EA030239B1 - Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов - Google Patents

Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов Download PDF

Info

Publication number
EA030239B1
EA030239B1 EA201590506A EA201590506A EA030239B1 EA 030239 B1 EA030239 B1 EA 030239B1 EA 201590506 A EA201590506 A EA 201590506A EA 201590506 A EA201590506 A EA 201590506A EA 030239 B1 EA030239 B1 EA 030239B1
Authority
EA
Eurasian Patent Office
Prior art keywords
accelerator
plasma
injector according
energy
ion source
Prior art date
Application number
EA201590506A
Other languages
English (en)
Other versions
EA201590506A1 (ru
Inventor
Юрий И. Бельченко
Александр В. Бурдаков
Владимир И. Давыденко
Геннадий И. Димов
Александр А. Иванов
Валерий В. Кобец
Артем Н. Смирнов
Михль В. Биндербауэр
Дональд Л. Севиер
Теренс Э. Ричардсон
Original Assignee
Таэ Текнолоджиз, Инк.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Таэ Текнолоджиз, Инк. filed Critical Таэ Текнолоджиз, Инк.
Publication of EA201590506A1 publication Critical patent/EA201590506A1/ru
Publication of EA030239B1 publication Critical patent/EA030239B1/ru

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21B—FUSION REACTORS
    • G21B1/00—Thermonuclear fusion reactors
    • G21B1/11—Details
    • G21B1/15—Particle injectors for producing thermonuclear fusion reactions, e.g. pellet injectors
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/22—Details of linear accelerators, e.g. drift tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J27/00—Ion beam tubes
    • H01J27/02—Ion sources; Ion guns
    • H01J27/08—Ion sources; Ion guns using arc discharge
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H7/00—Details of devices of the types covered by groups H05H9/00, H05H11/00, H05H13/00
    • H05H7/08—Arrangements for injecting particles into orbits
    • H05H2007/081—Sources
    • H05H2007/082—Ion sources, e.g. ECR, duoplasmatron, PIG, laser sources
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H3/00—Production or acceleration of neutral particle beams, e.g. molecular or atomic beams
    • H05H3/02—Molecular or atomic beam generation
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
    • Y02E30/10—Nuclear fusion reactors

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Particle Accelerators (AREA)
  • Plasma Technology (AREA)
  • Electron Sources, Ion Sources (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)
  • Saccharide Compounds (AREA)
  • Apparatus For Disinfection Or Sterilisation (AREA)

Abstract

Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов, содержащий источник отрицательных ионов, ускоритель и нейтрализатор для того, чтобы формировать пучок нейтральных частиц приблизительно в 5 МВт с энергией приблизительно в 0,50-1,0 МэВ. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются перед инжекцией в ускоритель высокой энергии посредством электростатического предускорителя на основе многоапертурной сетки, который используется для того, чтобы вытягивать пучки ионов из плазмы и ускорять до некоторой доли требуемой энергии пучка. Пучок из источника ионов проходит через пару отклоняющих магнитов, которые предоставляют возможность пучку смещаться по оси перед поступлением в ускоритель высокой энергии. После ускорения до полной энергии пучок поступает в нейтрализатор, в котором он частично преобразуется в пучок нейтральных частиц. Оставшиеся виды ионов разделяются посредством магнита и направляются в преобразователи электростатической энергии. Пучок нейтральных частиц проходит через запорный клапан и поступает в плазменную камеру.

