CN104903967A - 基于负离子的中性射束注入器 - Google Patents

基于负离子的中性射束注入器 Download PDF

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Abstract

一种基于负离子的中性射束注入器包括负离子源、加速器和中和器，以产生具有大约0.50至1.0MeV的能量的大约5MW的中性射束。通过离子源产生的离子在注入高能加速器发射之前由静电多孔栅极预加速器预加速，该预加速器用来从等离子提取离子射束并且加速至需要的射束能量的一部分。来自离子源的射束行进穿过一对偏转磁体，该对偏转磁体允许射束在进入高能加速器之前从轴线移开。在加速到满能量之后，射束进入中和器，在此其被部分地转换成中性射束。剩余的离子种类通过磁体分离，并被导入静电能量转换器中。中性射束行进穿过闸门阀并进入等离子隔室。

Description

基于负离子的中性射束注入器
技术领域
本文中公开的主题大体涉及中性射束注入器，并且更具体地涉及基于负离子的中性射束注入器。
背景技术
直至目前，在磁熔化研究、材料加工、蚀刻、杀菌和其它应用中使用的中性射束均由正离子形成。通过静电场从气体放电等离子提取和加速正氢同位素离子。在加速器的地平面之后，它们进入气室，在此它们既经受电荷交换反应来获取电子且又经受碰撞离子化反应来再次失去电子。由于电荷交换剖面随着增大的能量而比离子化更快地减少，因而厚气室中的平衡中性部分在用于氢粒子的大于60keV的能量下开始快速下降。对于需要比这稍高的能量的氢同位素中性射束应用，需要产生和加速负离子，并且然后将它们在薄气室中转换成中性的，这可导致跨过直到许多MeV的大范围能量的大约60％的中性部分。如果使用等离子或光子室来将高能负离子射束转换成中性的，那么可获得甚至更高的中性部分。在光子电池的情况(对于该情况，光子能超出氢的电子亲合性)下，中性部分可接近100％。值得注意的是，负离子在加速器物理学中的应用的概念由Alvarez在多于50年前首次陈述[1]。
由于用于电流驱动和在未来的较大熔化装置上的加热，以及现有装置上的一些应用的中性射束需要大大超出利用正离子可获得的能量的能量，因而近年发展了基于负离子的中性射束。但是，至今获得的射束电流显著少于通过正离子源相当日常地产生的。负离子源的关于射束电流的较低性能的物理原因是仅为0.75eV的氢的低电子亲和性。因而，比它们的正配对物更难以产生负氢离子。还十分难以使新生的负离子达到提取区域而不与高能电子的冲突，高能电子将十分可能引起额外的松弛地结合的电子的损失。从等离子提取H-离子来形成射束可能比H+离子的情况更复杂，因为负离子将伴随有更大的电子电流，除非采用抑制措施。由于从H-离子碰撞剥离电子以用来产生原子的剖面比用于H+离子从氢分子获得电子的剖面大得多，因而在加速期间转换成中性的离子部分可为显著的，除非通过操作处于低压的离子源而使加速器路径中的气体线路密度最小化。在加速期间过早地中性化的离子形成低能量尾部，并且通常具有比经受整个加速度势的那些更大的发散。
加速的负离子射束的中性化可利用大约60％的效率在气体靶中实现。等离子和光子靶的使用允许在负离子的中性化效率的进一步增大。注入器的整体能量效率可通过在经过中和器后保留在射束中的离子种类的能量恢复而增大。
在图3中显示了用于ITER托卡马克的高功率中性射束注入器的示意图，该注入器也典型地用于被考虑的其它反应器等级磁等离子约束系统[2]。注入器的基础构件为负离子的高电流源、离子加速器、中和器、带有离子收集器-恢复器的电荷交换射束的带电构件的磁分离器。
为了维持注入器中的需要的真空条件，典型地将高真空泵送系统与大尺寸闸门阀一起使用，该闸门阀将射束管与等离子装置切断并且/或者提供对注入器的主元件的接近途径。通过使用可缩进量热靶，以及通过无损光学方法来测量射束参数。强大的中性射束的产生需要使用对应的功率供应源。
根据产生的原理，负离子源可分成下列集合：
·体积产生(等离子)源-在其中，在等离子的体积中产生离子；
·表面产生源-在其中，离子在电极或专用靶的表面上产生；
·表面等离子源-在其中，离子在与由Novosibirsk group开发的等离子粒子互相作用的电极的表面上产生[3]；和
·电荷交换源-在其中，由于加速的正离子射束在不同的靶上的电荷交换，故产生负离子。
为了在与正离子源中相似的现代体积H-离子源中生成等离子，使用利用热细丝或中空阴极的电弧放电，以及氢中的RF放电。为了放电中的电子约束的改善并且为了对于负离子源而言重要的气体放电隔室中的氢密度的降低，使用磁场中的放电。广泛使用具有外部磁场(即，具有电极的潘宁或磁控管几何结构，具有“反射”放电的纵向磁场中的电子振荡)的系统，和具有外围磁场(多极)的系统。在图4中显示了为了JET的中性射束注入器开发的具有外围磁场的放电隔室的剖面图[3]。等离子箱的外围处的磁场通过安装于其外表面上的永磁体而产生。磁体布置成组，在其中磁化方向是不变的或以错列顺序变化，使得磁场线具有接近壁的线性或交错尖端(cusp)的几何结构。
