nos experimentos, um fluxo de átomos de hidrogênio com uma corrente equivalente de 20 a 25 A e energia variando na faixa de 20 eV a 80 eV foi produzido com uma eficiência maior que 50%.

[068] Essa fonte pode ser usada na fonte de íons negativa para fornecer átomos com energia otimizada para geração eficiente de íons negativos sobre a su-perfície cesiada de redes de plasma 111. LINHA DE TRANSPORTE DE FEIXE DE BAIXA ENERGIA

[069] Os íons de H gerados e pré-acelerados a uma energia de 120 keV pela fonte de íons 110 em sua passagem ao longo da linha de transporte de feixe de baixa energia 205 são deslocados perpendicularmente a sua direção de movimento em 440 mm com desvio pelo campo magnético periférico da fonte de íons 110 e por um campo magnético de dois ímãs de flexão especiais com formato de cunha 130. Esse deslocamento do feixe de íons negativos na linha de transporte de feixe de baixa energia 205 (conforme ilustrado na Figura 11) é proporcionado para separar a fonte de íons 110 e as regiões de acelerador de alta energia 150. Esse deslocamento é usado para evitar a penetração de átomos rápidos originados a partir da remoção do feixe H- em hidrogênio residual no tubo de aceleração 150, reduzir fluxos de césio e hidrogênio a partir da fonte de íons 110 ao tubo de aceleração 150, e também para supressão de fluxo de íon secundário a partir do tubo de aceleração 150 à fonte de íons 110. Na Figura 11, mostram-se as trajetórias calculadas dos íons de H na linha de transporte de feixe de baixa energia. DUTO DE FEIXE DE ALTA ENERGIA

[070] O fluxo de baixa energia que sai a partir da linha de feixe de baixa energia entra em um acelerador eletrostático convencional de múltiplas aberturas 150 mostrado na Figura 12.

[071] Os resultados do cálculo da aceleração do feixe de íons negativos de 9A levando-se em consideração a contribuição de carga espacial são mostrados na Figura 13. Os íons são acelerados a partir de uma energia de 120 keV até 1 MeV. O potencial de aceleração no tubo 150 é de 880 kV, e a etapa de potencial entre os eletrodos é de 110 kV.

[072] O cálculo mostra que a resistência de campo não excede 50 kV/cm no tubo de aceleração otimizado 150 em eletrodos nas zonas de desenvolvimento possível de descarga de elétrons.

[073] Após a aceleração, o feixe passa através de um tripleto 230 de lentes quadripolares convencionais industriais 231, 232 e 233 (Figura 14), que são usadas para compensar a ligeira desfocalização de feixe na saída do tubo de aceleração 150 e formar um feixe com um tamanho preferencial na porta de saída. O tripleto 230 é instalado dentro do tanque a vácuo 255 da linha de transporte de feixe de alta energia 265. Cada uma das lentes quadripolares 231, 232 e 233 inclui um conjunto convencional de eletroímãs quadripolares que produzem campos magnéticos de fo- calização costumeiros conforme são encontrados em todos os aceleradores de partícula convencionais modernos.

[074] As trajetórias calculadas de um feixe de íons negativos de 9 A com uma temperatura transversal de 12 eV no tubo de aceleração 150, lentes quadripola- res 230 e a linha de transporte de feixe de alta energia 265 são mostradas na Figura 15. O cálculo segue o feixe além de seu ponto de focalização.

[075] O diâmetro calculado do feixe neutro com uma corrente equivalente de 6A após o neutralizador na distância de 12,5 m em meia-altura do perfil radial é igual a 140 mm e 95% da corrente de feixe estão em uma circunferência de diâmetro de 180 mm. NEUTRALIZAÇÃO

[076] O neutralizador de foto-separação 170 selecionado no sistema de feixe pode alcançar uma remoção superior a 95% do feixe de íons. O neutralizador 170 compreende um arranjo de lâmpadas de xenônio e uma armadilha de luz cilíndrica com paredes altamente refletivas para proporcionar a densidade de fótons requerida. Espelhos resfriados com uma refletividade maior que 0,99 são usados para acomodar um fluxo de energia nas paredes de cerca de 70 kW/cm2. Em uma alternativa, um neutralizador de plasma que usa tecnologia convencional pode ser usa- do, mas com a desvantagem de uma ligeira diminuição na eficiência. Todavia, uma eficiência de neutralização de ~85% de célula de plasma é suficiente caso um sistema de recuperação de energia tenha uma eficiência >95%, conforme previsto.