Description

Область техники
Предмет изобретения, описанный в данном документе, в общем, относится к инжекторам пучка нейтральных частиц, а более конкретно, к инжектору пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов.
Предшествующий уровень техники
Фактически до сегодняшнего дня пучки нейтральных частиц, используемые при исследованиях в области термоядерного синтеза, обработки материалов, травлении, стерилизации и в других вариантах применения, образуются из положительных ионов. Положительные ионы изотопа водорода вытягиваются и ускоряются из газоразрядной плазмы посредством электростатических полей. Сразу после заземленной плоскости ускорителя, они поступают в газовый элемент, в котором они подвергаются обеим реакциям перезарядки для получения реакций на основе ионизации электронами и ударной ионизации для дополнительного сдерживания. Поскольку сечение перезарядки падает намного быстрее с увеличением энергии, чем сечение ионизации, доля равновесных нейтральных частиц в толстом газовом элементе начинает быстро падать при энергиях, превышающих 60 кэВ, для частиц водорода. Для вариантов применения пучка нейтральных частиц на основе ионов изотопа водорода, требующих энергий значительно выше этой, необходимо формировать и ускорять отрицательные ионы и затем преобразовывать их в нейтральные частицы в тонком газовом элементе, что может приводить к доле нейтральных частиц приблизительно в 60% в широком диапазоне энергий вплоть до нескольких МэВ. Даже еще более высокие доли нейтральных частиц могут быть получены, если плазменный или фотонный элемент используется для того, чтобы преобразовывать пучки отрицательных ионов высокой энергии в нейтральные частицы. В случае фотонного элемента, в котором энергия фотона превышает электронное сродство водорода, доли нейтральных частиц могут составлять почти 100%. Необходимо отметить, что в первый раз идея применения отрицательных ионов в физике ускорителей сформулирована Лкагс/ более 50 лет назад [1].
Поскольку пучки нейтральных частиц для возбуждения и нагрева током в больших термоядерных устройствах будущего, а также некоторые варианты применения в современных устройствах требуют энергий, существенно превышающих рамки, доступные при использовании положительных ионов, в последние годы разрабатываются пучки нейтральных частиц на основе отрицательных ионов. Тем не менее, токи пучка, достигаемые к настоящему моменту, значительно меньше токов пучка, формируемых вполне обычным способом посредством источников положительных ионов. Физической причиной меньшей производительности источников отрицательных ионов в отношении тока пучка является низкое электронное сродство водорода, которое составляет только 0,75 эВ. Следовательно, гораздо труднее формировать отрицательные ионы водорода, чем их положительные эквиваленты. Для новорожденных отрицательных ионов также довольно трудно достигать области вытягивания без столкновений с электронами большой энергии, которые с очень высокой вероятностью приводят к потерям избыточного слабосвязанного электрона. Вытягивание ионов Н- из плазмы для того, чтобы образовывать пучок, аналогично является более сложным, чем для ионов Н+, поскольку отрицательные ионы сопровождаются гораздо большим током электронов, если только не применяются меры по сдерживанию. Поскольку сечение для столкновительной обдирки электрона из иона Н- для того, чтобы формировать атом, значительно превышает сечение для ионов Н+ для того, чтобы получать электрон из молекулы водорода, доля ионов, преобразованных в нейтральные частицы во время ускорения, может быть значительной, если плотность газопровода в пути ускорителя не минимизируется посредством работы источника ионов при низком давлении. Ионы, преждевременно нейтрализованные во время ускорения, образуют остаток низкой энергии и, в общем, имеют большую дивергенцию, чем ионы, которые испытывают потенциал полного ускорения.
Нейтрализация пучка ускоренных отрицательных ионов может выполняться в газовой мишени с эффективностью приблизительно в 60%. Использование плазменных и фотонных мишеней предоставляет возможность дополнительного повышения эффективности нейтрализации отрицательных ионов. Общая эффективность использования энергии инжектора может быть повышена посредством рекуперации энергии видов ионов, остающихся в пучке после прохождения нейтрализатора.
Принципиальная схема инжектора пучка нейтральных частиц с высоким уровнем мощности для ΙΤΕΚ-токамака, который также является типичным для других рассматриваемых систем магнитного удержания плазмы в реакторе, показана на фиг. 3 [2]. Базовыми компонентами инжектора являются сильноточный источник отрицательных ионов, ускоритель ионов, нейтрализатор и магнитный разделитель заряженного компонента перезаряженного пучка с приемниками/рекуператорами ионов.
Чтобы поддерживать требуемые вакуумные условия в инжекторе, типично используется система высоковакуумной откачки с крупными запорными клапанами, отсекающими поток пучка от плазменного устройства и/или предоставляющими доступ к главным элементам инжектора. Параметры пучка измеряются посредством использования выдвижных калориметрических мишеней, а также посредством неразрушающих оптических способов. Формирование мощных пучков нейтральных частиц требует использования соответствующего источника питания.
Согласно принципу формирования источники отрицательных ионов могут быть разделены на следующие группы:
- 1 030239
источники объемного формирования (плазменные), в которых ионы формируются в объеме плазмы; источники поверхностного формирования, в которых ионы формируются на поверхности электродов или специальных мишеней;
поверхностно-плазменные источники, в которых ионы формируются на поверхностях электродов, взаимодействующих с плазменными частицами, которые разработаны Новосибирской группой [3]; и
источники перезарядки, в которых отрицательные ионы формируются вследствие перезарядки пучков ускоренных положительных ионов на различных мишенях.
Чтобы формировать плазму в современных объемных источниках ионов Н-, аналогичных источнику положительных ионов, используются дуговые разряды с термоэлектронными нитями накала или полыми катодами, а также радиочастотные разряды в водороде. Для улучшения удержания электронов при разряде и для снижения плотности водорода в газоразрядной камере, что представляет важность для источников отрицательных ионов, используются разряды в магнитном поле. Широко используются системы с внешним магнитным полем (т.е. с геометрией Пеннинга или магнетронной геометрией электродов, с колебанием электронов в продольном магнитном поле "отражательного" разряда) и системы с периферийным магнитным полем (многополюсные). Вид в сечении разрядной камеры с периферийным магнитным полем, разработанным для струйного инжектора пучка нейтральных частиц ШТ, показан на фиг. 4 [3]. Магнитное поле на периферии плазменной камеры формируется посредством постоянных магнитов, установленных на его внешней поверхности. Магниты размещаются в рядах, в которых направление намагничивания является постоянным или изменяется в порядке со смещением, так что линии магнитного поля имеют геометрию линейных или заостренных в шахматном порядке выступов около стенки.
Применение систем с многополюсным магнитным полем на периферии плазменных камер, в частности, дает возможность системам поддерживать плотную плазму в источнике при сниженном рабочем давлении газа в камере до 1-4 Па (без цезия) и до 0,3 Па в системах с цезием [4]. Такое уменьшение плотности водорода в разрядной камере, в частности, представляет важность для сильноточных многоапертурных гигантских источников ионов, которые разрабатываются для применений в ходе исследований в области термоядерного синтеза.
В настоящее время, источники ионов на основе поверхностно-плазменного формирования считаются наиболее подходящими для формирования сильноточных пучков отрицательных ионов.
В источниках ионов на основе поверхностно-плазменного формирования ионы формируются во взаимодействии между частицами, имеющими достаточную энергию и поверхность с низкой работой выхода. Этот эффект может повышаться посредством щелочного покрытия поверхности, подвергаемой бомбардировке. Предусмотрено два основных процесса, а именно, термодинамически равновесная поверхностная ионизация, при которой медленный атом или молекула, сталкивающаяся с поверхностью, испускается обратно в качестве положительного или отрицательного иона после среднего времени пребывания, и неравновесное (кинетическое) атомно-поверхностное взаимодействие, при котором отрицательные ионы формируются посредством распыления, ударной десорбции (в отличие от термодесорбции, при которой десорбируются тепловые частицы), или отражения при наличии покрытия из щелочных металлов. В процессе термодинамически равновесной ионизации адсорбированные частицы отрываются от поверхности в условиях теплового равновесия. Коэффициент ионизации частиц, уходящих с поверхности, определяется посредством формулы Саха и предположительно составляет очень небольшие -0,02%.
Процесс неравновесной кинетической поверхностной ионизации предположительно является намного более эффективным на поверхности и имеет достаточно низкую работу выхода, сравнимую с электронным сродством отрицательного иона. В ходе этого процесса отрицательный ион отрывается от поверхности, преодолевая подповерхностный барьер с использованием кинетической энергии, полученной из первичной частицы. Около поверхности энергетический уровень дополнительного электрона ниже верхнего уровня Ферми электронов в металле, и этот уровень может очень легко заниматься посредством туннелирования электронов из металла. Во время ионного перемещения с поверхности он преодолевает потенциальный барьер, сформированный посредством зеркального заряда
Поле картины распределения зарядов усиливает энергетический уровень дополнительного электрона относительно энергетических уровней электронов в металле. Начиная с некоторого критического расстояния, уровень дополнительного электрона становится выше верхнего энергетического уровня электронов в металле, и резонансное туннелирование возвращает электрон от уходящего иона обратно в металл. В случае если частица отрывается достаточно быстро, коэффициент отрицательной ионизации предположительно является довольно высоким для поверхности с низкой работой выхода, которая может предоставляться посредством нанесения покрытия из щелочного металла, в частности, цезия.
Экспериментально показано, что степень отрицательной ионизации частиц водорода, отрывающихся от этой поверхности с пониженной работой выхода, может достигать
- 2 030239
Следует отметить, что работа выхода на вольфрамовых поверхностях имеет минимальное значение с покрытием СА в 0,6 монослоев (на поверхности вольфрамового кристалла 110).
Для разработки источников отрицательных ионов водорода важно, чтобы интегральный выход отрицательных ионов был достаточно высоким, К-=9-25%, для столкновений атомов водорода и положительных ионов с энергиями 3-25 эВ с поверхностями с низкой работой выхода, таких как Мо+СА. А+С§ [5]. В частности (см. фиг. 5), при бомбардировке цезированной молибденовой поверхности посредством атомов Франка-Кондона с энергией, превышающей 2 эВ, интегральная эффективность преобразования в ионы Н- может достигать К- ~8%.
В поверхностно-плазменных источниках (8Р8) [3], формирование отрицательных ионов реализуется за счет кинетической поверхностной ионизации, а именно, процессов распыления, десорбции или отражения на электродах, контактирующих с газоразрядной плазмой. Электроды специальных эмиттеров с пониженной работой выхода используются в 8Р8 для улучшения формирования отрицательных ионов. Как правило, добавление небольшого количества цезия в разряд дает возможность получать повышение яркости и интенсивности в коллекторе пучков Н-. Введение атомов цезия в разряд значительно снижает сопутствующий поток электронов, вытягиваемых с отрицательными ионами.
В 8Р8 газоразрядная плазма выполняет несколько функций, а именно она формирует интенсивные потоки частиц, бомбардирующих электроды; плазменная оболочка, смежная с электродом, формирует ускорение ионов, тем самым, повышая энергию бомбардирующих частиц; отрицательные ионы, которые формируются в электродах с отрицательным потенциалом, ускоряются посредством потенциала плазменной оболочки и проникают через плазменный слой в область вытягивания без существенной деструкции. Интенсивное формирование отрицательных ионов с довольно высокими эффективностями использования мощности и газа получено в различных модификациях 8Р8 при условиях "грязного" газового разряда и интенсивной бомбардировки электродов.
Несколько источников 8Р8 разработаны для больших термоядерных устройств, таких как ЬНИ, 1Т60и и для международного (1ТЕК) токамака.
Типичные признаки этих источников могут пониматься при рассмотрении инжектора стелларатора ЬНИ [4], который показан на фиг. 6 [4, 6]. Плазма дугового разряда формируется в большой магнитной многополюсной лопастной ограждающей камере с объемом ~ 100 л. Двадцать четыре вольфрамовых нити накала поддерживают дугу в 3 кА, ~80 В при давлении водорода приблизительно в 0,3-0,4 Па. Внешний магнитный фильтр с максимальным полем в центре ~50 Гс предоставляет плотность электронов и снижение температуры в области вытягивания около плазменного электрода. Положительное смещение плазменного электрода (~10 В) снижает сопутствующий поток электронов. Отрицательные ионы формируются на плазменном электроде, покрытом посредством оптимального слоя цезия. Внешние цезиевые печи (три для одного источника), оснащенные пневматическими клапанами, подают распределенное введение атомов цезия. Формирование отрицательных ионов достигает максимума при оптимальной температуре плазменного электрода 200-250°С. Плазменный электрод термически изолируется, и его температура определяется посредством плазменного разряда силовых нагрузок.
Четырехэлектродная многоапертурная ионно-оптическая система, которая используется в источнике ионов ЬНИ, показана на фиг. 7 [6]. Отрицательные ионы вытягиваются через 770 апертур для излучения с диаметром по 1,4 см. Апертуры занимают область 25x125 см2 на плазменном электроде. Небольшие постоянные магниты встраиваются в вытягивающую сетку между апертурами, чтобы отклонять совместно вытягиваемые электроны из пучка на стенку вытягивающего электрода. Дополнительная электронная задерживающая сетка, установленная позади вытягивающей сетки, задерживает вторичные электроны, обратно рассеиваемые или испускаемые из стенок вытягивающих электродов. Многощелевая заземленная сетка с высокой прозрачностью используется в источнике ионов. Это уменьшает область пересечения пучков, тем самым повышая способность удержания напряжения и понижая давление газа в промежутках на коэффициент 2,5 с соответствующим уменьшением потерь на обдирку пучка. Как вытягивающий электрод, так и заземленный электрод имеют водяное охлаждение.