在等离子隔室的外围处具有多极磁场的系统的应用尤其允许系统将在隔室中处于降低的气体工作压力下的源中的密集等离子维持为低至1-4Pa(不带有铯)和低至0.3Pa(在带有铯的系统中)[4]。这种在放电隔室中的氢密度的降低对于高电流多孔巨型离子源尤其重要，其是为了熔化研究中的应用而开发的。
此时，表面等离子产生离子源被认为最适用于高电流负离子射束的产生。
在表面等离子产生离子源中，在具有充分的能量的粒子与低功函表面之间的相互作用中产生离子。该效应可通过暴露于轰击的表面的碱性涂层来增强。存在两个主要工序，即：热力学平衡表面离子化，其中，在表面上碰撞的慢原子或分子在平均滞留时间后作为正或负离子发射回；和非平衡(运动)原子表面互相作用，其中，负离子通过溅射、碰撞解吸(与热解吸相反，其中热粒子被解吸)或在碱性金属涂层的存在下的反射而产生。在热力学平衡离子化的工序中，吸收的粒子在热平衡的条件下脱离表面。离开表面的粒子的离子化系数通过Saha公式而确定，并呈现为十分小～0.02%。
非平衡运动表面离子化的工序呈现为在表面中更加有效，并且具有可比得上负离子的电子亲和性的足够低的功函。在该工序期间，负离子使用从初级粒子获得的动能来脱离表面，从而克服近表面障碍。在表面附近，附加的电子的能量水平低于在金属中的电子的较高的费米水平，并且该水平可十分易于通过来自金属的电子隧穿而获得。在离开表面的离子移动期间，其克服由镜像电荷                                               产生的势垒。电荷镜像场相对于金属中的电子的能量水平提高附加的电子的能量水平。从一些临界距离开始，附加电子的水平变得高于金属中的电子的较高能量水平，并且谐振隧穿将电子从离开的离子送回至金属。在离子足够快速地脱离的情况下，负离子化系数呈现为对于具有低功函的表面而言相当高，该低功函可通过覆盖碱性金属(尤其是铯)而提供。
实验显示，脱离具有低功函的该表面的氢粒子的负离子化程度可达到。应当注意到，在0.6单层的Cs覆盖(在钨晶体110表面上)下，钨表面上的功函具有最小值。
对于负氢离子源的开发，重要的是，负离子的整体产量足够高，K-=9-25%，以用于具有3-25eV的能量的氢原子和正离子与具有低功函的表面(如，Mo+Cs,W+Cs)的冲突[5]。尤其是，(见图5)在通过具有大于2eV的能量的弗兰克康东原子的铯化钼表面的轰击中，到H-离子的整体转换效率可达到K-～8%。
在表面等离子源(SPS)[3]中，负离子产生由于运动表面离子化-在与气体放电等离子接触的电极上的溅射、解吸、或反射工序，而实现。在SPS中使用具有降低的功函的专用发射器的电极，以用于增强负离子产生。通常，对放电加入少量的铯允许获得在H-射束的亮度和强度中的多方面增大。送入放电中的铯显著地降低与负离子一起提取的电子的附随通量。
在SPS中，气体放电等离子提供若干功能，即，其产生轰击电极的粒子的强通量；电极附近的等离子壳层产生离子加速，从而增大了轰击粒子的能量；在负电势下在电极处产生的负离子通过等离子壳层电势而加速并且穿过等离子层进入提取区域中，而没有相当大的破坏。利用相当高的功率和气体效率的强烈的负离子产生在“脏”的气体放电条件和电极的强烈轰击下，在SPS的各种改型中获得。
已经开发若干SPS源以用于大型熔化装置，如LHD、JT-60U和国际(ITER)托克马克。
这些源的典型的特征可通过考虑LHD仿星器的注入器[4](其在图6[4,6]中示出)来理解。电弧等离子在具有～100升体积的大型磁性多极桶隔室中产生。二十四个钨细丝在大约0.3-0.4Pa的氢压力下支持3kA,～80V电弧。在～50G的中心处具有最大电场的外部磁体过滤器提供在等离子附近的提取区域中的电子密度和温度下降。等离子电极的正偏压(～10V)减少了附随的电子通量。负离子在由最优铯层覆盖的等离子电极上产生。配备有气动阀的外部铯炉(三个用于一个源)供应分配的铯送入(seeding)。负离子产生在200-250℃的最优等离子电极温度下获得最大值。等离子电极受到绝热并且其温度通过功率负载等离子放电而确定。
在图7中显示了四电极多孔离子光学系统，其在LHD中使用[6]。负离子通过各具有1.4cm的直径的770发射孔而提取。孔在等离子电极上占用25 x 125cm2的区域。小的永磁体嵌入孔之间的提取栅极中，来将共同提取的电子从射束偏转至提取电极壁上。安装在提取栅极后方的附加的电子抑制栅极抑制从提取电极壁反向散射或放出的次级电子。在离子源中使用带有高透明度的多裂缝接地栅极。其降低了射束交叉面积，因而改善了电压保持能力并且将在间隙中的气体压力降低到1/2.5，并带有射束剥离损耗的对应降低。提取电极和接地电极均为水冷的。
对多尖端源中的铯送入提供提取的负离子电流的5倍增大和在大范围的放电功率和氢填充压力下的H-离子产量的线性增长。铯送入的其它重要优点为共同提取的电子电流的～10倍减少和放电中的氢压力的低至0.3Pa的基本下降。
LHD处的多尖端源惯常地提供大约30A的离子电流，其在2秒长的脉冲上各自具有30mA/cm2的电流密度[6]。LHD离子源的主要问题为通过从细丝溅射的钨而送至电弧隔室的铯的阻塞，和当在高功率长脉冲方法下操作时高电压保持能力的下降。