[077] O plasma do neutralizador de plasma é confinado e uma câmara cilíndrica 175 com um campo magnético multipolar nas paredes, que é produzido por um arranjo de ímãs permanentes 172. A visão geral do dispositivo de confinamento é mostrada na Figura 16. O neutralizador 170 inclui tubulações de água de resfriamento 171, ímãs permanentes 172, montagens de cátodo 173, e cátodos LaB6 174.

[078] A câmara cilíndrica 175 tem 1,5 a 2 m de comprimento e tem aberturas nas extremidades para que o feixe passe através da mesma. O plasma é gerado utilizando-se várias montagens de cátodo 173 instaladas no centro da câmara de confinamento 175. Fornece-se gás de trabalho próximo ao centro do dispositivo 170. Nos experimentos com um protótipo desse neutralizador de plasma 170, observou- se que o confinamento de elétrons pelos campos magnéticos multipolares 172 nas paredes é bom o suficiente e consideravelmente melhor que aquele dos íons de plasma. A fim de equalizar as perdas de íons e elétrons, desenvolve-se um potencial negativo considerável no plasma, de modo que os íons sejam efetivamente confinados pelo campo elétrico.

[079] O confinamento de plasma razoavelmente longo resulta em uma potência relativamente baixa da descarga requerida para sustentar cerca de densidade de plasma de 1013cm-3 no neutralizador 170. RECUPERAÇÃO DE ENERGIA

[080] Existem razões objetivas para a obtenção de alta eficiência energética nessas condições. Primeiramente, existem: uma corrente relativamente pequena do feixe de íons e difusão de baixa energia. No esquema descrito no presente documento, com o uso de alvos de plasma ou vapor-metal, pode-se esperar que a corrente residual de íons seja ~ 3A após o neutralizador. Esses fluxos de íons rejeitados com carga positiva ou negativa serão desviados através do ímã de desvio 180 a dois recuperadores de energia, cada uma para íons positivos e negativos, respectivamente. Realizaram-se simulações numéricas da desaceleração desses feixes de íons rejeitados residuais com uma energia de tipicamente 1 MeV e 3A nos conversores diretos dentro dos recuperadores sem uma compensação de carga de espaço. O conversor direto converte uma porção substancial da energia contida no feixe de íons rejeitado residual em eletricidade e fornece o restante da energia como calor de alta qualidade para incorporação no ciclo térmico. Os conversores diretos seguem o design de um desacelerador eletrostático de múltiplas aberturas, desse modo, seções consecutivas de eletrodos carregados produzem campos de ruptura longitudinais e absorvem a energia cinética dos íons.

[081] A Figura 17 mostra os resultados dos cálculos bidimensionais da desa-celeração de feixe de íons no conversor. A partir dos cálculos apresentados, conclui- se que a desaceleração do feixe de íons com energia de 1MeV até uma energia de 30 keV é bastante viável, logo, o valor do fator de recuperação de 96 a 97 % pode ser obtido.

[082] Tentativas de desenvolvimento anteriores de injetores de feixe neutro de alta energia à base de íons negativos foram analisadas para revelar questões essenciais até agora evitando a obtenção de injetores com operação em estado estacionário de ~1MeV e vários MWs de potência. Dentre essas as mais importantes são: • Controle da camada de césio, e perda e redeposição (controle de temperatura, etc) • Otimização da produção superficial de íons negativos para extração • Separação de eletrodos de co-propagação • Não-homogeneidade do perfil de corrente de íons na rede de plasma devido a campos magnéticos internos • Baixa densidade de corrente de íon • Aceleradores são complicados e muitas tecnologias novas ainda estão senso desenvolvidos (capacidade de retenção de baixa tensão, isolantes grandes, etc) •Íons positivos de retro-propagação • Tecnologias de neutralizador avançadas (plasma, fótons) não são demonstradas em condições relevantes • Conversão de energia não é suficientemente desenvolvida • Bloqueio de feixe no duto

[083] As soluções inovadoras aos problemas fornecidos no presente documento podem ser agrupadas de acordo com o sistema ao qual estão relacionadas, isto é, fonte de íons negativos, extração/aceleração, neutralizador, conversores de energia, etc. 1.0 Fonte de íons negativos 110: 1.1. Paredes internas de uma caixa de plasma 115 e acionadores de plasma 113 permanecem em uma temperatura elevada (150 a 200ºC) para evitar o acúmulo de césio em suas superfícies.