Введение атомов цезия в многоострийный источник предоставляет 5-кратное увеличение тока вытягиваемых отрицательных ионов и линейный рост выхода ионов Н- в широком диапазоне мощностей разряда и давлений при заполнении водородом. Другими важными преимуществами введения атомов цезия являются ~10-кратное снижение совместно вытягиваемого электронного тока и существенное снижение давления водорода при разряде до 0,3 Па.
Многоострийные источники в ЬНИ обычно предоставляют ток ионов приблизительно в 30 А с плотностью тока 30 мА/см2 в импульсах длительностью в 2 с [6]. Главными проблемами для источников ионов ЬНИ являются блокирование цезия, который вводится в дуговую камеру, посредством вольфрама, распыляемого из нитей накала, и снижение способности удержания высокого напряжения при работе в режиме длительных импульсов с высоким уровнем мощности.
Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов ЬНИ имеет два источника ионов, взаимодействующие с водородом при номинальной энергии пучка в 180 кэВ. Каждый инжектор достигает номинальной мощности инжекции в 5 МВт в течение импульса в 128 с, так что каждый источ- 3 030239
ник ионов предоставляет пучок нейтральных частиц в 2,5 МВт. Фиг. 8А и В показывают инжектор пучка нейтральных частиц ЬНО. Фокусное расстояние источника ионов составляет 13 м, а точка поворота двух источников находится на 15,4 м ниже. Порт для инжекции имеет длину приблизительно 3 м, причем самая узкая часть имеет диаметр 52 см и длину 68 см.
Источники ионов с радиочастотными плазменными формирователями и формирование отрицательных ионов на плазменном электроде, покрытом цезием, разработаны в ΙΡΡ СагсЫпд. Радиочастотные формирователи формируют более чистую плазму, так что в этих источниках нет блокирования цезия посредством вольфрама. Вытягивание в установившемся режиме импульса пучка отрицательных ионов с током пучка в 1 А, энергией в ~20 кВ и длительностью в 3600 с продемонстрировано ΙΡΡ в 2011 г.
В настоящее время, инжекторы пучка нейтральных частиц высокой энергии, которые разрабатываются для термоядерных устройств следующей ступени развития, таких как, например, ΙΤΕΚ-токамак, не демонстрируют устойчивую работу при требуемой энергии в 1 МэВ и работу в установившемся режиме или в режиме незатухающей волны (С^) при достаточно высоком токе. Следовательно, существует необходимость разрабатывать практически осуществимые решения, если можно разрешать проблемы, мешающие достижению целевых параметров пучка, таких как, например, энергия пучка в диапазоне 5001000 кэВ, эффективная плотность тока в нейтральных частицах главного порта резервуара в 100-200 А/м3, мощность в расчете на один инжектор пучка нейтральных частиц приблизительно в 5-20 МВт, длительность импульса в 1000 с и газовые нагрузки, вводимые посредством инжектора пучка, меньше 1-2% тока пучка. Следует отметить, что достижение этой цели становится гораздо менее затратным, если ток отрицательных ионов в модуле инжектора уменьшается до вытягивающего ионного тока до 8-10 А по сравнению с вытягивающим током ионов в 40 А для ΙΤΕΚ-пучка. Ступенчатое снижение вытягиваемого тока и мощности пучка должно приводить к сильным изменениям конструкции ключевых элементов источника ионов в форме инжектора и ускорителя высокой энергии, так что становятся применимыми намного более тщательно проработанные технологии и подходы, что повышает надежность инжектора. Следовательно, в ситуации на данный момент предлагается вытягиваемый ток в 8-10 А в расчете на один модуль при допущении, что требуемая выводимая мощность инжекции может быть получена с использованием нескольких модулей инжектора, формирующих пучки с малой расходимостью и высокой плотностью тока.
Производительность поверхностно-плазменных источников достаточно хорошо задокументирована, и работающие на сегодняшний день несколько источников ионов формируют непрерывные масштабируемые пучки ионов сверх 1 А или выше. До сих пор основные параметры инжекторов пучка нейтральных частиц, такие как мощность пучка и длительность импульса, довольно далеки от требуемых для рассматриваемого инжектора. Текущее состояние разработки этих инжекторов можно понять из табл. 1.
Таблица 1
ТАЕ ΙΤΕΚ στ-бои ЬНВ ΙΡΡ СЕА1ΑΕΚΙ
Плотность (А/м2) тока 200 β280 Н- юо ϋ- 350 Н- 230 β330 Н- 216 β195 Н-
Энергия (кэВ) пучка юоо н- 1000 βюо н- 365 186 9 25
Длительное импуль са ( сек) >1000 3600 вз н- 19 10 <6 5 1000
Отношение числа электронов к числу ионов 1 -0,25 <1 <1 <1
Давление ( па) 0, 3 0, 3 0, 26 0, 3 0, 3 0, 35
- 4 030239
Следовательно, желательно предоставлять улучшенный инжектор пучка нейтральных частиц.
Краткое изложение существа изобретения
Варианты осуществления, предусмотренные в данном документе, направлены на системы и способы для инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов. Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов содержит источник ионов, ускоритель и нейтрализатор для того, чтобы формировать пучок нейтральных частиц приблизительно в 5 МВт с энергией приблизительно в 0,50-1,0 МэВ. Источник ионов находится в вакуумном баке и формирует пучок отрицательных ионов на 9 А. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются до 120 кэВ перед инжекцией в ускоритель высокой энергии посредством электростатического предускорителя на основе многоапертурной сетки в источнике ионов, который используется для того, чтобы вытягивать пучки ионов из плазмы и ускорять до некоторой доли требуемой энергии пучка. Пучок в 120 кэВ из источника ионов проходит через пару отклоняющих магнитов, которые предоставляют возможность пучку смещаться по оси перед поступлением в ускоритель высокой энергии. После ускорения до полной энергии пучок поступает в нейтрализатор, в котором он частично преобразуется в пучок нейтральных частиц. Оставшиеся виды ионов разделяются посредством магнита и направляются в преобразователи электростатической энергии. Пучок нейтральных частиц проходит через запорный клапан и поступает в плазменную камеру.
Поддерживается повышенная температура плазменных формирователей и внутренних стенок плазменной камеры источника ионов (150-200°С), чтобы предотвращать накопление цезия на их поверхностях. Распределительный коллектор предоставляется для того, чтобы подавать цезий непосредственно на поверхность плазменных решеток, а не в плазму. Это представляет собой отличие от существующих источников ионов, которые подают цезий непосредственно в плазменную разрядную камеру.
Магнитное поле, используемое для того, чтобы отклонять совместно вытягиваемые электроны в областях вытягивания и предварительного ускорения ионов, формируется посредством внешних магнитов, а не посредством магнитов, встроенных в корпус сетки, как выполнено в предшествующих конструкциях. Отсутствие встроенных "низкотемпературных" магнитов в сетках предоставляет возможность их нагрева до повышенных температур. Предшествующие конструкции зачастую используют магниты, встроенные в корпус сетки, что часто приводит к значительному снижению тока вытягиваемого пучка и препятствует работе в режиме повышенной температуры, а также надлежащей производительности нагрева/охлаждения.
Ускоритель высокого напряжения не связан непосредственно с источником ионов, а отделен от источника ионов посредством переходной зоны (линии транспортировки пучка низкой энергии -ЕЕВТ) с отклоняющими магнитами, вакуумными насосами и цезиевыми ловушками. Переходная зона перехватывает и удаляет большинство совместно протекающих частиц, включающих в себя электроны, фотоны и нейтральные частицы из пучка, откачивает газ, выделяющийся из источника ионов, и предотвращает достижение им ускорителя высокого напряжения, предотвращает вытекание цезия из источника ионов и проникновение в ускоритель высокого напряжения, предотвращает поступление электронов и нейтральных частиц, производимых посредством обдирки отрицательных ионов, в ускоритель высокого напряжения. В предшествующих конструкциях источник ионов непосредственно соединен с ускорителем высокого напряжения, что зачастую приводит к подверженности ускорителя высокого напряжения тому, что газ, заряженные частицы и цезий вытекают из источника ионов и втекают в него.
Отклоняющие магниты в ЕЕВТ отклоняют и фокусируют пучок по оси ускорителя и тем самым компенсируют все смещения и отклонения пучка во время транспортировки через магнитное поле ис- 5 030239
точника ионов. Смещение между осями предускорителя и ускорителя высокого напряжения уменьшает поступление совместно протекающих частиц в ускоритель высокого напряжения и предотвращает обратное протекание сильноускоренных частиц (положительных ионов и нейтральных частиц) в предускоритель и источник ионов. Фокусировка пучка также способствует гомогенности пучка, поступающего в ускоритель, по сравнению с системами на основе многоапертурной сетки.
Нейтрализатор включает в себя плазменный нейтрализатор и нейтрализатор фотонов. Плазменный нейтрализатор основан на многоострийной системе удержания плазмы с постоянными магнитами сильных магнитных полей на стенках. Фотонный нейтрализатор является фотонной ловушкой на основе цилиндрического резонатора со стенками с высокой степенью отражения и откачки с помощью лазеров с высокой эффективностью. Эти технологии нейтрализаторов никогда не рассматривались для применений в серийных инжекторах пучка нейтральных частиц.
Другие системы, способы, признаки и преимущества примерных вариантов осуществления должны становиться очевидными специалистам в данной области техники после изучения прилагаемых чертежей и подробного описания.
Краткое описание чертежей
Подробности примерных вариантов осуществления, включающие в себя структуру и режим работы, могут быть выявлены частично посредством изучения прилагаемых чертежей, на которых аналогичные ссылки с номерами ссылаются на аналогичные части. Компоненты на чертежах не обязательно должны быть выполнены в масштабе, вместо этого акцент делается на иллюстрацию принципов изобретения. Более того, все иллюстрации предназначены для того, чтобы передавать общие идеи, при этом относительные размеры, формы и другие подробные атрибуты могут иллюстрироваться схематично, а не буквально или точно.
Фиг. 1 является видом сверху схемы инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов.
Фиг. 2 является изометрическим видом в сечении инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 является видом сверху инжектора с высоким уровнем мощности нейтральных частиц для 1ТЕК-токамака.
Фиг. 4 является изометрическим видом в сечении разрядной камеры с периферийным многополюсным магнитным полем для струйного инжектора пучка нейтральных частиц.
Фиг. 5 является диаграммой, показывающей интегральный выход отрицательных ионов, образуемых посредством бомбардировки поверхности Мо+С'С нейтральными атомами Н и положительным молекулярным Н в качестве функции от энергии падающего потока. Выход повышается посредством использования цезирования постоянным током по сравнению только с предварительным цезированием поверхности.
Фиг. 6 является видом сверху источника отрицательных ионов для ЬНБ.
Фиг. 7 является схематическим видом многоапертурной ионной оптической системы для источника
ЬНБ.
Фиг. 8А и В являются видами сверху и сбоку инжектора пучка нейтральных частиц ЬНБ.
Фиг. 9 является видом в сечении источника ионов.
Фиг. 10 является видом в сечении источника атомов водорода низкой энергии.
Фиг. 11 является графиком, показывающим траектории ионов Н- в тракте низкой энергии.
Фиг. 12 является изометрическим видом ускорителя.
Фиг. 13 является диаграммой, показывающей траектории иона в ускоряющей трубке.
Фиг. 14 является изометрическим видом триплета квадрупольных линз.
Фиг. 15 является диаграммой, показывающей вид сверху (а) и вид сбоку (Ь) траекторий иона в ускорителе линии транспортировки пучка высокой энергии.
Фиг. 16 является изометрическим видом компоновки плазменных мишеней.
Фиг. 17 является диаграммой, показывающей результаты двумерных вычислений замедления пучка ионов в рекуператоре.
Следует отметить, что элементы аналогичных структур или функций, в общем, представляются посредством аналогичных ссылок с номерами для целей иллюстрации на всех чертежах. Также следует отметить, что чертежи предназначены только для того, чтобы упрощать описание предпочтительных вариантов осуществления.
Описание предпочтительных вариантов изобретения
Каждый из дополнительных признаков и идей, раскрытых ниже, может быть использован отдельно или в сочетании с другими признаками и идеями, чтобы предоставлять новый инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов. Далее подробнее описаны характерные примеры вариантов осуществления, описанных в данном документе, причем эти примеры используют многие из этих дополнительных признаков и идей как отдельно, так и в комбинации, со ссылкой на прилагаемые чертежи. Это подробное описание предназначено только для того, чтобы обучать специалистов в области техники дополнительным подробностям для использования на практике предпочтительных аспектов идей настоя- 6 030239
щего изобретения, и не предназначено для того, чтобы ограничивать объем изобретения. Следовательно, комбинации признаков и этапов, раскрытых в последующем подробном описании, могут быть необязательными для того, чтобы использовать изобретение на практике в самом широком смысле, а вместо этого изучаются просто для того, чтобы конкретно описывать типичные примеры настоящих идей.
Более того, различные признаки типичных примеров и зависимые пункты формулы изобретения могут быть комбинированы способами, которые не перечислены конкретно и явно, чтобы предоставлять дополнительные полезные варианты осуществления настоящих идей. Помимо этого, следует явно отметить, что все признаки, раскрытые в описании и/или формуле изобретения, имеют намерение раскрытия отдельно и независимо друг от друга для целей исходного раскрытия сущности, а также для целей ограничения заявленного предмета изобретения, независимо от компоновок признаков в вариантах осуществления и/или в формуле изобретения. Также следует отметить, что все диапазоны значений или указатели групп объектов раскрывают каждое возможное промежуточное значение или промежуточный объект для целей исходного раскрытия сущности, а также для целей ограничения заявленного предмета изобретения.
