KR20200096697A

KR20200096697A - 음이온-기반 중성 빔 입사장치

Info

Publication number: KR20200096697A
Application number: KR1020207022598A
Authority: KR
Inventors: 유리 아이. 벨첸코; 알렉산더 브이. 부르다코프; 블라디미르 아이. 다비덴코; 겐나디 아이. 디모프; 알렉산더 에이. 이바노프; 발레리 브이. 코벨츠; 아르템 엔. 스미르노프; 미칠 더블유. 빈데르바우어; 도날드 엘. 세비어; 테렌체 이. 리차드슨
Original assignee: 티에이이 테크놀로지스, 인크.
Priority date: 2012-09-04
Filing date: 2013-09-04
Publication date: 2020-08-12
Also published as: MX2015002783A; JP2015532773A; AU2013312795B2; EP2893536B1; CN104903967B; PT3550571T; EA030239B1; DK3550571T3; KR20150070127A; ES2907075T3; IL254061B; PH12018500893A1; RU2619923C2; CA2883669A1; HRP20220357T8; EP3550571A1; CY1125123T1; JP6549666B2; HUE058277T2; SG11201501587WA

Abstract

음이온-기반 중성 빔 입사장치가 약 0.50 내지 1.0 eV 의 에너지를 갖는 약 5 MW 중성 빔을 생성하기 위해, 음이온 소스, 가속기, 및 중화기를 포함한다. 이온 소스에 의해 생성된 이온들은, 고에너지 가속기 내로의 입사 이전에, 플라즈마로부터 이온 빔을 추출하며 그리고 요구되는 빔 에너지의 일부 분율까지 가속시키기 위해 사용되는, 정전 복수-구멍 그리드 예비-가속기에 의해 예비-가속된다. 이온 소스로부터의 빔은, 빔이 고에너지 가속기에 들어가기 이전에 축선 밖으로 시프트될 수 있도록 하는, 한 쌍의 편향 자석을 통과한다. 최대 에너지로의 가속 이후에, 빔은, 빔이 부분적으로 중성 빔으로 변환되는 중화기에 들어간다. 남아있는 이온 종들은 자석에 의해 분리되고, 또한 정전 에너지 변환기 내로 지향된다. 중성 빔은 게이트 밸브를 통과하며 그리고 플라즈마 챔버에 들어간다.

Description

음이온-기반 중성 빔 입사장치{NEGATIVE ION-BASED NEUTRAL BEAM INJECTOR}

여기에 설명되는 주제는 일반적으로 중성 빔 입사장치(injector)에 관한 것이며, 특히 음이온에 기초한 중성 빔 입사장치에 관한 것이다.

아주 최근까지, 자기 융합 연구, 재료 가공, 에칭, 살균, 및 다른 적용들에 사용되는 중성 빔은 모두 양이온으로부터 형성되었다. 양의 수소 동위 원소(isotope) 이온들은 정전기장에 의해 가스 방전 플라즈마로부터 추출 및 가속되었다. 가속기의 접지면(ground plane) 직후에, 이들은 가스 전지(gas cell)에 들어가며, 거기에서 이들은 전자를 얻기 위한 전하 교환 반응 및 전자를 다시 버리기 위한 충돌 이온화 반응 모두를 겪는다. 전하 교환 횡단면이 이온화 횡단면보다 증가하는 에너지와 더불어 더욱 급속히 낙하하기 때문에, 두꺼운 가스 전지 내의 평형 중성자 분율(equilibrium neutral fraction)이 수소 입자들에 대해 60 keV 보다 큰 에너지에서 급속히 낙하하기 시작한다. 이 보다 눈에 띄게 더 높은 에너지를 요구하는 수소 동위원소 중성 빔 적용을 위해, 음이온들을 생성 및 가속시키고, 그 후 얇은 가스 전지 내에서 음이온들을 중성자로 변환할 필요가 있으며, 얇은 가스 전지는 많은 수의 MeVs 까지의 광범위한 에너지를 가로질러 약 60 % 의 중성자 분율을 야기할 수 있다. 플라즈마 또는 광자 전지(photon cell)이 활성 음이온 빔을 중성자로 변환시키기 위해 사용된다면, 더욱 더 높은 중성자 분율이 달성될 수 있다. 광자 에너지가 수소의 전자 친화도를 초과하는 광자 전지의 경우에, 중성자 분율은 100 % 에 가깝다. 가속기 물리학에서 음이온의 적용에 대한 사상은 먼저 50 년 전 보다 이전에 알바레즈(Alvarez)에 의해 언급되었다는 것을 인식할 가치가 있다[1].