[084] A temperatura elevada: - evita uma liberação de césio descontrolada devido à dessor- ção/bombardeamento iônico e uma redução de sua penetração no sistema óptica iônico (redes 111), - reduz a absorção e recombinação de átomos de hidrogênio na camada de césio nas paredes, - reduz o consumo e o envenenamento de césio.

[085] Para alcançar isso, circula-se um fluido em alta temperatura através de todos os componentes. A temperatura das superfícies é adicionalmente estabilizada através de um controle de retroalimentação ativo, isto é, calor é removido ou adicio- nal durante a operação CW e regimes transientes. Em contraste a essa abordagem, todos os outros injetores de feixe existentes e planejados usam feixes passivos com resfriamento a água e barreiras térmicas entre os tubos de refrigerante e corpos de eletrodo quente. 1.3. Césio é fornecido através de uma tubulação de distribuição diretamente sobre a superfície das redes de plasma 111, não ao plasma. Fornecendo césio através de uma tubulação de distribuição: - proporciona um suprimento de césio controlado e distribuído durante todo o tempo em feixe, - evita a falta de césio tipicamente devido ao bloqueio por plasma, - reduz a liberação de césio a partir do plasma após seu acúmulo e desblo-queio durante logos pulsos.

[086] Em contrapartida, fontes de íons existentes fornecem césio diretamente na câmara de descarga. 2.1 Pré-acelerador (100-keV) 111: 2.1. Um campo magnético usado para desviar elétrons coextraídos nas regiões de extração e pré-aceleração de íons é produzido por ímãs externos, não por ímãs embutidos no corpo da rede, conforme adotado em projetos anteriores: - linhas de campo magnético nos vãos de alta tensão entre as redes são côncavas em direção às redes negativamente polarizadas, isto é, em direção à rede de plasma no vão de extração e em direção à rede no vão de pré-aceleração. A con-cavidade das linhas de campo magnético em direção às redes negativamente polari-zadas evita o surgimento de armadilhas de Penning locais nos vãos de alta tensão e o aprisionamento/multiplicação de elétrons coextraídos, conforme pode ocorrer em configurações com ímãs embutidos. - os eletrodos do sistema óptico iônico (IOS) (redes 111) sem ímãs NIB em “baixa temperatura” embutidos poderiam ser aquecidos até uma temperatura eleva- da (150 a 200°C) e permitir a remoção de calor durante pulsos longos através do uso de líquidos quentes (100 a 150°C). - a ausência de ímãs embutidos poupa espaço entre as aberturas de emissão das redes e permite a introdução de canais de aquecimento/resfriamento de eletrodo mais eficientes.

[087] Em contrapartida, projetos designs anteriores utilizam ímãs embutidos no corpo da rede. Isso leva à criação de armadilhas magneto-elétricas estáticas nos vãos de alta tensão que aprisionam e multiplicam os elétrons coextraídos. Isso pode causar uma redução significativa na corrente de feixe extraída. Também pode evitar uma operação em temperatura elevada, bem como um desempenho apropriado de aquecimento/resfriamento, que é fundamentam para uma operação de pulso longo. 2.2. Todos os eletrodos do sistema óptico iônico (redes 111) são sempre sus-tentados em temperatura elevada (150 a 200°C) para evitar o acúmulo de césio em suas superfícies e aumentar a resistência de alta tensão de vãos de extração e pré- aceleração. Em contrapartida, em projetos convencionais, os eletrodos são resfriados por água. Os eletrodos têm temperaturas elevadas porque existem barreiras térmicas entre os tubos de refrigerante e os corpos de eletrodo, e não há uma retroalimentação ativa. 2.3. O aquecimento inicial das redes 111 na partida e remoção de calor durante a fase em feixe é realizado deslocando-se um líquido quente com uma temperatura controlável através dos canais internos nas redes 111. 2.4. Gás é adicionalmente bombeado para fora a partir do vão de pré- aceleração através do espaço lateral e grandes aberturas nos retentores de rede a fim de diminuir a pressão de gás ao longo da linha de feixe e suprimir a remoção de íons negativos e a produção/multiplicação de partículas secundárias nos vãos. 2.5. A inclusão de redes positivamente polarizadas 111 é usada para repelir íons positivos em fluxo reverso (back streaming). 2.2 . Acelerador de alta tensão (1 MeV ) 150: 3.1. O acelerador de alta tensão 150 não é acoplado diretamente à fonte de íons, mas é separado da fonte de íons por uma zona de transição (linha de transporte de feixe de baixa energia - LEBT 205) com ímãs de flexão 130, bombas a vácuo e armadilhas de césio. A zona de transição: - intercepta e remove a maioria das partículas de co-propagação incluindo elétrons, fótons e nêutrons do feixe, - bombeia para fora gás que emana a partir da fonte de íons 110 e evita que alcance o acelerador de alta tensão 150, - evita que césio flua para fora da fonte de íons 110 e penetre ao acelerador de alta tensão 150, - evita que elétrons e nêutrons, produzidos pela remoção de íons negativos, entrem no acelerador de alta tensão 150.