Варианты осуществления, предусмотренные в данном документе, направлены на новый инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов с энергией предпочтительно приблизительно 500-1000 кэВ и высокой общей энергетической эффективностью. Предпочтительная компоновка варианта осуществления инжектора 100 пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов проиллюстрирована на фиг. 1 и 2. Как проиллюстрировано, инжектор 100 включает в себя источник 110 ионов, запорный клапан 120, отклоняющие магниты 130 для отклонения линии пучка низкой энергии, опорный изолятор 140, ускоритель 150 высокой энергии, запорный клапан 160, трубку-нейтрализатор (показана схематично) 170, разделительный магнит (показан схематично) 180, запорный клапан 190, панели 200 и 202 для откачки, вакуумный бак 210 (который является частью вакуумного резервуара 250, поясненного ниже), криосорбционные насосы 220 и триплет квадрупольных линз 230. Инжектор 100, как отмечено выше, содержит источник 110 ионов, ускоритель 150 и нейтрализатор 170 для того, чтобы формировать пучок нейтральных частиц приблизительно в 5 МВт с энергией приблизительно в 0,50-1,0 МэВ. Источник 110 ионов находится в вакуумном баке 210 и формирует пучок отрицательных ионов на 9 А. Вакуумный бак 210 смещается к -880 кВ, т.е. относительно земли, и установлен на изоляционных опорах 140 внутри бака 240 большего диаметра, заполненного газом 8Р6. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются до 120 кэВ перед инжекцией в ускоритель 150 высокой энергии посредством электростатического предускорителя 111 на основе многоапертурной сетки (см. фиг. 9) в источнике 110 ионов, который используется для того, чтобы вытягивать пучки ионов из плазмы и ускорять до некоторой доли требуемой энергии пучка. Пучок в 120 кэВ из источника 110 ионов проходит через пару отклоняющих магнитов 130, которые предоставляют возможность пучку сдвигаться с оси перед поступлением в ускоритель 150 высокой энергии. Панели 202 для откачки, показанные между отклоняющими магнитами 130, включают в себя перегородку и цезиевую ловушку.
Допускается, что эффективность использования газа источника 110 ионов составляет приблизительно 30%. Планируемый ток пучка отрицательных ионов в 9-10 А соответствует напуску газа 6-7 1-Торр/с в источнике 110 ионов. Нейтральный газ, вытекающий из источника 110 ионов, повышает свое среднее давление в предускорителе 111 приблизительно до 2х10-4 Торр. При этом давлении нейтральный газ приводит к ~10%-ым потерям на обдирку пучка ионов в предускорителе 111. Между отклоняющими магнитами 130 предусмотрены сбросы (не показаны) для нейтральных частиц, которые являются следствием первичного пучка отрицательных ионов. Также предусмотрены сбросы (не показаны) для положительных ионов, обратно протекающих из ускорителя 150 высокой энергии. Область 205 линии транспортировки пучка низкой энергии с дифференциальной откачкой из панелей 200 для откачки используется сразу после предварительного ускорения, чтобы снижать давление газа до ~10-6 Торр до того, как он достигает ускорителя 150 высокой энергии. Это вводит дополнительные потери пучка в ~5%, но поскольку это происходит при низкой энергии предварительного ускорения, потери мощности являются относительно небольшими. Потери на перезарядку в ускорителе 150 высокой энергии ниже 1% при фоновом давлении в 10-6 Торр.
После ускорения до полной энергии в 1 МэВ пучок поступает в нейтрализатор 170, в котором он частично преобразуется в пучок нейтральных частиц. Оставшиеся виды ионов разделяются посредством магнита 180 и направляются в преобразователи электростатической энергии (не показаны). Пучок нейтральных частиц проходит через запорный клапан 190 и поступает в плазменную камеру 270.
Вакуумный резервуар 250 разбивается на две секции. Одна секция содержит предускоритель 111 и линию 205 пучка низкой энергии в первом вакуумном баке 210. Другая секция размещает линию 265 пучка высокой энергии, нейтрализатор 170 и преобразователи/рекуператоры энергии заряженных частиц во втором вакуумном баке 255. Секции вакуумного резервуара 250 соединяются через камеру 260 с трубкой-ускорителем 150 высокой энергии внутри.
Первый вакуумный бак 210 является вакуумной границей предускорителя 111 и линии 205 пучка низкой энергии, и в баке или внешнем резервуаре 240 большего диаметра создается повышенное давле- 7 030239
ние ЗР6 для изоляции высокого напряжения. Вакуумные баки 210 и 255 выступают в качестве опорной конструкции для внутреннего оборудования, такого как магниты 130, криосорбционные насосы 220 и т.д. Отвод тепла из внутренних переносящих тепло компонентов должен осуществляться с помощью охлаждающих трубок, которые должны иметь разрывы изоляции в случае первого вакуумного бака 210, который смещается до - 880 кВ.
Источник ионов
Принципиальная схема источника 110 ионов показана на фиг. 9. Источник ионов включает в себя: электростатические многоапертурные предварительно ускоряющие сетки 111, керамические изоляторы 112, радиочастотные плазменные формирователи 113, постоянные магниты 114, плазменная камера 115, каналы и коллекторы 116 для охлаждающей воды и газовые клапаны 117. В источнике 110 ионов, цезированная молибденовая поверхность плазменных предварительно ускоряющих сеток 111 используется для того, чтобы преобразовывать положительные ионы и нейтральные атомы, образуемые посредством плазменных формирователей 113, в отрицательные ионы в объеме расширения плазмы (объеме между формирователями 113 и сетками 111, указываемом посредством скобки с меткой "РЕ" на фиг. 9) с удержанием в форме магнитной многополюсной лопасти, как обеспечивается посредством постоянных магнитов 114.
Напряжение положительного смещения для приема электронов в плазменных предварительно ускоряющих сетках 111 применяется к оптимизированным условиям для формирования отрицательных ионов. Придание геометрических форм апертурам 111В в плазменных предварительно ускоряющих сетках 111 используется для того, чтобы фокусировать ионы Н- в апертуры 111В вытягивающей сетки. Небольшой поперечный магнитный фильтр, сформированный посредством внешних постоянных магнитов 114, используется для того, чтобы снижать температуру электронов, рассеиваемых из области формирователя или области РЕ плазменного эмиттера плазменной камеры 115 в область ЕК вытягивания плазменной камеры 115. Электроны в плазме отражаются от области ЕК вытягивания посредством поля небольшого поперечного магнитного фильтра, сформированного посредством внешних постоянных магнитов 114. Ионы ускоряются до 120 кэВ перед инжекцией в ускоритель 150 высокой энергии посредством плазменных сеток 111 электростатического многоапертурного предускорителя в источнике 110 ионов. Перед ускорением до высокой энергии пучок ионов имеет диаметр приблизительно 35 см. Источник 110 ионов, следовательно, должен формировать 26 мА/см2 в апертурах 111В при условии 33%-ой прозрачности в плазменных сетках 111 предускорителя.
Плазма, которая поступает в плазменную камеру 115, формируется посредством решетки плазменных формирователей 113, установленных на заднем фланце 115А плазменной камеры, которым предпочтительно является цилиндрическая медная камера с водяным охлаждением (700 мм в диаметре на 170 мм в длину). Открытый конец плазменной камеры 115 ограничивается посредством плазменных сеток 111 предускорителя системы ускорения и вытягивания.
Предполагается, что отрицательные ионы должны формироваться на поверхности плазменных сеток 111, которые покрыты тонким слоем цезия. Цезий вводится в плазменную камеру 115 посредством использования системы подачи цезия (не показана на фиг. 9).
Источник 110 ионов окружен постоянными магнитами 114 так, что он образует конфигурацию с линейными остриями для удержаний плазмы и первичных электронов. Колонки 114А магнитов на цилиндрической стенке плазменной камеры 115 соединяются в заднем фланце 115А посредством рядов магнитов 114В, которые также имеют линейно-заостренную конфигурацию. Магнитный фильтр около плоскости плазменных сеток 111 разделяет плазменную камеру 115 на плазменный эмиттер РЕ и область ЕК вытягивания. Магниты 114С в фильтре устанавливаются во фланце 111А рядом с плазменными сетками 111, чтобы предоставлять поперечное магнитное поле (В=107 Гс в центре), которое служит для того, чтобы предотвращать достижение области ЕК вытягивания посредством первичных электронов большой энергии, исходящих из формирователей 113 ионов. Тем не менее, положительные ионы и электроны низкой энергии могут рассеиваться через фильтр в области ЕК вытягивания.
Система 111 вытягивания и предварительного ускорения на основе электродов содержит пять электродов 111С, 111Ό, 111Е, 111Р и 1110, каждый из которых имеет 142 отверстия или апертуры 111В, образованные ортогонально в них и используемые для того, чтобы предоставлять пучок отрицательных ионов. Вытягивающие апертуры 111В имеют диаметр 18 мм, так что общая площадь вытягивания ионов этих 142 вытягивающих апертур составляет приблизительно 361 см2. Плотность отрицательного ионного тока составляет 25 мА/см2, и требуется формировать пучок ионов на 9 А. Магнитное поле магнитов 114С в фильтре поступает в промежутки между электростатическими вытягивающими и предварительно ускоряющими сетками 111, чтобы отклонять совместно вытягиваемые электроны на пазы во внутренней поверхности апертур 111В в вытягивающих электродах 111С, 11ГО и 111Е. Магнитное поле магнитов в магнитном фильтре 114С вместе с магнитным полем дополнительных магнитов 114Ό предоставляет отклонение и перехват электронов, совместно вытягиваемых с отрицательными ионами. Дополнительные магниты 114Ό включают в себя решетку магнитов, установленных между держателями электродов 111Р и 1110 ускорителя ускоряющей сетки, расположенной ниже от вытягивающей сетки, содержащей вытягивающие электроды 111С, 11ГО и 111Е. Третий сетчатый электрод 111Е, который ускоряет отрицатель- 8 030239
ные ионы до энергии 120 кэВ, положительно смещается от заземленного сетчатого электрода 111Ό, чтобы отражать обратно протекающие положительные ионы, поступающие в предварительно ускоряющую сетку.
Плазменные формирователи 113 включают в себя две альтернативы, а именно радиочастотный плазменный формирователь и атомарный формирователь на основе дугового разряда. Разработанный ΒΙΝΡ плазменно-дуговой генератор на основе дугового разряда используется в атомарном формирователе. Признак плазменного генератора на основе дугового разряда состоит в образовании направленной плазменной струи. Ионы в расширяющейся струе перемещаются без столкновений и вследствие ускорения посредством падения амбиполярного плазменного потенциала получают энергии в ~5-20 эВ. Плазменная струя может быть направлена на наклонную молибденовую или танталовую поверхность преобразователя (см. 320 на фиг. 10), на которой в результате нейтрализации и отражения струи формируется поток атомов водорода. Энергия атомов водорода может быть увеличена за рамки начальных 5-20 эВ посредством отрицательного смещения преобразователя относительно плазменной камеры 115.
Эксперименты по получению интенсивных потоков атомов с таким преобразователем проведены в Институте Вибкег в 1982-1984 гг.
На фиг. 10, разработанная компоновка источника атомов 300 низкой энергии показана как включающая в себя газовый клапан 310, катодную вставку 312, электрический вывод в нагреватель 314, коллекторы 316 охлаждающей воды, электронный эмиттер 318 ЬаВ6 и ионно-атомный преобразователь 320. В экспериментах, сформированы поток атомов водорода с эквивалентным током в 20-25 А и энергия, варьирующаяся в диапазоне от 20 до 80 эВ, с эффективностью больше 50%.
Такой источник может быть использован в источнике отрицательных ионов, чтобы снабжать атомы энергией, оптимизированной для эффективного формирования отрицательных ионов на цезированной поверхности плазменных сеток 111.
Линия транспортировки пучка низкой энергии
Ионы Н-, сформированные и предварительно ускоренные до энергии 120 кэВ посредством источника 110 ионов при прохождении вдоль линии 205 транспортировки пучка низкой энергии, смещаются перпендикулярно своему направлению движения на 440 мм с отклонением посредством периферийного магнитного поля источника 110 ионов и посредством магнитного поля двух специальных клиновидных отклоняющих магнитов 130. Это смещение пучка отрицательных ионов в линии 205 транспортировки пучка низкой энергии (как проиллюстрировано на фиг. 11) предоставляется с тем, чтобы разделять области источника 110 ионов и ускорителя 150 высокой энергии. Это смещение используется для того, чтобы не допускать проникновения быстрых атомов, появившихся в результате обдирки пучка Н-, на остаточном водороде в ускоряющей трубке 150, уменьшать потоки цезия и водорода из источника 110 ионов в ускоряющую трубку 150, а также для задерживания потока вторичных ионов из ускоряющей трубки 150 в источник 110 ионов. На фиг. 11 показаны вычисленные траектории ионов Н- в линии транспортировки пучка низкой энергии.
Тракт для пучка высокой энергии
Пучок низкой энергии, исходящий из линии пучка низкой энергии, поступает в традиционный электростатический многоапертурный ускоритель 150, показанный на фиг. 12.
Результаты вычисления ускорения пучка отрицательных ионов на 9 А с учетом доли пространственного заряда показаны на фиг. 13. Ионы ускоряются от энергии в 120 кэВ до 1 МэВ. Ускоряющий потенциал на трубке 150 составляет 880 кВ, а шаг потенциала между электродами составляет 110 кВ.
Вычисления показывают, что напряженность поля не превышает 50 кВ/см в оптимизированной ускоряющей трубке 150 на электродах в зонах возможного протекания электронного разряда.
После ускорения пучок проходит через триплет 230 промышленных традиционных квадрупольных линз 231, 232 и 233 (фиг. 14), которые используются для того, чтобы компенсировать незначительную расфокусировку пучка на выходе ускоряющей трубки 150 и образовывать пучок с предпочтительным размером на выходном порте. Триплет 230 устанавливается в вакуумном баке 255 линии 265 транспортировки пучка высокой энергии. Каждая из квадрупольных линз 231, 2 32 и 233 включает в себя традиционный набор квадрупольных электромагнитов, которые формируют обычные магнитные фокусирующие поля, обеспечиваемые во всех современных традиционных ускорителях частиц.
Вычисленные траектории пучка отрицательных ионов на 9 А с поперечной температурой 12 эВ в ускоряющей трубке 150, квадрупольных линзах 230 и линии 265 транспортировки пучка высокой энергии показаны на фиг. 15. Вычисление соответствует пучку за пределами его фокусирующей точки.
Вычисленный диаметр пучка нейтральных частиц с эквивалентным током в 6А после нейтрализатора на расстоянии 12,5 м на полувысоте радиального профиля составляет 140 мм, и 95% тока пучка находятся в окружности диаметром в 180 мм.
Нейтрализация