LHD的基于负离子的中性射束注入器具有两个离子源，其在180keV的名义射束能量下利用氢操作。每个注入器已经实现128秒脉冲期间5MW的名义注入功率，使得各离子源提供2.5MW的中性射束。图8A和B显示了LHD中性射束注入器。离子源的焦距为13m，并且两个源的枢转点定位在下游15.4m。发射端口为大约3m长，其中，最狭窄部分直径为52cm，并且长度为68cm。
带有RF等离子驱动器的离子源和由铯覆盖的等离子电极上的负离子产生由IPP Garching开发。RF驱动器产生更多的清洁等离子，使得在这些源中不存在由钨导致的铯阻塞。带有1A的射束电流、～20kV的能量和3600秒持续时间的负离子射束脉冲的稳态提取在2011年由IPP证实。
目前，在用于下阶段熔化装置(例如，ITER托克马克)的开发下的高能量中性射束注入器，还未被证明在期望的1MeV能量下的稳定操作和具有足够高的电流的稳定状态或连续波(CW)。因而，无论何时，只要有可能解决阻止实现射束的靶参数的问题，均存在对发展可实施解决方案的需要，例如500-1000KeV的范围中的射束能量、100-200A/m3的主容器端口的中性物中的有效电流密度、1000秒脉冲长度的大约5-20MW的每中性射束注入器功率、和少于射束电流的1-2％的通过射束注入器引入的气体负载。应注意的是，如果注入器的模块中的负离子电流与用于ITER射束的40A提取离子电流相比降低至8-10A提取离子电流，那么该目标的实现变得较不被需要。在提取的电流和射束功率中的逐步降低将导致在注入器离子源和高能加速器的关键元件的设计上的较大变更，使得更多良好发展的技术和方法能够应用于改善注入器的可靠性。因而，在如下假定下本考虑提议每模块8-10A的提取电流：需要的输出注入功率可使用产生高电流密度、低发散射束的若干注入器模块获得。
表面等离子源性能相当好地被证明，并且如今在操作中的若干离子源已产生超过1A或更高的连续可扩缩的离子射束。至今，中性射束注入器的关键参数(如，射束功率和脉冲持续时间)距对考虑的注入器所要求的那些相当远。这些注入器的开发的当前状态可从表1得到理解。
因而，期望提供一种改进的中性射束注入器。
发明内容
在本文中提供的实施例涉及用于基于负离子的中性射束注入器的系统和方法。基于负离子的中性射束注入器包括离子源、加速器和中和器，来产生具有大约0.50至1.0MeV的能量的大约5MW的中性射束。离子源定位在真空罐内侧并且产生9A的负离子射束。由离子源产生的离子在注入高能加速器发射之前由离子源中的静电多孔栅极预加速器预加速至120keV，该预加速器用来从等离子提取离子射束，并且加速至需要的射束能量的一部分。来自离子源的120keV射束行进穿过一对偏转磁体，该对偏转磁体允许射束在进入高能加速器之前从轴线移开。在加速至满能量后，射束进入中和器，在此其被部分地转换成中性射束。剩余的离子种类通过磁体而分离并被引导入静电能量转换器中。中性射束行进穿过闸门阀并进入等离子隔室。
将等离子驱动器和离子源的等离子箱的内壁维持在升高的温度(150-200℃)下，以防止它们的表面上的铯积聚。提供分配歧管来直接对等离子栅极的表面上而不对等离子供应铯。这与将铯直接供应入等离子放电隔室中的现有离子源相反。
使用磁场来在离子提取中偏转共同提取的电子，并且通过外部磁体而不通过在之前的设计中采用的嵌入栅极主体中的磁体来产生预加速区域。在栅极中的嵌入的“低温”磁体的不存在允许它们被加热至升高的温度。之前的设计倾向于利用嵌入栅极主体中的磁体，这倾向于导致提取的射束电流的显著的减少，并且防止升高的温度操作以及适当的加热/冷却性能。
高电压加速器不直接联接至离子源，而是通过具有弯转磁体、真空泵和铯阱的过渡区域(低能射束传输线-LEBT)与离子源间隔开。过渡区域从射束截取和移除共同流动的粒子中的大多数，包括电子、光子和中性物，抽空从离子源发出的气体，并且防止其到达高电压加速器，防止铯流出离子源和渗透至高电压加速器，防止通过负离子剥离产生的电子和中性物进入高电压加速器。在之前的设计中，离子源直接连接至高电压加速器，这倾向于导致高电压加速器遭受所有的气体、带电粒子、和来自离子源的铯流，且反之亦然。
LEBT中的弯转磁体将射束偏转和聚焦至加速器轴线上，并且因而补偿在传输穿过离子源的磁场期间的任何射束偏移和偏转。在预加速器和高电压加速器的轴线之间的偏移减少了共同流动的粒子去往高电压加速器的流入，并且防止高度加速的粒子(正离子和中性物)回流入预加速器和离子源中。射束聚焦与多孔栅极系统相比还促进了进入加速器的射束的均一性。
中和器包括等离子中和器和光子中和器。等离子中和器基于在壁处具有高磁场永磁体的多尖端等离子约束系统。光子中和器是基于基于高反射壁的圆柱形空腔，并且利用高效率激光进行泵送的光子阱。这些中和器技术从未考虑应用于大规模中性射束注入器中。
在检查下列附图和详细说明后，实例实施例的其它系统、方法、特征和优点对于本领域技术人员将是或将变得显而易见。
附图说明
可通过对附图的研究来部分地收集实例实施例的细节，包括结构和操作，其中，相似的参考数字指相似的元件。附图中的构件不一定遵循比例，而是将重点放置于示出本发明的原理上。而且，所有的示出均意图传达概念，其中，可示意地而不是精确地或准确地示出相对尺寸、形状以及其它详细特征。
图1是基于负离子的中性射束注入器布局的平面图。
