CN113438794A - 一种负氢离子源系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种负氢离子源系统。该系统包括：等离子体产生装置和负氢离子引出装置；等离子体产生装置的等离子体出射口处设置负氢离子引出装置；负氢离子引出装置包括外壳、过滤磁场产生装置和扩散区；外壳内设置扩散区；外壳包括金属侧壁和金属顶面；金属顶面为静磁屏蔽面；金属顶面开设有等离子体通道；等离子体产生装置产生的等离子体从等离子体通道进入扩散区的顶部，并从扩散区的底部引出负氢离子；过滤磁场产生装置设置在金属侧壁的外部且位于扩散区的底部。本发明能够在冷却扩散区的电子的同时，避免等离子体产生装置内放电源区等离子体密度的降低。

Description

一种负氢离子源系统
技术领域
本发明涉及负氢离子源领域，特别是涉及一种负氢离子源系统。
背景技术
能源问题正日益得到重视，而磁约束核聚变被认为是未来解决人类能源危机的最佳方案之一。为了早日实现这一目标，国际上正在建设国际热核反应实验堆(International ThermonuclearExperimental Reactor，ITER)，而我国也正在规划建设中国核聚变工程实验堆(Chinese Fusion Engineering Test Reactor，CFETR)。面向未来的大型聚变装置的基本目标都是达到聚变点火条件并实现稳态运行，以开展燃烧等离子体物理和工程技术实验研究。高能量(离子能量在MeV量级)、准稳态(注入时间3600s)的中性束注入系统是大型聚变装置实现高参数和高约束模式运行的必要条件之一。国内外学者研究发现，发展高能量长脉冲的基于柱面线圈射频负氢离子源技术的中性束注入系统，是满足磁约束核聚变芯部等离子体加热需求的必然选择。
然而，基于柱面线圈射频负氢离子源的中性束注入系统的技术极为复杂，在世界范围内尚未有成功研制的先例。要实现这一目标需要解决两个关键问题：(1)在放电源区产生高密度的等离子体，尤其是高密度的电子、高振动激发态的氢分子、氢正离子和氢原子；(2)在扩散区底部(引出栅极上方)存在高密度的低能电子(小于2eV)或器壁表面能够逃逸出大量的低能电子。为了解决这两个问题，通常在柱面线圈负氢离子源的扩散区底部施加一个横向的过滤磁场，用来约束低能电子，降低该区域的电子温度。然而，研究发现，该过滤磁场不仅降低了电子温度，也降低了放电源区的等离子体密度。而大功率负氢离子源，就是保证较高的等离子体密度才足以产生足够的负氢离子用以引出。因此，目前的负氢离子源系统存在过滤磁场冷却电子的同时降低了等离子体密度的问题。
发明内容
基于此，本发明实施例提供一种负氢离子源系统，能够在冷却扩散区的电子的同时，避免放电源区等离子体密度的降低。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种负氢离子源系统，包括：等离子体产生装置和负氢离子引出装置；所述等离子体产生装置的等离子体出射口处设置所述负氢离子引出装置；
所述负氢离子引出装置包括外壳、过滤磁场产生装置和扩散区；
所述外壳内设置所述扩散区；所述外壳包括金属侧壁和金属顶面；所述金属顶面为静磁屏蔽面；所述金属顶面开设有等离子体通道；所述等离子体产生装置产生的等离子体从所述等离子体通道进入所述扩散区的顶部，并从所述扩散区的底部引出负氢离子；所述过滤磁场产生装置设置在所述金属侧壁的外部且位于所述扩散区的底部。
可选的，所述金属顶面的材料为相对磁导率不小于4000的磁性材料。
可选的，所述金属顶面包括第一顶面和覆盖在所述第一顶面上的第二顶面；所述第一顶面的材料为不锈钢；所述第二顶面的材料为相对磁导率不小于4000的磁性材料。
可选的，所述金属顶面的材料为纯铁。
可选的，所述第二顶面的材料为纯铁。
可选的，所述等离子体产生装置包括：放电源区、石英桶、射频线圈、金属密封件和法拉第屏蔽罩；
所述石英桶内设置所述放电源区，即等离子体产生区；所述石英桶为两端开口的结构；所述石英桶设置在所述等离子体通道处；所述石英桶的底部开口与所述等离子体通道的开口相匹配；所述石英桶的顶部开口处设置所述金属密封件；所述射频线圈缠绕在所述石英桶的外部；所述石英桶、所述射频线圈和所述金属密封件均位于所述法拉第屏蔽罩内；所述法拉第屏蔽罩设置在所述金属侧壁和所述金属顶面的交界处。
可选的，所述负氢离子引出装置还包括：引出电极；所述引出电极位于所述扩散区的底部。
可选的，所述过滤磁场产生装置为静磁铁。
可选的，所述金属密封件上开设有氢气通入孔。