Нейтрализатор 170 на основе фотоотщепления, выбранный для системы пучка, позволяет достигать более чем 95%-ой обдирки пучка ионов. Нейтрализатор 170 содержит решетку ксеноновых ламп и цилиндрическую световую ловушку со стенками с высокой степенью отражения, чтобы предоставлять требуемую плотность фотонов. Охлаждаемые зеркала с коэффициентом отражения, превышающим 0,99,
- 9 030239
используются для того, чтобы обеспечивать поток мощности на стенках приблизительно в 70 кВт/см2. В альтернативе, вместо этого может быть использован плазменный нейтрализатор с использованием традиционной технологии, но за счет незначительного снижения эффективности. Однако эффективность нейтрализации в ~85% плазменного элемента является вполне достаточной, если система восстановления энергии имеет эффективность >95%, в соответствии с прогнозами.
Плазма в плазменном нейтрализаторе удерживается в цилиндрической камере 175 с многополюсным магнитным полем на стенках, которое формируется посредством решетки постоянных магнитов 172. Общий вид удерживающего устройства показан на фиг. 16. Нейтрализатор 170 включает в себя коллекторы 171 охлаждающей воды, постоянные магниты 172, катодные сборки 173 и катоды 174 ЬаВ6.
Цилиндрическая камера 175 имеет длину 1,5-2 м и имеет отверстия на концах для прохождения пучка. Плазма формируется посредством использования нескольких катодных сборок 173, установленных в центре удерживающей камеры 175. Рабочий газ подается около центра устройства 170. В экспериментах с прототипом такого плазменного нейтрализатора 170 следует отметить, что удержание электронов посредством многополюсных магнитных полей 172 на стенках является достаточно хорошим и значительно лучше удержания ионов плазмы. Чтобы выравнивать потери ионов и электронов, в плазме развивается значительный отрицательный потенциал, так что ионы эффективно удерживаются посредством электрического поля.
Достаточно длительное удержание плазмы приводит к относительно низкому уровню мощности разряда, требуемого для того, чтобы поддерживать плотность плазмы приблизительно в 1013 см-3 в нейтрализаторе 170.
Рекуперация энергии
Существуют объективные причины достижения высокой эффективности использования мощности в наших условиях. Прежде всего, это следующее: относительно небольшой ток пучка ионов и рассеяние при низкой энергии. В схеме, описываемой в данном документе, при использовании плазменных или парообразных металлических мишеней можно ожидать, что остаточный ток ионов должен составлять ~3 А после нейтрализатора. Эти потоки отведенных ионов с положительным либо с отрицательным зарядом должны отклоняться через отклоняющий магнит 180 к двум рекуператорам энергии, по одному для положительных и отрицательных ионов соответственно. Проведены численные моделирования замедления этих остаточных пучков отведенных ионов типично с энергией в 1 МэВ и ЗА в прямых преобразователях в рекуператорах без компенсации пространственного заряда. Прямой преобразователь преобразует существенную часть энергии, содержащейся в остаточном пучке отведенных ионов, непосредственно в электричество и подает остальную часть энергии в качестве высококачественного тепла для включения в тепловой цикл. Прямые преобразователи соответствуют конструкции электростатического многоапертурного замедлителя, вследствие чего последовательные секции заряженных электродов формируют продольные пробойные поля и поглощают кинетическую энергию ионов.
Фиг. 17 показывает результаты двумерных вычислений замедления пучка ионов в преобразователе. Из представленных вычислений следует, что замедление пучка ионов с энергией в 1 МэВ до энергии в 30 кэВ вполне осуществимо, так что может быть получено значение коэффициента рекуперации в 96-97%.
Предыдущие попытки разработки инжекторов пучка нейтральных частиц с высоким уровнем мощности на основе отрицательных ионов проанализированы, чтобы раскрывать критические проблемы, до сих пор мешающие достижению инжекторов со стабильной работой в установившемся режиме ~1 МэВ и мощностью в несколько МВт. Из самых важных выделим следующие:
Управление слоем цезия, а также потерями и повторным осаждением (управление температурой и
т.д.).
Оптимизация поверхностного формирования отрицательных ионов для вытягивания.
Разделение совместно протекающих электронов.
Негомогенность профиля ионного тока в плазменной сетке вследствие внутренних магнитных полей.
Низкая плотность ионного тока.
Ускорители усложняются, и множество новых технологий по-прежнему разрабатывается (способность удержания низкого напряжения, крупные изоляторы и т.д.).
Обратное протекание положительных ионов.
Усовершенствованные технологии нейтрализаторов (плазмы, фотонов) не демонстрируются в релевантных условиях.
Преобразование энергии не проработано в достаточной степени.
Блокирование пучка в тракте.
Инновационные решения проблем, предусмотренных в данном документе, могут быть группированы согласно системе, с которой они соединяются, а именно источник отрицательных ионов, вытягивание/ускорение, нейтрализатор, энергетические преобразователи и т.д.
1.0 Источник 110 отрицательных ионов:
1.1. Поддерживается повышенная температура внутренних стенок плазменной камеры 115 и плаз- 10 030239
менных формирователей 113 (150-200°С), чтобы предотвращать накопление цезия на их поверхностях.
Повышенная температура:
предотвращает неуправляемое высвобождение цезия вследствие десорбции/распыления и снижения его проникновения в ионную оптическую систему (сетки 111),
уменьшает абсорбцию и рекомбинацию атомов водорода в слое цезия на стенках, уменьшает потребление и отравление цезия.
Чтобы достигать этого, высокотемпературная текучая среда циркулирует через все компоненты. Температура поверхностей дополнительно стабилизируется через управление с активной обратной связью, т.е.: тепло отводится или добавляется в ходе работы в СА-режиме и в переходных режимах. В отличие от этого подхода все другие существующие и запланированные инжекторы пучка используют пассивные системы с водяным охлаждением и тепловыми пробоями между охлаждающими трубками и корпусами горячего электрода.
1.2. Цезий подается через распределительный коллектор непосредственно на поверхность плазменных сеток 111, а не в плазму.
Подача цезия через распределительный коллектор:
обеспечивает управляемую и распределенную подачу цезия в течение всего времени активации пучка,
предотвращает недостаток цезия типично вследствие блокирования посредством плазмы, снижает высвобождение цезия из плазмы после его накопления и разблокировки в ходе длительных
импульсов.
В отличие от этого существующие источники ионов подают цезий непосредственно в разрядную камеру.
2.0 Предускоритель 111 (100 кэВ):
2.1. Магнитное поле, используемое для того, чтобы отклонять совместно вытягиваемые электроны в областях вытягивания и предварительного ускорения ионов, формируется посредством внешних магнитов, а не посредством магнитов, встроенных в корпус сетки, как выполнено в предшествующих конструкциях:
линии магнитного поля в промежутках высокого напряжения между сетками являются полностью вогнутыми в направлении отрицательно смещенных сеток, т.е. в направлении плазменной сетки в вытягивающем промежутке и в направлении вытягивающей сетки в предварительно ускоряющем промежутке. Вогнутость линий магнитного поля в направлении отрицательно смещенных сеток предотвращает появление локальных ловушек Пеннинга в промежутках высокого напряжения и улавливание/размножение совместно вытягиваемых электронов, что может происходить в конфигурациях со встроенными магнитами;
электроды ионной оптической системы (ΙΟ8) (сетки 111) без встроенных "низкотемпературных" ΝΙΒ-магнитов могут быть нагреты до повышенной температуры (150-200°С) и обеспечивают возможность отвода тепла в ходе длительных импульсов посредством использования горячей (100-150°С) жидкости;
отсутствие встроенных магнитов оставляет свободное место между апертурами излучения сеток и разрешает введение каналов для более эффективного нагрева/охлаждения электродов;
В отличие от этого, предшествующие конструкции используют магниты, встроенные в тело сетки. Это приводит к созданию статических магнитоэлектрических ловушек в промежутках высокого напряжения, которые улавливают и увеличивают совместно вытягиваемые электроны. Это может приводить к значительному снижению тока вытягиваемого пучка. Это также препятствует работе в режиме повышенной температуры, как и надлежащей производительности нагрева/охлаждения, что является критичным для работы в режиме длительных импульсов.
2.2. Всегда поддерживается повышенная температура всех электродов ионной оптической системы (сетки 111) (150-200°С), чтобы предотвращать накопление цезия на их поверхностях и повышать интенсивность высокого напряжения вытягивающих и предварительно ускоряющих промежутков. В отличие от этого, в традиционных конструкциях электроды охлаждаются посредством воды. Электроды имеют повышенные температуры, поскольку существуют тепловые пробои между охлаждающими трубками и телами электрода, и отсутствует активная обратная связь.
2.3. Начальный прогрев сеток 111 при запуске и отвод тепла в течение фазы активации пучка выполняется посредством пропускания горячей жидкости с управляемой температурой через внутренние каналы в сетках 111.
2.4. Газ дополнительно накачивается из предварительно ускоряющего промежутка через пространство сбоку и большие отверстия в держателях сетки, чтобы снижать давление газа вдоль линии пучка и задерживать обдирку отрицательных ионов и формирование/размножение вторичных частиц в промежутках.
2.5. Включение положительно смещенных сеток 111 используется для того, чтобы отталкивать обратно протекающие положительные ионы.
3.0 Ускоритель 150 высокого напряжения (1 МэВ):
- 11 030239
3.1. Ускоритель 150 высокого напряжения не связан непосредственно с источником ионов, а отделен от источника ионов посредством переходной зоны (линии транспортировки пучка низкой энергии ЬЕВТ 205) с отклоняющими магнитами 130, вакуумными насосами и цезиевыми ловушками.
Переходная зона
перехватывает и удаляет большинство совместно протекающих частиц, включающих в себя электроны, фотоны и нейтральные частицы из пучка,
откачивает газ, выделяющийся из источника 110 ионов, и предотвращает достижение им ускорителя 150 высокого напряжения,
предотвращает вытекание цезия из источника 110 ионов и проникновение в ускоритель 150 высокого напряжения,
предотвращает поступление электронов и нейтральных частиц, формируемых посредством обдирки отрицательных ионов, в ускоритель 150 высокого напряжения.
В предшествующих конструкциях источник ионов непосредственно соединен с ускорителем высокого напряжения. Это приводит к подверженности ускорителя высокого напряжения тому, что газ, заряженные частицы и цезий вытекают из источника ионов и втекают в него. Эти сильные помехи уменьшают способность удержания напряжения ускорителя высокого напряжения.
3.2. Отклоняющие магниты 130 в ЬЕВТ 205 отклоняют и фокусируют пучок по оси ускорителя.
Отклоняющие магниты 130
компенсируют все смещения и отклонения пучка во время транспортировки через магнитное поле источника 110 ионов,
смещение между осями предускорителя и ускорителя 111 и 150 высокого напряжения уменьшает поступление совместно протекающих частиц в ускоритель 150 высокого напряжения и предотвращает обратное протекание сильноускоренных частиц (положительных ионов и нейтральных частиц) в предускоритель 111 и источник 110 ионов.
В отличие от этого предшествующие системы не имеют физического разделения между стадиями ускорения и, как следствие, не предоставляют возможность осевых смещений, как показано в данном документе.
3.3. Магниты линии 205 пучка низкой энергии фокусируют пучок на входе одноапертурного ускорителя 150:
Фокусировка пучка способствует гомогенности пучка, поступающего в ускоритель 150, по сравнению с системами на основе многоапертурной сетки.
3.4. Применение одноапертурного ускорителя упрощает системное совмещение и фокусировку пучка способствует откачке газа и удалению вторичных частиц из ускорителя 150 высокой энергии уменьшает потери пучка на электродах ускорителя 150 высокой энергии.
3.5. Магнитные линзы 230 используются после ускорения, чтобы компенсировать перефокусировку в ускорителе 150 и образовывать квазипараллельный пучок.
В традиционных конструкциях, нет средств для фокусировки пучка и отклонения, за исключением самого ускорителя.
4.0. Нейтрализатор 170:
4.1. Плазменный нейтрализатор на основе многоострийной системы удержания плазмы с постоянными магнитами сильных полей на стенках;
повышает эффективность нейтрализации,
минимизирует общие потери инжектора пучка нейтральных частиц.
Эти технологии никогда не рассматривались для применения в серийных инжекторах пучка нейтральных частиц.
4.2. Фотонный нейтрализатор - фотонная ловушка на основе цилиндрического резонатора со стенками с высокой степенью отражения и откачки с помощью лазеров с высокой эффективностью:
дополнительно повышает эффективность нейтрализации,
дополнительно минимизирует общие потери инжектора пучка нейтральных частиц.
Эти технологии никогда не рассматривались для применения в серийных инжекторах пучка нейтральных частиц.
5.0. Рекуператоры:
5.1. Применение рекуператора(ов) остаточной энергии ионов повышает общую эффективность инжектора.
В отличие от этого рекуперация вообще не предвидится в традиционных конструкциях.
- 12 030239
Библиографический список
[1.] Ь. И. А1дагег, Нед. Зет. 1пзкгит . 22, 705 (1951 : год)
[2.] Н.НетзмогкЬ ек а1., Нед. Зс. 1пзкгит ., том 67, стр.
1120 (1996 год)
33, [3.] номер Сар1ке1И М. и Согзе С., ΙΕΕΕ 6, стр. 1832-1844 (2005 год) Тгапз оп Р1азта Зс1,
[4.] НетзмогкН Н. 3., 1поие Т., ΙΕΕΕ Тгапз оп Р1азта Зс1,
33, номер 6, стр. 1799-1813 (2005 год)
[5.] В. Наззег, Л. дап Ииппгк и Л. Ьоз, Зигк. Зет. . 118
(1982), стр. 697 (1982 год)
[6.] Υ. Окитига, Н. НапаДа, Т. 1поие ек а1. ΑΙΡ Сопк. РгосеесНпдз # 210, Нью-Йорк, стр. 169-183 (1990 год)
[7.] О. Капеко, Υ. Таке1г1, К. Тзитог1, Υ. Ока и М. ОзакаЬе ек а1., "Епд1пеег1пд ргозрескз ок педак1де-1оп-ЬазеД пеикга1 Ьеат 1п3еск1оп зузкет £гот ЫдН ромег орегак1оп ког кке 1агде НеИса! Дедгсе", Ыис1. Риз., том 43, стр. 692-699, 2003
год
Хотя изобретение допускает различные модификации и альтернативные формы, его конкретные примеры показаны на чертежах и подробно описаны в данном документе. Все ссылки определенно полностью содержатся в данном документе. Тем не менее, следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными раскрытыми формами или способами, а наоборот, изобретение должно охватывать все модификации, эквиваленты и альтернативы, попадающие в пределы сущности и объема прилагаемой формулы изобретения.