图2是在图1中显示的基于负离子的中性射束注入器的剖视等距视图。
图3是用于ITER托克马克的中性的高功率注入器的平面图。
图4是用于JET中性射束注入器的具有外围多极磁场的放电隔室的等距剖视图。
图5是显示作为入射能的函数的负离子的整体产量的图表，该负离子通过利用中性H原子和正分子H轰击Mo+Cs表面形成。与仅预铯化表面相比，通过利用DC铯化来增加产量。
图6是用于LHD的负离子源的平面图。
图7是用于LHD源的多孔离子光学系统的示意图。
图8A和B是LHD中性射束注入器的顶视图和侧视图。
图9是离子源的剖视图。
图10是低能量氢原子源的剖视图。
图11是显示在低能量束中的H-离子轨迹的图。
图12是加速器的等距视图。
图13是显示加速管中的离子轨迹的图。
图14是四极透镜三合体的等距视图。
图15是显示在高能射束输送线的加速器中的离子轨迹的顶视图(a)和侧视图(b)的图。
图16是等离子靶布置的等距视图。
图17是显示在恢复器中的离子射束减速的二维计算的结果的图。
应当理解的是，遍及附图，具有相似结构或功能的元件通常由相似的参考数字代表以用于示出目的。还应当注意的是，附图仅意图促进优选实施例的描述。
具体实施方式
在下面公开的附加的特征和教导可单独地或结合其它特征和技术利用，来提供新的基于负离子的中性射束注入器。现在将参照附图更加详细地描述在本文中描述的实施例的代表实例，这些实例既单独地又结合地利用这些附加特征和教导中的许多。该详细描述仅意图教导本领域技术人员用于实践本教导的优选方面的更多细节，并且不意图限制本发明的范围。因而，在最广泛的意义上，在下列详细描述中公开的特征和步骤的组合对于实践本发明不是必须的，而是仅被教导来尤其描述本教导的代表性实例。
而且，代表性实例和从属权利要求的各种特征可以以未具体地和明确地列举的方式组合，以便提供本教导的附加的有用实施例。此外，清楚地注意到，在说明书和/或权利要求中公开的所有特征意图彼此分离地且独立地公开，以用于原始公开的目的，并且用于约束要求保护的主题的目的，该主题与在实施例和/或权利要求中的特征的组合无关。还清楚地注意到，所有的值范围或实体的集合的指示公开了每个可能的中间值，或中间实体，以用于原始公开的目的，并且用于约束公开的主题的目的。
在本文中提供的实施例涉及新的基于负离子中性射束注入器，其具有优选地为大约500-1000keV的能量和高整体能量效率。在图1和图2中示出了基于负离子的中性射束注入器100的实施例的优选布置。如所绘出的，注入器100包括：离子源110、闸门阀120、用于偏转低能射束线的偏转磁体130、绝缘体支撑140、高能加速器150、闸门阀160、中和器管(示意地显示)170、分离磁体(示意地示出)180、闸门阀190、泵送面板200和202、真空罐210(其为在下面讨论的真空容器250的部分)、低温吸附泵220、和四极透镜的三合体230。如所注意到的，注入器100包括离子源110、加速器150以及中和器170，来产生具有大约0.50至1.0MeV的能量的大约5MW的中性射束。离子源110位于真空罐210内侧并且产生9A的负离子射束。真空罐210偏压至相对于地的-880kv，并且在填充有SF6气体的较大直径罐240内侧安装于绝缘支撑140上。由离子源产生的离子在注入高能加速器150中之前，通过离子源110中的静电多孔栅极预加速器111(见图9)预加速至120keV，该预加速器111用来从等离子提取离子射束，并且加速至需要的射束能量的一些部分。来自离子源110的120keV射束行进穿过一对偏转磁体130，其允许射束在进入高能加速器150之前从轴线移开。显示为在偏转磁体130之间的泵送面板202包括隔离和铯阱(trap)。
假定离子源110的气体效率为大约30％。9-10A的射出的负离子射束电流对应于离子源110中的6-7 I Torr/s的气体喷出。从离子源110流出的中性气体累积至预加速器111中的大约2x10-4Torr的平均压力。在该压力下，中性气体引起在预加速器111内侧的离子射束的～10%的剥离损耗。在偏转磁体130之间，存在用于中性粒子的贮存器(未显示)，该中性粒子起源于主负离子射束。还存在用于从高能加速器150回流的正离子的贮存器(未显示)。在预加速后立即使用带有来自泵送面板200的差压泵送的低能射束传输线区域205，来在其到达高能加速器150之前将气体压力降低至～10-6Torr。这引入了附加的～5%的射束损耗，但是由于其在低预加速能量下发生，故功率损耗相对小。高能加速器150中的电荷交换损耗在10-6Torr背景压力下低于1％。
在加速至1MeV的满能量后，射束进入中和器170，在此其被部分地转换成中性射束。剩余的离子种类由磁体180分离并被引导入静电能量转换器(未显示)中。中性射束行进穿过闸门阀190并进入等离子隔室270。
真空容器250被分解成两个区段。一个区段包含第一真空罐210中的预加速器111和低能射束线205。另一区段容纳在第二真空罐255中的高能射束线265、中和器170和带电粒子能量转换器/恢复器。真空容器250的区段通过在内侧具有高能加速器管150的隔室260连接。