오늘날의 장치들에서의 일부 적용들 뿐만 아니라, 미래의 대형 융합 장치들에서의 전류 구동 및 가열을 위한 중성 빔들이, 양이온으로 접근 가능한 것을 훨씬 넘어선 에너지들을 요구하기 때문에, 음이온-기반 중성 빔들이 최근 개발되었다. 그러나 지금까지 달성된 빔 전류는 매우 통상적으로 양이온 소스들에 의해 생성되는 것 보다 상당히 작다. 빔 전류의 관점에서 음이온 소스들의 더 낮은 성능에 대한 물리적인 이유는, 단지 0.75 eV 인, 수소의 낮은 전자 친화도이다. 따라서 수소 음이온들을 생성하는 것이 수소의 양이온들을 생성하는 것보다 훨씬 어렵다. 또한, 매우 높은 개연성으로 매우 느슨하게 결합된 전자의 손실을 야기할 활성 전자와의 충돌 없이 새로이 생성된 음이온을 추출 구역에 도달시키는 것이 매우 어렵다. 마찬가지로, 음이온들은, 억제 조치가 사용되지 않는 한, 더욱 더 큰 전류의 전자들과 동반될 것이기 때문에, 빔을 형성하기 위해 플라즈마로부터 H^- 이온을 추출하는 것이 H⁺ 이온을 추출하는 것 보다 더욱 복잡하다. 원자를 생성하기 위한 H^- 이온으로부터의 전자의 충돌 스트리핑(stripping)을 위한 횡단면이, 수소 분자로부터 전자를 얻기 위한 H⁺ 이온을 위한 횡단면 보다 상당히 크기 때문에, 가속기 경로에서의 가스 라인 밀도가 저압에서 이온 소스를 작동시킴에 의해 최소화되지 않는다면, 가속 도중에 중성자로 변환되는 이온들의 분율이 상당할 수 있다. 가속 도중에 조기에 중성자화되는 이온들은, 낮은 에너지 테일(tail)을 형성하며, 그리고 일반적으로 최대 가속 전위를 경험하는 이온들 보다 더 큰 발산(divergence)을 갖는다.

가속된 음이온 빔의 중성자화는, 가스 표적에서 약 60 % 의 효율로 실행될 수 있다. 플라즈마 및 광자 표적들의 사용은, 음이온의 중성자화 효율의 추가적인 증가를 허용한다. 입사장치의 전체적인 에너지 효율은, 중화기(neutralizer)를 통과한 후 빔에 남아있는 이온 종들(species)의 에너지의 회복에 의해 증가될 수 있다.

고려 중인 다른 원자로급(reactor-grade) 자기 플라즈마 구속(confinement) 시스템에 대해서도 또한 전형적인, ITER 토코막(tokomak)을 위한 고-출력 중성 빔 입사장치의 개략적인 도면이, 도 3에 도시되어 있다[2]. 입사장치의 기본적인 구성요소들은, 음이온들의 고-전류 소스, 이온 가속기, 중화기, 및 이온 수집기-회복기(recuperator)를 갖는 전하-교환된 빔의 하전된 성분의 자기 분리기이다.