[088] Nos projetos anteriores, a fonte de é diretamente conectada ao acelerador de alta tensão. Isso faz com que o acelerador de alta tensão seja submetido a todos os fluxos de gás, partículas carregadas, e césio a partir da fonte de íons e vice-versa. Essa forte interferência reduz a capacidade de retenção de tensão do acelerador de alta tensão. 3.2. Ímãs de flexão 130 no LEBT 205 desviam e focalizam o feixe sobre o eixo do acelerador. Os ímãs de flexão 130: - compensam qualquer deslocamento e desvio de feixe durante o transporte através do campo magnético da fonte de íons 110, - o deslocamento entre os eixos geométricos do pré-acelerador e acelerador de alta tensão 111 e 150 reduz o influxo de partículas de co-propagação ao acelerador de alta tensão 150 e evita que as partículas altamente aceleradas se retro- propaguem (íons positivos e nêutrons) no pré-acelerador 111 e na fonte de íons 110.

[089] Em contrapartida, os sistemas anteriores não têm uma separação físi- ca entre os estágios de aceleração e, portanto, não permitem deslocamentos axiais conforme apresentado no presente documento. 3.3. Os ímãs da linha de feixe de baixa energia 205 focalizam o feixe na en-trada do acelerador de abertura única 150: - A focalização de feixe facilita a homogeneidade do feixe que entra no ace-lerador 150 comparado aos sistemas de rede com múltiplas aberturas. 3.4. Aplicação de um acelerador de abertura única: - simplifica o alinhamento do sistema e focalização do feixe - facilita o bombeamento de gás e a remoção de partículas secundárias a partir do acelerador de alta energia 150 - reduz as perdas de feixe nos eletrodos do acelerador de alta energia 150. 3.5. Lentes magnéticas 230 são usadas após a aceleração para compensar uma focalização excessiva no acelerador 150 e formar um feixe quase paralelo.

[090] Nos projetos convencionais, não existem meios para focalização e desvio de feixe, exceto no próprio acelerador. 4.0 Neutralizador 170: 4.1 Neutralizador de plasma com base em um sistema de confinamento de plasma multicúspide com ímãs permanentes de alto campo nas paredes; - aumenta a eficiência de neutralização, - minimiza as perdas gerais do injetor de feixe neutro.

[091] Essas tecnologias nunca foram consideradas para aplicação em injetores de feixe neutro de grande escala. 4.2 Neutralizador de fótons – armadilha de fóton com base em uma cavidade cilíndrica com paredes altamente refletivas e bombeamento com lasers de alta efici- ência. - aumenta adicionalmente a eficiência de neutralização, - minimiza adicionalmente as perdas gerais do injetor de feixe neutro.

[092] Essas tecnologias nunca foram consideradas para aplicação em injeto- res de feixe neutro de grande escala. 5.0. Recuperadores: 5.1, Aplicação de recuperador(es) de energia iônica residual: - aumenta a eficiência geral do injetor.