第一真空罐210是预加速器111和低能射束线205的真空边界，并且利用SF6加压较大直径罐或外部容器240以用于高电压绝缘。真空罐210和255用作用于内部设备(例如，磁体130、低温吸附泵220等)的支撑结构。从内部热承受构件的热移除将利用冷却管来实现，在被偏压至-880Kv的第一真空罐210的情况下，该冷却管必须进行绝缘间歇。
离子源：
在图9中显示了离子源110的示意图。离子源包括：静电多孔预加速器栅极111、陶瓷绝缘体112、RF型等离子驱动器113、永磁体114、等离子箱115、冷却水通道和岐管116、和气体阀117。在离子源110中，使用等离子预加速器栅极111的铯化钼表面，将由等离子驱动器113形成的正离子和中性原子转换成等离子膨胀体积(驱动器113与栅极111之间的体积，在图9中由标注“PE”的括弧指示)中的负离子，该体积带有如由永磁体114提供的磁性多极桶外壳。
施加用于去往等离子预加速器栅极111的电子的收集的正偏压电压，以用于负离子产生的优化条件。使用等离子预加速器栅极111中的孔111B的几何成形，来将H-离子聚焦入提取栅极的孔111B中。使用由外部永磁体114产生的小的横向磁性过滤器来降低电子的温度，该电子从等离子箱115的驱动器区域或等离子发射器区域PE扩散至等离子箱115的提取区域ER。等离子中的电子通过由外部永磁体114产生的小的横向磁性过滤器场而从提取区域ER反射回。离子在注入高能加速器150中之前通过离子源110中的静电多孔预加速器等离子栅极111而加速至120keV。在加速到高能量之前，离子射束在直径上为大约35cm。离子源110因而必须在孔111B中产生26mA/cm2，从而在预加速器等离子栅极111中呈现33％透明度。
对等离子箱115进行供给的等离子通过等离子驱动器113的阵列而产生，该等离子驱动器113安装在等离子箱的后凸缘115A上，该等离子箱优选地为圆柱形水冷铜隔室(700mm直径持续170mm长)。等离子箱115的开放端部由提取和加速系统的预加速器等离子栅极111封闭。
假定负离子将在等离子栅极111的表面上产生，该等离子栅极111覆盖有铯的薄层。通过使用铯供应系统(在图9中未显示)将铯引入等离子箱115中。
离子源110由永磁体114围绕，以形成用于初级电子和等离子约束的线尖端构造。等离子箱115的圆柱形壁上的磁体柱114A在后凸缘115A处由也处于线尖端构造的磁体114B的排连接。等离子栅极111的平面附近的磁性过滤器将等离子箱115分成等离子发射器PE和提取区域ER。过滤器磁体114安装于等离子栅极111附近的凸缘111A处，来提供横向磁场(在中心处，B=107G)，其用来防止来自离子驱动器113的高能初级电子到达提取区域ER。但是，正离子和低能电子可跨过过滤器扩散到提取区域ER中。
电极提取和预加速系统111包括五个电极111C、111D、111E、111F、111G，各自具有形成为正交穿过其形成其并且用来提供负离子射束的142个孔洞或孔111B。提取孔111B各自在直径上为18mm，使得142个提取孔的总离子提取区域为大约361cm2。负离子电流密度为25mA/cm2，并且被要求产生9A的离子射束。过滤器磁体114C的磁场延伸到静电提取器与预加速器栅极111之间的间隙中，来使共同提取的电子偏转到孔111B的内表面处的凹槽上，该孔111B在提取电极111C、111D和111E中。磁性过滤器磁体114C的磁场与附加的磁体114D的磁场一起提供与负离子共同提取的电子的偏转和截取。附加的磁体114D包括安装在加速器栅极的加速器电极111F和111G的保持器之间的磁体阵列，该加速器栅极定位在包括提取电极111C、111D以及111E的提取栅极的下游。将负离子加速至120keV的能量的第三栅极电极111E从接地栅极电极111D被正偏压，来将进入预加速器栅极的流动的正离子反射回。
等离子驱动器113包括两个备选项，即RF等离子驱动器和电弧放电原子驱动器。在原子驱动器中使用BINP开发的电弧放电电弧等离子发生器。电弧放电等离子发生器的特征由导向等离子射流的形成组成。膨胀的射流中的离子没有冲突地移动，并且由于通过双极等离子电势的下降的加速，而获得～5-20eV的能量。等离子射流可被导向至转换器(见在图10中的320)的倾斜的钼或钽表面上，其中，作为射流的中性化和反射的结果，产生氢原子流。氢原子的能量可通过转换器的相对于等离子箱115的负偏压而增大至超出初始的5-20eV。关于利用这种转换器获得原子的密集流的实验于1982-1984年在Budker Institute中进行。
在图10中，低能量原子的源的先进布置300显示为包括气体阀310、阴极插入物312、直通至加热器314的电供应、冷却水歧管316、LaB6电子发射器318、和离子-原子转换器320。在实验中，已经以大于50％的效率产生了氢原子流，该氢原子流具有20-25A的等效电流和在20eV至80eV的范围中变化的能量。
此种源可用在负离子源中，以供应原子，该原子具有为了等离子栅极111的铯化表面上的负离子的有效产生而优化的能量。
低能射束传输线