Claims (21)

  1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
    1. Инжектор пучка частиц на основе отрицательных ионов содержит
    источник ионов, выполненный с возможностью формировать пучок отрицательных ионов; предускоритель;
    ускоритель, причем ускоритель связан с источником ионов посредством переходной зоны, в которой расположены средства, обеспечивающие удаление из пучка электронов нейтральных частиц и фотонов и препятствующие попаданию электронов, нейтральных частиц и фотонов в ускоритель; и
    пару отклоняющих магнитов, размещенных между предускорителем и ускорителем, с возможностью смещения пучка из предускорителя с оси перед поступлением в ускоритель.
  2. 2. Инжектор по п.1, в котором источник ионов, ускоритель и нейтрализатор выполнены с возможностью формировать пучок нейтральных частиц с энергией приблизительно в 0,50-1,0 МэВ.
  3. 3. Инжектор по любому из пп.1, 2, в котором источник ионов, ускоритель и нейтрализатор выполнены с возможностью формировать пучок нейтральных частиц с мощностью приблизительно в 5 МВт.
  4. 4. Инжектор по любому из предшествующих пунктов, в котором источник ионов выполнен с возможностью формировать пучок отрицательных ионов приблизительно 9А.
  5. 5. Инжектор по п.1, в котором предускоритель является электростатической многоапертурной сеткой в источнике ионов.
  6. 6. Инжектор по п.1, в котором ионы из источника ионов предварительно ускоряются посредством предускорителя до 120 кВ перед инжекцией в ускоритель.
  7. 7. Инжектор по любому из предшествующих пунктов, в котором источник ионов включает в себя плазменную камеру и плазменные формирователи.
  8. 8. Инжектор по п.7, в котором внутренние стенки плазменной камеры и плазменные формирователи могут поддерживаться при повышенной температуре около 150-200°С, чтобы предотвращать накопление цезия на их поверхностях.
  9. 9. Инжектор по любому из пп.7, 8, в котором плазменная камера и формирователи включают в себя коллекторы и проходы для текучих сред для циркуляции высокотемпературной текучей среды.
  10. 10. Инжектор по п.5 или 6, дополнительно содержащий распределительный коллектор для прямой подачи цезия на плазменные сетки предускорителя.
  11. 11. Инжектор по любому из пп.5, 6 или 10, в котором предускоритель включает в себя внешние магниты, чтобы отклонять совместно вытягиваемые электроны в областях вытягивания и предварительного ускорения ионов.
  12. 12. Инжектор по любому из пп.5, 6, 10 или 11, дополнительно содержащий систему откачки, чтобы откачивать газ из промежутка предварительного ускорения.
  13. 13. Инжектор по п.12, в котором плазменные сетки положительно смещены, чтобы отталкивать обратно протекающие положительные ионы.
    - 13 030239
  14. 14. Инжектор по любому из пп.5, 6 или 10-13, в котором ускоритель пространственно отделен от источника ионов посредством переходной зоны, содержащей линию транспортировки пучка низкой энергии.
  15. 15. Инжектор по п.14, в котором переходная зона включает в себя пару отклоняющих магнитов, вакуумные насосы и цезиевые ловушки.
  16. 16. Инжектор по п.15, в котором пара отклоняющих магнитов отклоняет и фокусирует пучок по оси ускорителя.
  17. 17. Инжектор по любому из пп.5, 6 или 10-16, дополнительно содержащий магнитные линзы после ускорителя, чтобы компенсировать перефокусировку в ускорителе и образовывать квазипараллельный пучок.
  18. 18. Инжектор по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий нейтрализатор, связанный с источником ионов.
  19. 19. Инжектор по п.18, в котором нейтрализатор включает в себя плазменный нейтрализатор на основе многоострийной системы удержания плазмы с постоянными магнитами сильных полей на стенках.
  20. 20. Инжектор по п.18, в котором нейтрализатор включает в себя фотонный нейтрализатор на основе цилиндрического резонатора со стенками с высокой степенью отражения и откачки с помощью лазеров.
  21. 21. Инжектор по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий рекуператор остаточной энергии ионов.
EA201590506A 2012-09-04 2013-09-04 Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов EA030239B1 (ru)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012137795A RU2619923C2 (ru) 2012-09-04 2012-09-04 Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов
US201361775444P 2013-03-08 2013-03-08
PCT/US2013/058093 WO2014039579A2 (en) 2012-09-04 2013-09-04 Negative ion-based neutral beam injector