[093] Em contrapartida, a recuperação não é esperada em projetos conven-cionais. Referências: [1.] L. W. Alvarez, Rev. Sci. Instrum. 22, 705 (1951) [2.] R.Hemsworth et al. Rev. Sc. Instrum., Vol. 67, p. 1120 (1996) [3.] Capitelli M. e Gorse C. IEEE Trans on Plasma Sci, 33, N. 6, p. 1832 a 1844 (2005) [4.] Hemsworth R. S., Inoue T., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, N.6, p. 1799 a 1813 (2005) [5.] B. Rasser, J. van Wunnik e J. Los Surf. Sci. 118 (1982), p. 697 (1982) [6.] Y. Okumura, H. Hanada, T. Inoue et al. AIP Conf. Proceedings # 210, NY, p. 169 a 183(1990) [7.] O. Kaneko, Y. Takeiri, K. Tsumori, Y. Oka, e M. Osakabe et al., “Engineering prospects of negative-ion-based neutral beam injection system from high power operation for the large helical device,” Nucl. Fus., vol. 43, pp. 692-699, 2003

[094] Muito embora a invenção seja susceptível a várias modificações, e formas alternativas, exemplos específicos da mesma foram mostrados nos desenhos e descritos no presente documento em detalhes. Todas as referências são especifi-camente incorporadas no presente documento em sua totalidade. No entanto, deve- se compreender que a invenção não se limita a formas particulares ou métodos revelados, mas, ao contrário, a invenção deve abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas que se enquadrem no espírito e escopo das reivindicações em anexo.

Claims (20)

1. Injetor de feixes à base de íons negativos, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma fonte de íons configurada para produzir um feixe de íons negativos, a fonte de íons incluindo um pré-acelerador tendo ímãs externos para desviar elétrons coextraídos em uma extração de íons e região de pré-aceleração, em que o pré- acelerador compreende uma rede eletrostática tendo uma pluralidade de eletrodos, em que pelo menos um dentre a pluralidade de eletrodos é positivamente polarizado para repelir íons positivos em fluxo reverso, e um acelerador espaçado a partir do pré-acelerador.

2. Injetor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda uma zona de transição interpondo a fonte de íons e o acelerador.

3. Injetor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que a fonte de íons inclui um contêiner de plasma e acionadores de plasma.

4. Injetor, de acordo com a reivindicação 2, CARACTERIZADO pelo fato de que a fonte de íons inclui um contêiner de plasma e acionadores de plasma.

5. Injetor, de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelo fato de que as paredes internas do contêiner de plasma são configuradas para manter tem-peraturas elevadas de 150 a 200°C.

6. Injetor, de acordo com a reivindicação 4, CARACTERIZADO pelo fato de que as paredes internas do contêiner de plasma são configuradas para manter tem-peraturas elevadas de 150 a 200°C.

7. Injetor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2, 4 e 6, CARACTERIZADO pelo fato de que a zona de transição compreende uma linha de transporte de feixes de baixa energia.

8. Injetor, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a linha de transporte de feixes de baixa energia inclui armadilhas de césio.

9. Injetor, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que a linha de transporte de feixes de baixa energia inclui ímãs de flexão que desviam de modo ortogonal para sua direção de movimento e focalizam o feixe sobre o eixo do acelerador.

10. Injetor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que cada um dentre a pluralidade de eletrodos tem uma pluralidade de aberturas.

11. Injetor, de acordo com a reivindicação 10, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um coletor de distribuição para fornecer diretamente césio na rede eletrostática do pré-acelerador.

12. Injetor, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um sistema de bombeamento para bombear gás para fora de um vão de pré-aceleração.

13. Injetor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 e 11, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um sistema de bombeamen- to para bombear gás para fora de um vão do pré-acelerador.

14. Injetor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 e 11, CARACTERIZADO pelo fato de que pelo menos um dentre a pluralidade de eletrodos é positivamente polarizado para pré-acelerar íons negativos no feixe de íons negativos.

15. Injetor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 10 e 11, CARACTERIZADO pelo fato de que a pluralidade de aberturas é configurada para focalizar e passar íons negativos para formar o feixe de íons negativos.

16. Injetor, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6 e 8 a 12, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um neutralizador interconec- tado ao acelerador.

17. Injetor, de acordo com a reivindicação 7, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um neutralizador interconectado ao acelerador.

18. Injetor, de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um neutralizador interconectado ao acelerador.

19. Injetor, de acordo com a reivindicação 14, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um neutralizador interconectado ao acelerador.

20. Injetor, de acordo com a reivindicação 15, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende ainda um neutralizador interconectado ao acelerador.

Images