利用通过离子源110的外围磁场且通过两个专用楔形弯转磁体130的磁场造成的偏差，使H-离子垂直于它们的运动方向移置440mm，该H-离子通过离子源110在沿着低能射束传输线205的它们的通路上产生且预加速至120keV的能量。提供低能射束传输线205中的负离子射束的移置(如在图11中所示出的)，来分离离子源110和高能加速器区域150。使用该移置来避免因加速管150中的剩余的氢的H-射束的剥离导致的快速原子的渗透，来减少从离子源110到加速管150的铯和氢的流，并且还用于抑制从加速管150到离子源110的次级离子通量。在图11中，显示了在低能射束传输线中的H -离子的计算的轨迹。
高能射束管
从低能射束线逸出的低能射束进入图12中显示的常规静电多孔加速器150中。
考虑空间电荷贡献的9A负离子射束加速的计算的结果在图13中显示。将离子从120keV能量加速直至1MeV。在管150上的加速度势为880kV，且电极之间的电势阶梯为110kV。
计算显示，在电子放电可能发生的区域中，在电极上的优化加速管150中，场强度不超过50kV/cm。
在加速后，射束行进穿过工业常规四极透镜231、232和233(图14)的三合体230，其用来补偿在加速管150的出口上的轻微的射束离焦，并且用来在出口端口上形成具有优选尺寸的射束。三合体230安装在高能射束传输线265的真空罐255内。四极透镜231、232和233中的各个包括四极电磁体的常规组，其产生如在所有的现代常规粒子加速器中发现的惯例的磁性聚焦场。
在图15中显示了，在加速管150、四极透镜230以及高能射束传输线265中的具有12eV的横向温度的9A负离子射束的计算的轨迹。计算遵循超出其聚焦点的射束。
在径向剖面的一半高度处，在中和器后12.5m距离处的具有6A等效电流的中性射束的计算的直径为140mm,并且射束电流中的95%在180mm直径圆周中。
中性化
选择用于射束系统的光致分离中和器170可实现多于95％的离子射束剥离。中和器170包括氙灯和圆柱形光阱的阵列，该圆柱形光阱带有反射壁来提供要求的光子密度。使用具有大于0.99的反射率的冷却镜来适应壁上的大约70kW/cm2的功率通量。在备选方案中，可使用利用常规技术的等离子中和器，但代价是效率上的轻微下降。然而，如所预测的，如果能量回收系统具有>95%的效率，那么等离子室的～85%中性化效率是相当充分的。
等离子中和器等离子被约束在在壁处具有多极磁场的圆柱形隔室175中，该多极磁场由永磁体172的阵列产生。在图16中显示了约束装置的概要视图。中和器170包括冷却水歧管171、永磁体172、阴极组件173和LaB6阴极174。
圆柱形隔室175为1.5-2m长，并且在用于射束行进穿过的端部处具有开口。通过使用安装在约束隔室175的中心处的若干阴极组件173来生成等离子。在装置170的中心附近供应工作气体。在利用这种等离子中和器170的原型的实验中，观测到，由壁处的多极磁场172进行的电子的约束足够好并且比等离子离子的约束好相当多。为了使离子和电子损耗均衡，在等离子中发展了相当的负电势，以便离子由电场有效地约束。
相当长的等离子约束导致维持支持中和器170中的大约1013cm-3的等离子密度所需的相对低的放电功率。
能量恢复
存在在我们的条件下的高功率效率的实现的客观原因。首先，存在：相对小的离子射束电流和低能量扩展。在本文中描述的方案中，通过利用等离子或蒸汽金属靶，剩余离子电流在中和器后期望为～3A。这些带有正或负电荷的剔出离子的流将通过偏转磁体180而转移至两个能量恢复器，各一个分别用于正和负离子。已经进行了这些剩余的剔出离子射束的减速的数值模拟，该射束典型地带有在恢复器内的直接转换器中的1MeV能量和3A，而没有空间电荷补偿。直接转换器将在剩余的剔出离子射束中包含的能量的相当大的部分直接转换成电力，并作为用于并入热循环中的高质量热来供应能量的剩余部分。直接转换器遵循静电多孔减速器的设计，由此带电电极的连续区段产生纵向中断场并且吸收离子的动能。
图17显示了转换器中的离子射束减速的二维计算的结果。从显示的计算，可见具有1MeV能量的离子射束低至30keV能量的减速是十分可行的，因而可获得96-97％的恢复因数值。
已经分析了基于负离子的高功率中性射束注入器的之前的开发尝试，来揭露出阻止实现具有～1MeV的稳定状态操作和若干MW的功率的注入器的至今的关键问题。其中最重要的为：
·铯层的控制，和损耗以及重新沉积(温度控制等)
·用以提取的负离子的表面产生的优化
·共同流动的电子的分离
·因内部磁场导致的等离子栅极处的离子电流剖面的非均一性
·低离子电流密度
·加速器是复杂的，并且许多新技术仍正在被开发(低电压保持能力，大绝缘体等)
·回流正离子
·先进的中和器技术(等离子、光子)未在相关条件下被证实
·能量转换未充分发展
·管中的射束阻塞。
在本文中提供的问题的创新性解决方案可根据与它们连接的系统(即负离子源、提取/加速、中和器、能量转换器等)而分组。
1.0 负离子源110:
1.1. 等离子箱115和等离子驱动器113的内部壁保持在升高的温度(150-200℃)下，来防止它们的表面上的铯积聚。
升高的温度：
- 防止由解吸/溅射引起的不受控制的铯释放，并且降低其到离子光学系统(栅极111)中的渗入；
- 减少壁处的铯层中的氢原子的吸收和重组；
- 减小铯的消耗和中毒。