可选的，所述金属侧壁的材料为不锈钢。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明实施例提出了一种负氢离子源系统，该系统中等离子体产生装置的等离子体出射口处设置负氢离子引出装置；负氢离子引出装置包括外壳、过滤磁场产生装置和扩散区；外壳内设置扩散区；外壳的金属顶面为静磁屏蔽面；金属顶面开设有等离子体通道；等离子体从等离子体通道进入扩散区的顶部，并从扩散区的底部引出负氢离子；过滤磁场产生装置设置在金属侧壁的外部且位于扩散区的底部。本发明通过在扩散区的底部设置过滤磁场产生装置，从而约束低能电子，降低扩散区的电子温度；通过在等离子体出射口(放电源区的底部)与扩散区的顶部的交界面处设置开设有等离子体通道的静磁屏蔽面，使得磁力线聚集在静磁屏蔽面中，有效的降低了磁场在等离子体产生装置的放电源区的穿透，增加了放电源区等离子体密度，因此，本发明能够在冷却扩散区的电子的同时，避免等离子体产生装置内放电源区等离子体密度的降低，从而保证较高的等离子体密度以产生并引出足够的负氢离子。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的负氢离子源系统的结构图；
图2为本发明实施例提供的磁屏蔽前后等离子体中电子密度和电子温度的对比图；其中，图2的(a)部分为磁屏蔽前后等离子体中电子密度的轴向分布对比图，图2的(b)部分为磁屏蔽前后电子温度的轴向分布对比图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
负氢离子源系统中引出区的电子温度较高，高能电子对负氢离子的剥离损失很严重，不利于负离子产生。需要加入过滤磁场用来冷却扩散区下游的电子温度，减少电子对负氢离子的剥离损失，较低的电子温度更有利于产生负离子。但是由于过滤磁场的存在，在实现扩散区下游较低电子温度同时，过滤磁场渗透到放电源区，影响了等离子体的产生，从而也降低了电子密度，而不利于负氢离子的产生而大功率负氢离子源，就是要保证较高的等离子体密度，从而产生足够的负氢离子用以引出。
因此，本实施例提出静磁屏蔽的概念设计，来抑制过滤磁场渗透到放电源区，实现高密度的等离子体的同时，在扩散区下游实现低的电子温度。
图1为本发明实施例提供的负氢离子源系统的结构图。参见图1，本实施例的负氢离子源系统，包括：等离子体产生装置和负氢离子引出装置；等离子体产生装置的等离子体出射口处设置负氢离子引出装置。
负氢离子引出装置包括外壳、过滤磁场产生装置9和扩散区8。
外壳内设置扩散区8；外壳包括金属侧壁7和金属顶面6；金属顶面6为静磁屏蔽面；金属顶面6开设有等离子体通道；等离子体产生装置产生的等离子体从等离子体通道进入扩散区8的顶部，并从扩散区8的底部引出负氢离子；过滤磁场产生装置9设置在金属侧壁7的外部且位于扩散区8的底部，过滤磁场产生装置9用于在扩散区8的底部产生一个横向的过滤磁场，负氢离子源中施加过滤磁场的目的是用来冷却扩散区8和引出区的电子温度，减少电子对负氢离子的剥离损失，较低的电子温度更有利于产生负氢离子。
作为一种可选的实施方式，金属顶面的材料为高磁导率材料，高磁导率材料为相对磁导率不小于4000的磁性材料。例如，金属顶面可以为相对磁导率为4000的纯铁。采用相对磁导率不小于4000的磁性材料作为金属顶面，能够实现静磁屏蔽的作用。
作为一种可选的实施方式，金属顶面可以包括第一顶面和覆盖在第一顶面上的第二顶面；第一顶面的材料为不锈钢；第二顶面的材料为相对磁导率不小于4000的磁性材料。例如，第二顶面可以为相对磁导率为4000的纯铁。由于单纯的采用不锈钢材料，存在漏磁的现象，金属顶面一半是正常的金属外壳材料(不锈钢)，一半是相对磁导率为4000的纯铁，纯铁覆盖在不锈钢上，仍然能够达到静磁屏蔽的作用。
作为一种可选的实施方式，等离子体产生装置包括：放电源区4、石英桶5、射频线圈3、金属密封件2和法拉第屏蔽罩1。
石英桶5内设置放电源区4；石英桶5为两端开口的结构；石英桶5设置在等离子体通道处；石英桶5的底部开口与等离子体通道的开口相匹配；石英桶5的顶部开口处设置金属密封件2；射频线圈3缠绕在石英桶5的外部；石英桶5、射频线圈3和金属密封件2均位于法拉第屏蔽罩1内；法拉第屏蔽罩1设置在金属侧壁7和金属顶面6的交界处。
作为一种可选的实施方式，负氢离子引出装置还包括：引出电极10；引出电极10位于扩散区8的底部。外壳、石英桶5、金属密封件2和引出电极10构成一个密封的结构，扩散区8和放电源区4位于该密封的结构内。
作为一种可选的实施方式，过滤磁场产生装置9为静磁铁。如图1所示，静磁铁包括N极和S极。
作为一种可选的实施方式，金属密封件2上开设有氢气通入孔。氢气通入孔用于向放电源区4通入0.1Pa-10Pa的氢气。
为一种可选的实施方式，金属侧壁7的材料为不锈钢。
本实施例的负氢离子源系统的工作原理如下：