입사장치 내에서 요구되는 진공 상태를 유지하기 위해, 고진공 펌핑 시스템이 전형적으로, 플라즈마 장치로부터 빔 덕트를 절단하며 및/또는 입사장치의 주요 요소들로의 접근을 제공하는 큰 크기의 게이트 밸브들과 함께, 사용된다. 빔 매개변수들은, 비침투성 광학 방법에 의해서 뿐만 아니라, 수축 가능한 열량측정(calorimetric) 표적을 사용함으로써 측정된다. 강력한 중성 빔의 생성은 상응하는 전원이 사용될 것을 요구한다.

생성의 원리에 따라, 음이온들의 소스들은 하기의 그룹들로 분할될 수 있다.

● 체적 생성 (플라즈마) 소스들 - 여기에서는 이온들이 플라즈마의 체적으로 생성된다.

● 표면 생성 소스들 - 여기에서는 이온들이 전극들 또는 특수한 표적들의 표면 상에 생성된다.

● 표면-플라즈마 소스들 - 여기에서는 이온들이 플라즈마 입자들과 상호작용하는 전극들의 표면 상에 생성되며, 이것은 노보시비르스크(Novosibirsk) 그룹에 의해 개발되었다[3].

● 전하-교환 소스들 - 여기에서는 음이온들이, 상이한 표적들 상에서의 가속된 양이온 빔의 전하-교환으로 인해, 생성된다.

양이온 소스에서의 플라즈마와 유사한 최신의 체적 H^- 이온 소스들에서 플라즈마를 발생시키기 위해, 수소에서의 RF 방전뿐만 아니라, 고온 필라멘트들 또는 중공 캐소드들에 의한 아크 방전이, 사용된다. 방전 챔버에서의 전자 구속의 개선을 위해 그리고, 음이온 소스들에 대해 중요한, 가스-방전 챔버에서의 수소 밀도의 감소를 위해, 자기장 내에서의 방전이 사용된다. 외부 자기장을 갖는[즉, 페닝(Penning) 또는 마그네트론 형상의 전극들을 갖는, "반사(reflective)" 방전의 길이방향 자기장 내에서의 전자 진동(oscillation)을 갖는] 시스템, 및 주변 자기장[다극(multipole)]을 갖는 시스템이 널리 사용된다. JET 의 중성 빔 입사장치를 위해 개발된 주변 자기장을 갖는 방전 챔버의 절취도가 도 4에 도시되어 있다[3]. 플라즈마 박스의 주변에서의 자기장은, 그의 외측 표면 상에 설치되는 영구자석들에 의해 생성된다. 자석들은, 자화 방향이 일정하거나 또는 엇갈리는 순서로 변화하는 열들(rows)로 배치되며, 따라서 자력선은 벽 가까이에서 선형의 또는 체스판형의 첨점들(cusps)의 형상을 갖는다.

특히 플라즈마 챔버의 주변에 다극 자기장을 갖는 시스템들의 적용은, 시스템들이, 1-4 Pa 까지 낮춘(세슘 없이) 그리고 세슘을 구비한 시스템에서 0.3 Pa 까지 낮춘 챔버 내의 감소된 가스 작동 압력에서, 소스 내의 조밀한 플라즈마를 유지시키는 것을 허용한다[4]. 방전 챔버에서의 수소 밀도의 그러한 감소는, 융합 연구에서의 적용들을 위해 개발되고 있는 고전류 복수-구멍 거대 이온 소스들을 위해 특히 중요하다.

그때, 표면 플라즈마 생성 이온 소스들이 고전류 음이온 빔의 생성에 가장 적합한 것으로 간주된다.

표면 플라즈마 생성 이온 소스들에서, 이온들은 충분한 에너지 및 낮은 일함수(work function) 표면을 갖는 입자들 사이의 상호작용에서 생성된다. 이 효과는 충격(bombardment)에 노출되는 표면의 알칼리 코팅에 의해 향상될 수 있다. 2개의 주요한 프로세스, 즉, 표면 상에 충돌하는 느린 원자 또는 분자가 평균 잔류 시간 이후에 양이온으로서 또는 음이온으로서 다시 방출되는 열역학적-평형 표면 이온화, 및 스퍼터링, (열적 입자들이 탈착되는 열적 탈착과는 대조적인) 충격 탈착, 또는 알칼리 금속 코팅의 존재시 반사에 의해 음이온들이 생성되는 비-평형 (동적) 원자-표면 상호작용이 있다. 열역학적-평형 이온화 프로세스에서, 흡착된 입자들은 열평형의 상태에서 표면으로부터 떨어진다. 표면을 떠나는 입자들의 이온화 계수는 사하 공식(Saha formula)에 의해 결정되며, 그리고 ∼0.02 % 로 매우 작게 나타난다.