为了实现其，使高温流体循环穿过所有构件。表面的温度通过主动反馈控制(即：热在CW操作和瞬态状态期间被移除或增加)进一步稳定。与该方法相反，所有其它现有和计划的射束注入器使用被动系统，其利用在冷却剂管与热电极主体之间的水冷却和热中断。
1.2. 铯通过分配歧管直接供应至等离子栅极111的表面上，而不供应至等离子。通过分配歧管供应铯：
- 在所有的射束开启时间期间提供受控的且分配的铯供应；
- 防止典型地由等离子导致的阻塞引起的铯短缺；
- 在长脉冲期间在其积聚和解除阻塞后减少来自等离子的铯释放。
相反地，现有的离子源将铯直接供应入排放隔室中。
2.0 预加速器(100-keV)111：
2.1. 使用磁场来在离子提取中使共同提取的电子偏转，并且通过外部磁体而不通过如在之前的设计中采用的嵌入栅极主体中的磁体来产生预加速区域：
- 在栅极之间的高电压间隙中的磁场线在各处均朝受到负偏压的栅极凹入，即朝提取间隙中的等离子栅极和朝预加速间隙中的提取栅极凹入。磁场线朝受到负偏压的栅极的凹陷防止高电压间隙中的局部潘宁阱和共同提取的电子的俘获/增加，因为其可在具有嵌入磁体的构造中发生。
- 可将不带有嵌入的“低温”NIB磁体的离子光学系统(IOS)(栅极111)的电极加热至升高的温度(150-200℃)，并且通过使用热(100-150℃)的液体而允许长脉冲期间的热移除。
- 嵌入磁体的不存在节省了栅极的发射孔之间的空间，并且允许引入更有效的电极加热/冷却通道。
相反地，之前的设计利用嵌入栅极主体中的磁体。这导致了高电压间隙中的静磁电阱的形成，该阱俘获且增加共同提取的电子。这可引起在提取的射束电流中的显著下降。其还防止对于长脉冲操作而言关键的升高温度操作以及适当的加热/冷却性能。
2.2. 离子光学系统(栅极111)的所有电极通常在升高的温度(150-200℃)下被支撑，来防止它们表面处的铯积聚，并且增加提取和预加速间隙的高电压强度。相反地，在常规设计中，电极由水冷却。电极具有升高的温度，因为在冷却剂管与电极主体之间存在热中断，并且不存在主动反馈。
2.3. 通过使具有可控温度的热液体流动穿过栅极111内侧的内部通道，执行起动时的栅极111的初始预热和射束开启阶段期间的热移除。
2.4. 穿过侧面空间和栅极保持器中的大开口从预加速间隙额外地泵出气体，以便沿着射束线减小气体压力，并且抑制间隙中的负离子剥离和次级粒子的产生/增加。
2.5. 包含正偏压栅极111以用来弹回流动的正离子。
3.0 高压(1MeV)加速器150：
3.1. 高电压加速器150不直接联接至离子源，而是通过具有弯转磁体130、真空泵和铯阱的过渡区域(低能射束传输线-LEBT 205)与离子源间隔开。过渡区域：
- 从射束截取和移除共同流动的粒子中的大多数，包括电子、光子和中性物；
- 泵出从离子源110发出的气体，并且防止其到达高电压加速器150；
- 防止铯流出离子源110并渗透至高电压加速器150；
- 防止由负离子剥离产生的电子和中性物进入高电压加速器150。
在之前的设计中，离子源直接连接至高电压加速器。这导致高电压加速器遭受所有的气体、带电粒子、和从离子源流出的铯，且反之亦然。该强干涉降低了高电压加速器的电压保持能力。
3.2. LEBT 205中的弯转磁体130使射束偏转和聚焦至加速器轴线上。弯转磁体130：
- 在传输穿过粒子源110的磁场期间补偿任何射束偏移和偏转；
- 在预加速器111和高电压加速器150的轴线之间的偏移减少了共同流动的粒子去往高电压加速器150的流入，并且防止高度加速的粒子(正离子和中性物)回流入预加速器111和离子源110中。
相反地，之前的系统在加速级之间不具有物理分离，并且因而，不允许在本文中作为特征的轴向偏移。
3.3. 低能射束线205的磁体将射束聚焦入单孔加速器150的进口中：
- 射束聚焦与多孔栅极系统相比促进了进入加速器150的射束的均一性。
3.4. 单孔加速器的应用：
- 简化系统对准和射束聚焦；
- 促进气体泵送和从高能加速器150的次级粒子移除；
- 减少了到高能加速器150的电极上的射束损耗。
3.5. 磁性透镜230在加速后使用，以补偿在加速器150中的过度聚焦并且形成准平行的射束。
在常规设计中，除了在加速器自身中之外，不存在用于射束聚焦和偏转的机构。
4.0 中和器170:
4.1 等离子中和器基于在壁处具有高磁场永磁体的多尖端等离子约束系统；
- 增加中性化效率；
- 使整体中性射束注入器损耗最小化。
这些技术从未被考虑应用于大规模中性射束注入器中。
4.2 光子中和器-光子阱基于具有高反射壁的圆柱形空腔阱并且利用高效率激光进行泵送。
- 进一步增大中性化效率；
- 使整体中性射束注入器损耗最小化。
这些技术从未被考虑应用于大规模中性射束注入器中。
5.0 恢复器:
5.1 剩余离子能量恢复器的应用：
- 增大了注入器的整体效率。
相反地，在常规设计中完全未预见到恢复。
参考：
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[2.] R.Hemsworth et al. Rev. Sc. Instrum., Vol. 67, p. 1120 (1996)