向放电源区4通入氢气或者氘气，并设定到工作气压后，并向射频线圈3施加射频功率后，放电源区4内产生等离子体，等离子体从等离子体通道进入扩散区8，并在放电源区4和扩散区8内产生负氢离子，在引出电极10上施加引出电压，从而从扩散区8的底部引出负氢离子。本实施例，为了降低静磁铁产生的过滤磁场对等离子体产生的不利影响，提升电子密度，而不影响电子温度在引出电极10附近的冷却作用，在放电源区4的底部与扩散区8的顶部的交界面处设置开设有等离子体通道的静磁屏蔽面，使得磁力线聚集在静磁屏蔽面内，有效的降低了磁场在放电源区4的穿透，明显的增加了腔室内的等离子体的密度并在引出区附近保持了较低的电子温度，例如，采用高磁导率材料做为源区扩散区8交界面的器壁材料，如纯铁，相对磁导率为4000，磁力线聚集在纯铁材料金属侧壁7中，在冷却扩散区8的电子的同时，避免等离子体产生装置内放电源区4等离子体密度的降低。
下面验证了本实施例的有效性。
图2为本发明实施例提供的磁屏蔽前后等离子体中电子密度和电子温度的对比图；其中，图2的(a)部分为磁屏蔽前后等离子体中电子密度的轴向分布对比图，图2的(b)部分为磁屏蔽前后电子温度的轴向分布对比图。参见图2，图2的(a)部分和(b)部分的轴向位置的0点均位于图1中的金属密封件2的底面，其中，情况I代表负氢离子源中的金属顶面6为普通金属材料(例如不锈钢)的金属面，情况II代表金属顶面6为磁屏蔽材料的静磁屏蔽面，可以直观的看到，静磁屏蔽面被应用后，等离子密度在腔室内部明显上升，并且电子温度的变化很小，在扩散区8依然保持着较低的电子温度。
上述实验表明，将位于扩散区8顶部的金属顶面6由普通金属材料(例如不锈钢)替换为磁屏蔽材料(如，纯铁，相对磁导率为4000)，磁场在源区的穿透明显减弱，有助于提升等离子体密度，同时扩散区8保持着较高的磁场，保证了电子温度在扩散区8和引出区能被冷却。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种负氢离子源系统，其特征在于，包括：等离子体产生装置和负氢离子引出装置；所述等离子体产生装置的等离子体出射口处设置所述负氢离子引出装置；
所述负氢离子引出装置包括外壳、过滤磁场产生装置和扩散区；
所述外壳内设置所述扩散区；所述外壳包括金属侧壁和金属顶面；所述金属顶面为静磁屏蔽面；所述金属顶面开设有等离子体通道；所述等离子体产生装置产生的等离子体从所述等离子体通道进入所述扩散区的顶部，并从所述扩散区的底部引出负氢离子；所述过滤磁场产生装置设置在所述金属侧壁的外部且位于所述扩散区的底部。
2.根据权利要求1所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述金属顶面的材料为相对磁导率不小于4000的磁性材料。
3.根据权利要求1所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述金属顶面包括第一顶面和覆盖在所述第一顶面上的第二顶面；所述第一顶面的材料为不锈钢；所述第二顶面的材料为相对磁导率不小于4000的磁性材料。
4.根据权利要求2所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述金属顶面的材料为纯铁。
5.根据权利要求3所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述第二顶面的材料为纯铁。
6.根据权利要求1所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述等离子体产生装置包括：放电源区、石英桶、射频线圈、金属密封件和法拉第屏蔽罩；
所述石英桶内设置所述放电源区；所述石英桶为两端开口的结构；所述石英桶设置在所述等离子体通道处；所述石英桶的底部开口与所述等离子体通道的开口相匹配；所述石英桶的顶部开口处设置所述金属密封件；所述射频线圈缠绕在所述石英桶的外部；所述石英桶、所述射频线圈和所述金属密封件均位于所述法拉第屏蔽罩内；所述法拉第屏蔽罩设置在所述金属侧壁和所述金属顶面的交界处。
7.根据权利要求1所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述负氢离子引出装置还包括：引出电极；所述引出电极位于所述扩散区的底部。
8.根据权利要求1所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述过滤磁场产生装置为静磁铁。
9.根据权利要求6所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述金属密封件上开设有氢气通入孔。
10.根据权利要求1所述的一种用于负氢离子源系统的静磁屏蔽系统，其特征在于，所述金属侧壁的材料为不锈钢。
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