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EA201590506A1 EA201590506A1 (ru) 2015-12-30
EA030239B1 true EA030239B1 (ru) 2018-07-31

Family

ID=50191556

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201890602A EA039453B1 (ru) 2012-09-04 2013-09-04 Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов
EA201590506A EA030239B1 (ru) 2012-09-04 2013-09-04 Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EA201890602A EA039453B1 (ru) 2012-09-04 2013-09-04 Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов

Country Status (31)

Country Link
EP (2) EP2893536B1 (ru)
JP (2) JP6216380B2 (ru)
KR (2) KR102144601B1 (ru)
CN (2) CN107316662B (ru)
AU (2) AU2013312795B2 (ru)
BR (2) BR122020018713B1 (ru)
CA (1) CA2883669C (ru)
CL (1) CL2015000480A1 (ru)
CY (1) CY1125123T1 (ru)
DK (2) DK3550571T3 (ru)
EA (2) EA039453B1 (ru)
ES (2) ES2723201T3 (ru)
HK (1) HK1214675A1 (ru)
HR (2) HRP20220357T8 (ru)
HU (2) HUE058277T2 (ru)
IL (2) IL237570A (ru)
LT (2) LT3550571T (ru)
MX (1) MX345053B (ru)
MY (1) MY171879A (ru)
NZ (3) NZ733021A (ru)
PE (1) PE20151215A1 (ru)
PH (2) PH12015500403B1 (ru)
PL (2) PL3550571T3 (ru)
PT (2) PT2893536T (ru)
RS (2) RS63056B1 (ru)
RU (1) RU2619923C2 (ru)
SG (2) SG10201705839PA (ru)
SI (2) SI3550571T1 (ru)
UA (1) UA118959C2 (ru)
WO (1) WO2014039579A2 (ru)
ZA (1) ZA201502214B (ru)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9591740B2 (en) 2013-03-08 2017-03-07 Tri Alpha Energy, Inc. Negative ion-based neutral beam injector
JP6266399B2 (ja) * 2014-03-26 2018-01-24 住友重機械工業株式会社 中性子捕捉療法装置
RU2696268C2 (ru) * 2014-11-19 2019-08-01 Таэ Текнолоджиз, Инк. Фотонный нейтрализатор для инжекторов пучков нейтральных частиц
CN106935278B (zh) * 2015-12-30 2019-03-26 核工业西南物理研究院 一种中性束注入器支撑与对接装置
CN106932808B (zh) * 2015-12-30 2023-07-14 核工业西南物理研究院 一种长脉冲主动水冷量热靶大流量的异形水路结构
CN106932809B (zh) * 2015-12-30 2023-07-14 核工业西南物理研究院 一种w字形多板变角组合结构的主动水冷量热靶结构
CN106507576A (zh) * 2016-11-04 2017-03-15 中国工程物理研究院流体物理研究所 金属氢化物离子源的离子过滤装置、方法及中子发生器
US9865433B1 (en) * 2016-12-19 2018-01-09 Varian Semiconductor Equipment Associats, Inc. Gas injection system for ion beam device
CN106783491A (zh) * 2016-12-23 2017-05-31 信利（惠州）智能显示有限公司 一种离子注入设备及其使用方法
CN107318213B (zh) * 2017-07-06 2019-05-31 复旦大学 高电荷态离子的实验装置
CN107833817B (zh) * 2017-10-18 2019-05-21 东莞中子科学中心 一种铯催化负氢离子潘宁源的除铯方法及除铯引出电源
CN107946159B (zh) * 2017-11-24 2019-07-23 新奥科技发展有限公司 一种可调式离子源及静电约束聚变反应器
RU2683963C1 (ru) * 2018-04-04 2019-04-03 федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Импульсный генератор термоядерных нейтронов
US11251075B2 (en) * 2018-08-06 2022-02-15 Mattson Technology, Inc. Systems and methods for workpiece processing using neutral atom beams
US11482342B2 (en) * 2018-10-07 2022-10-25 Tanner L. Horne Nuclear fusion reactor with toroidal superconducting magnetic coils implementing inertial electrostatic heating
CN112151196B (zh) * 2019-06-28 2024-08-09 核工业西南物理研究院 一种具有三棱柱反射阵列的气体靶中性化器
US11678430B2 (en) 2019-08-30 2023-06-13 Tae Technologies, Inc. Neutron generating target for neutron beam systems
CN112927820B (zh) * 2019-12-05 2024-07-16 核工业西南物理研究院 一种nnbi正负离子束偏及离子吞噬一体化结构
RU2735945C1 (ru) * 2020-03-03 2020-11-11 Игорь Васильевич ВИНЯР Центробежный инжектор макрочастиц термоядерного топлива
CN111741585B (zh) * 2020-05-26 2021-09-03 中国原子能科学研究院 一种用于标记中子束无损检测的移动式d-t中子发生器
CN111755317B (zh) * 2020-06-30 2023-03-14 中国科学院近代物理研究所 一种用于二次离子质谱仪的射频负离子源
EP4162777B1 (en) 2020-07-23 2024-08-21 TAE Technologies, Inc. Method for blisters reduction in lithium targets
CN118679529A (zh) 2022-03-14 2024-09-20 普林斯顿大学受托公司 用于仿星器中子源的系统和方法
WO2023178004A1 (en) 2022-03-14 2023-09-21 The Trustees Of Princeton University Planar coil stellarator
GB2619948B (en) * 2022-06-22 2024-06-12 Fusion Reactors Ltd Neutral beam injection apparatus and method