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虽然本公开容许各种修改和备选形式，但是已经在附图中显示了并且在本文中详细描述了其具体实例。具体而言，所有的参考整体并入本文中。但是，应当理解的是，本发明不限于公开的特定形式和方法，而是相反地，本发明意图覆盖落入所附权利要求的精神和范围内的所有修改、等同和备选方案。

Claims (27)

1. 一种基于负离子的中性射束注入器，其包括：
离子源，其适于产生负离子射束；
加速器，和
中和器，其中，所述离子源、加速器和中和器适于产生具有大约5MW的功率的中性射束。
2. 一种基于负离子的中性射束注入器，其包括：
离子源，其适于产生负离子射束；
加速器，和
中和器，其中，所述离子源、加速器和中和器适于产生带有大约0.50至1.0MeV的能量的中性射束。
3. 根据权利要求1所述的注入，其特征在于，所述离子源、加速器和中和器适于产生具有大约0.50至1.0MeV的能量的中性射束。
4. 根据权利要求2所述的注入器，其特征在于，所述离子源、加速器和中和器适于产生具有大约5MW的功率的中性射束。
5. 根据权利要求1至4所述的注入器，其特征在于，所述离子源适于产生大约9A的负离子射束。
6. 根据权利要求1至4所述的注入器，其特征在于，所述加速器与所述离子源处于间隔的关系。
7. 根据权利要求6所述的注入器，其特征在于，所述加速器包括预加速器和高能加速器。
8. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，所述预加速器是所述离子源中的静电多孔栅极。
9. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，来自所述离子源的离子在注入所述高能加速器中之前由所述预加速器预加速至120kV。
10. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，还包括介于所述预加速器和高能加速器之间的一对偏转磁体，其中，该对偏转磁体允许来自所述预加速器的射束在进入所述高能加速器之前从轴线移开。
11. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，所述离子源包括等离子箱和等离子驱动器。
12. 根据权利要求11所述的注入器，其特征在于，所述等离子箱和等离子驱动器的内壁能够维持在大约150-200℃的升高的温度下，以防止它们的表面上的铯积聚。
13. 根据权利要求12所述的注入器，其特征在于，所述等离子箱和驱动器包括流体歧管和通路，以使高温流体循环。
14. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，还包括分配歧管，以用于将铯直接供应在所述加速器的等离子栅极上。
15. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，所述预加速器包括外部磁体，以在离子提取和预加速区域中偏转共同提取的电子。
16. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，还包括泵送系统，以从预加速间隙泵出气体。
17. 根据权利要求14所述的注入器，其特征在于，所述等离子栅极受到正偏压，以弹回流动的正离子。
18. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，所述高能加速器通过包括低能射束传输线的过渡区域与所述离子源间隔开。
19. 根据权利要求18所述的注入器，其特征在于，所述过渡区域包括弯转磁体、真空泵和铯阱。
20. 根据权利要求19所述的注入器，其特征在于，所述弯转磁体将所述射束偏转和聚焦至所述高能加速器的轴线上。
21. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，还包括磁性透镜，其跟在所述加速器后面来补偿所述加速器中的过度聚焦，并且来形成准平行射束。
22. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，所述中和器包括等离子中和器，所述等离子中和器基于在壁处具有高磁场永磁体的多尖端等离子约束系统。
23. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，所述中和器包括光子中和器，所述光子中和器基于具有高反射壁的圆柱形空腔，并且利用高效率激光进行泵送。
24. 根据权利要求22所述的注入器，其特征在于，所述中和器包括光子中和器，所述光子中和器基于具有高反射壁的圆柱形空腔，并且利用高效率激光进行泵送。
25. 根据权利要求1和2所述的注入器，其特征在于，还包括剩余离子能量恢复器。
26. 根据权利要求6所述的注入器，其特征在于，还包括剩余离子能量恢复器。
27. 根据权利要求7所述的注入器，其特征在于，还包括剩余离子能量恢复器。
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