비-평형 동적 표면 이온화 프로세스는, 표면에서 훨씬 더 효과적인 것으로 나타나며, 그리고 음이온의 전자 친화도와 비교할 수 있는 충분히 낮은 일함수를 갖는다. 이 프로세스 도중에, 음이온은, 1차 입자로부터 얻어진 운동 에너지를 사용하여 가까운 표면 장벽을 극복하는 표면으로부터 떨어진다. 표면 가까이에서, 추가적인 전자의 에너지 준위는, 금속에서 전자의 상부 페르미(Fermi) 준위 보다 낮으며, 그리고 이러한 준위는 금속으로부터의 전자 터널링(tunneling)에 의해 매우 용이하게 점유될 수 있다. 표면 밖으로의 이온 이동 도중에, 표면은 영상 전하[

]에 의해 생성되는 전위 장벽을 극복한다. 전하 영상의 필드(field)는 금속에서의 전자들의 에너지 준위에 비해 추가적인 전자의 에너지 준위를 높인다. 어느 정도의 임계 거리로부터 시작하여, 추가적인 전자의 준위는 금속에서의 전자들의 상부 에너지 준위 보다 더 높아지며, 그리고 공진 터널링이 떠나가는 이온으로부터 금속으로 돌아가도록 전자를 복귀시킨다. 입자가 충분히 빨리 떨어지고 있는 경우에, 음이온화(negative ionization) 계수는, 알칼리 금속, 특히 세슘을 덮음으로써 제공될 수 있는 낮은 일함수를 갖는 표면에 대해, 매우 높은 것으로 나타난다.

낮아진 일함수를 갖는 이러한 표면으로부터 떨어지는 수소 입자들의 음이온화의 정도는,

에 도달할 수 있다는 것이, 실험적으로 확인된다. 텅스텐 표면 상의 일함수는 [텅스텐 결정(110) 표면 상의] 0.6 단분자층(monolayer)의 세슘 덮개층(Cs coverage)과 더불어 최소값을 갖는 것을 인식된다.

음의 수소이온 소스들의 발전을 위해, 음이온들의 일체형 수득율(integral yield)은, Mo + Cs, W + Cs 와 같은, 낮은 일함수를 갖는 표면들을 갖는 3 - 25 eV 의 에너지를 갖는, 수소 원자들 및 양이온들의 충돌에 대해, K^- = 9 - 25 % 로, 충분히 높다는 것이 중요하다[5]. 특히, 2 eV 보다 큰 에너지를 갖는 프랭크-콘돈(Frank-Condon) 원자들에 의한 세슘처리된(cesiated) 몰리브덴 표면의 충격에 있어서(도 5 참조), H^- 이온으로의 일체형 변환 효율은, K^- ∼8 % 에 도달할 수 있을 것이다.

표면-플라즈마 소스들(surface-plasma source)(SPS)에서[3], 음이온 생성은 가스-방전 플라즈마와 접촉하는 전극들 상에서의 스퍼터링, 탈착, 또는 반사의 동적 표면 이온화-프로세스로 인해 구현된다. 낮아진 일함수를 갖는 특수한 이미터의 전극들이, 음이온 생성의 향상을 위해, SPS들에 사용된다. 일반적으로, 방전 챔버 내로의 소량의 세슘의 추가는 H^- 빔의 광도(luminosity) 및 세기에 대한 다양한 증가를 얻을 수 있도록 한다. 방전 챔버 내로의 세슘 살포(seeding)는 음이온들과 함께 추출되는 전자들의 수반되는 플럭스를 현저히 감소시킨다.