Family Cites Families (30)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4093858A (en) * 1977-06-06 1978-06-06 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Cesium injection system for negative ion duoplasmatrons
US4127442A (en) * 1977-06-16 1978-11-28 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Charge exchange cooling in the tandem mirror plasma confinement apparatus
SU818366A1 (ru) * 1979-09-17 1987-08-23 Московский авиационный институт им.Серго Орджоникидзе Источник ионов
JPS57191940A (en) * 1981-05-22 1982-11-25 Univ Kyoto Negative hydrogen or heavy hydrogen ion source using semiconductor
US4439395A (en) * 1981-04-13 1984-03-27 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Neutral beamline with improved ion energy recovery
US4588955A (en) * 1983-06-01 1986-05-13 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Transverse field focused system
JPH01213998A (ja) * 1988-02-22 1989-08-28 Japan Atom Energy Res Inst 負イオン源を用いた中性粒子入射装置
JPH02183998A (ja) * 1989-01-11 1990-07-18 Hitachi Ltd 中性粒子入射装置
US4960990A (en) * 1989-12-26 1990-10-02 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army Non coherent photoneutralizer
RU2038708C1 (ru) * 1992-01-16 1995-06-27 Институт теоретической и экспериментальной физики Ускоряющая структура для линейного резонансного ускорителя ионов с сеточной фокусировкой
US5365070A (en) * 1992-04-29 1994-11-15 The Regents Of The University Of California Negative ion beam injection apparatus with magnetic shield and electron removal means
US5581156A (en) * 1995-07-31 1996-12-03 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Army HF sustained, DC discharge driven negative ion source with automatic control system
JPH0980200A (ja) * 1995-09-08 1997-03-28 Nissin Electric Co Ltd イオン発生装置
DE19653927C1 (de) * 1996-10-21 1998-04-23 Koenig & Bauer Albert Ag Bogenbearbeitungsmaschine
JP3789655B2 (ja) 1998-09-03 2006-06-28 独立行政法人 日本原子力研究開発機構 セシウム導入装置
JP2002022870A (ja) * 2000-07-13 2002-01-23 Toshiba Corp 中性粒子入射装置
US6534775B1 (en) * 2000-09-01 2003-03-18 Axcelis Technologies, Inc. Electrostatic trap for particles entrained in an ion beam
JP2003270400A (ja) * 2002-03-18 2003-09-25 Taiyo Material:Kk 中性子発生管用ｐｉｇ型負イオン源
JP4113772B2 (ja) * 2002-12-26 2008-07-09 株式会社東芝 負イオン源および負イオンビーム発生方法
US6879109B2 (en) * 2003-05-15 2005-04-12 Axcelis Technologies, Inc. Thin magnetron structures for plasma generation in ion implantation systems
JP2005116312A (ja) * 2003-10-07 2005-04-28 Toshiba Corp マイクロ波プラズマ発生装置
CA2600421C (en) * 2005-03-07 2016-05-03 The Regents Of The University Of California Plasma electric generation system
WO2006130475A2 (en) * 2005-05-27 2006-12-07 Ionwerks, Inc. Multi-beam ion mobility time-of-flight mass spectrometry with multi-channel data recording
RU2429591C2 (ru) * 2008-02-28 2011-09-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения" (ФГУП ЦНИИмаш) Способ нейтрализации объемного заряда ионных пучков в ионных электрических ракетных двигателях и устройство для его осуществления (варианты)
BRPI0912981B1 (pt) * 2008-05-22 2019-11-19 Yegorovich Balakin Vladimir aparelho para a injeção de um feixe de partícula carregada em um acelerador de um dispositivo de irradiação
US8309941B2 (en) * 2008-05-22 2012-11-13 Vladimir Balakin Charged particle cancer therapy and patient breath monitoring method and apparatus
US8487278B2 (en) * 2008-05-22 2013-07-16 Vladimir Yegorovich Balakin X-ray method and apparatus used in conjunction with a charged particle cancer therapy system
US8237135B2 (en) * 2009-01-22 2012-08-07 Axcelis Technologies, Inc. Enhanced low energy ion beam transport in ion implantation
US8309936B2 (en) * 2009-02-27 2012-11-13 Trustees Of Columbia University In The City Of New York Ion deflector for two-dimensional control of ion beam cross sectional spread
CN102387836B (zh) * 2009-03-04 2016-03-16 普罗汤姆封闭式股份公司 多场带电粒子癌症治疗设备

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. SIMONIN, L. CHRISTIN, H.P.L. DE-ESCH, R. FUTTERSACK, P. GARIBALDI, F. VILLECROZE: "Mirror-like plasma confinement for a uniform large negative ion source", NUCLEAR FUSION., PUBLISHING SECTION. VIENNA., AT, vol. 52, no. 6, 1 June 2012 (2012-06-01), AT, pages 063003 - 063003-7, XP055099030, ISSN: 0029-5515, DOI: 10.1088/0029-5515/52/6/063003 *
BEAUMONT B. ; SIMONIN A. ; GIGUET E.: "Design and R&D for the heating systems", REVUE GENERALE NUCLEAIRE RGN., SEFN, PARIS., FR, no. 1, 1 February 2007 (2007-02-01), FR, pages 71 - 82, XP002719467, ISSN: 0335-5004 *
HAN B. X.; KALVAS T.; TARVAINEN O.; WELTON R. F.; MURRAY S. N. JR.; PENNISI T. R.; SANTANA M.; STOCKLI M. P.: "Low-energy beam transport studies supporting the spallation neutron source 1-MW beam operation", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS., AIP, MELVILLE, NY., US, vol. 83, no. 2, 1 February 2012 (2012-02-01), US, pages 02B727 - 02B727-4, XP012162094, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1.3681125 *
K. TSUMORI, O. KANEKO, Y. TAKEIRI, M. OSAKABE, K. IKEDA, K. NAGAOKA, H. NAKANO, M. SHIBUYA, E. ASANO, T. KONDO M. SATO, S. KOMADA,: "Stability of High Power Beam Injection in Negative-Ion-Based LHD-NBI", SECOND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NEGATIVE IONS, BEAMS AND SOURCES : TAKAYAMA CITY, JAPAN, 16 - 19 NOVEMBER 2010 ; [NIBS2010], AMERICAN INST. OF PHYSICS, MELVILLE, NY, 26 September 2011 (2011-09-26) - 19 November 2010 (2010-11-19), Melville, NY, pages 517 - 525, XP002719468, ISBN: 978-0-7354-0955-2, DOI: 10.1063/1.3637423 *
KATSUNORI IKEDA; KENICHI NAGAOKA; YASUHIKO TAKEIRI; MASAKI OSAKABE; KATSUYOSHI TSUMORI; OSAMU KANEKO: "MAGNETICALLY CONFINED PLASMA; Recent Progress of Neutral Beam Injector and Beam Emission Diagnosis in LHD", PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, vol. 11, no. 4, 1 August 2009 (2009-08-01), GB, pages 452 - 455, XP020161149, ISSN: 1009-0630 *
KELLER R.: "Ion-source and low-energy beam-transport issues for H/sup -/ accelerators", PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE, 1999. PROCEEDINGS OF THE 1999 NEW YORK, NY, USA 27 MARCH-2 APRIL 1999, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, US, vol. 1, 27 March 1999 (1999-03-27) - 2 April 1999 (1999-04-02), US, pages 87 - 91, XP010348944, ISBN: 978-0-7803-5573-6, DOI: 10.1109/PAC.1999.795632 *
MARCUZZI, D. ; PALMA, M.D. ; PAVEI, M. ; HEINEMANN, B. ; KRAUS, W. ; RIEDL, R.: "Detailed design of the RF source for the 1MV neutral beam test facility", FUSION ENGINEERING AND DESIGN., ELSEVIER SCIENCE PUBLISHERS, AMSTERDAM., NL, vol. 84, no. 7-11, 1 June 2009 (2009-06-01), NL, pages 1253 - 1258, XP026171687, ISSN: 0920-3796, DOI: 10.1016/j.fusengdes.2008.12.084 *
TAKEIRI YASUHIKO: "Negative ion source development for fusion application (invited)", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS., AIP, MELVILLE, NY., US, vol. 81, no. 2, 26 February 2010 (2010-02-26), US, pages 02B114 - 02B114-7, XP012134790, ISSN: 0034-6748, DOI: 10.1063/1.3274806 *

Also Published As

Publication number Publication date
MX2015002783A (es) 2015-09-23
JP2015532773A (ja) 2015-11-12
AU2013312795B2 (en) 2017-08-31
EP2893536B1 (en) 2019-02-20
CN104903967B (zh) 2017-07-04
PT3550571T (pt) 2022-02-04
DK3550571T3 (en) 2022-03-14
KR20150070127A (ko) 2015-06-24
ES2907075T3 (es) 2022-04-21
IL254061B (en) 2021-10-31
PH12018500893A1 (en) 2018-11-12
RU2619923C2 (ru) 2017-05-22
CA2883669A1 (en) 2014-03-13
HRP20220357T8 (hr) 2022-05-27
EP3550571A1 (en) 2019-10-09
CY1125123T1 (el) 2023-06-09
JP6549666B2 (ja) 2019-07-24
HUE058277T2 (hu) 2022-07-28
SG11201501587WA (en) 2015-04-29
MY171879A (en) 2019-11-06
AU2017216558A1 (en) 2017-09-07
JP2018022698A (ja) 2018-02-08
AU2017216558B2 (en) 2019-10-31
EA201890602A1 (ru) 2019-03-29
EP3550571B1 (en) 2021-12-22
IL237570A0 (en) 2015-04-30
KR102208372B1 (ko) 2021-01-26
PH12015500403A1 (en) 2015-04-20
BR112015004801B1 (pt) 2021-10-26
KR102144601B1 (ko) 2020-08-13
HRP20190684T1 (hr) 2019-06-14
PE20151215A1 (es) 2015-08-31
LT3550571T (lt) 2022-04-11
NZ733021A (en) 2019-02-22
PT2893536T (pt) 2019-03-20
DK2893536T3 (en) 2019-04-15
KR20200096697A (ko) 2020-08-12
SI3550571T1 (sl) 2022-05-31
EP2893536A2 (en) 2015-07-15
CN104903967A (zh) 2015-09-09
SI2893536T1 (sl) 2019-05-31
CN107316662A (zh) 2017-11-03
CA2883669C (en) 2020-03-10
NZ745718A (en) 2019-12-20
ZA201502214B (en) 2016-09-28
IL237570A (en) 2017-10-31
CN107316662B (zh) 2021-03-16
IL254061A0 (en) 2017-10-31
BR112015004801A2 (pt) 2019-12-17
JP6216380B2 (ja) 2017-10-18
EA039453B1 (ru) 2022-01-28
CL2015000480A1 (es) 2015-11-20
PH12015500403B1 (en) 2015-04-20
PL2893536T3 (pl) 2019-09-30
HK1214675A1 (zh) 2016-07-29
PL3550571T3 (pl) 2022-06-20
ES2723201T3 (es) 2019-08-22
LT2893536T (lt) 2019-03-12
NZ705667A (en) 2017-09-29
HRP20220357T1 (hr) 2022-05-13
HUE043299T2 (hu) 2019-08-28
WO2014039579A3 (en) 2014-05-01
RS63056B1 (sr) 2022-04-29
SG10201705839PA (en) 2017-08-30
WO2014039579A2 (en) 2014-03-13
RU2012137795A (ru) 2014-03-10
UA118959C2 (uk) 2019-04-10
RS58649B1 (sr) 2019-05-31
EA201590506A1 (ru) 2015-12-30
AU2013312795A1 (en) 2015-03-26
BR122020018713B1 (pt) 2022-02-22
MX345053B (es) 2017-01-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11363708B2 (en) Negative ion-based beam injector
JP6549666B2 (ja) 陰イオンに基づく中性ビーム入射器
KR101194652B1 (ko) 고전류 디시 양성자 가속기
RU2741793C2 (ru) Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов
Fink et al. Efficient high-power high-energy neutral beams for the reference mirror reactor
Davydenko et al. Development of focused neutral beams with small angular divergence for plasma heating and diagnostics
KUNKEL FUSION, VOLUME 1, PART B
Hill Particle production for accelerators