SPS 에서, 가스 방전 플라즈마는 여러 가지 기능을 수행하며, 즉 이것은 전극들에 충격을 가하는 입자들의 강렬한 플럭스를 생성하며; 전극에 인접한 플라즈마 외피는 이온 가속을 생성하고, 그에 따라 입자들에 충격을 가하는 에너지를 증가시키며; 음전위 하에서의 전극들에서 생성되는 음이온들은 플라즈마 외피 전위에 의해 가속되며 그리고 상당한 파괴 없이 플라즈마층을 통해 추출 구역 내로 들어간다. 다소 높은 출력 및 가스 효율을 갖는 강렬한 음이온 생성은, "더러운(dirty)" 가스-방전 상태 하에서 SPS 의 다양한 수정들 및 전극들의 강렬한 충격으로 달성되었다.

여러가지 SPS 소스들이, LHD, JT-60U, 및 국제적인 (ITER) 토코막과 같은, 대형 융합 장치를 위해 개발된 바 있다.

이러한 소스들의 전형적인 특징들은, 도 6에 도시된 LHD 스텔러레이터(stellarator)[4]의 입사장치를 고려하여 이해될 수 있다[4, 6]. 아크 플라즈마가 ~ 100 리터의 용적을 갖는 대형 자기 다극 버킷 펜스 챔버(large magnetic multipole bucket fence chamber)에서 생성된다. 24 개의 텅스텐 필라멘트가 약 0.3 - 0.4 Pa 의 수소 압력하에서 3 kA, ∼80 V 아크를 지지한다. ∼ 50 G 의 중심에의 최대 자기장을 갖는 외부 자석 필터가, 플라즈마 전극에 가까운 추출 구역에서 전자 밀도 및 온도 감소를 제공한다. 플라즈마 전극의 양의 바이어스(Positive bias)(~ 10 V)는 수반되는 전자 플럭스를 감소시킨다. 음이온들은 최적의 세슘층에 의해 덮이는 플라즈마 전극 상에서 생성된다. 공압 밸브들이 장착되는 외부 세슘 오븐들(하나의 소스에 대해 3개)이, 분배된 세슘 살포를 공급한다. 음이온 생성은 200 - 250 ℃ 의 최적의 플라즈마 전극 온도에서 최대치를 달성한다. 플라즈마 전극은 단열되며, 그리고 그의 온도는 전력 부하 플라즈마 방전에 의해 결정된다.

LHD 이온 소스에 사용되는 4극 복수-구멍 이온-광학 시스템이 도 7에 도시된다[6]. 음이온들은, 각각 1.4 cm 의 직경을 갖는 770 개의 방출 구멍을 통해 추출된다. 구멍들은 플라즈마 전극 상에서 25 × 125 cm² 의 면적을 점유한다. 작은 영구자석들이, 함께 추출된(co-extracted) 전자를 빔으로부터 추출 전극벽 상으로 편향시키기 위해, 구멍들 사이의 추출 그리드 내에 매립된다. 추출 그리드 뒤에 설치되는 부가적 전자 억제 그리드(additional electron suppression grid)가, 추출 전극벽들로부터 후방산란되거나(backscatered) 방출되는 2차 전자들을 억제한다. 높은 투명도를 갖는 복수-슬릿 접지 그리드(multi-slit grounded grid)가 이온 소스에서 사용된다. 이것은 빔 교차 영역을 감소시키며, 따라서 전압 유지 능력을 개선시키며 그리고 빔 스트리핑 손실의 대응하는 감소와 함께 2.5의 계수(factor) 만큼 갭들 내의 가스 압력을 낮춘다. 추출 전극과 그리고 접지된 전극 모두는 물로 냉각된다.

복수-첨점 소스 내로의 세슘 살포는, 추출된 음이온 전류의 5배(5-fold) 증가 그리고 광범위한 방전 출력 및 수소 충전 압력(filling pressure)에서의 H^- 이온 수득율의 선형 성장을 제공한다. 세슘 살포의 다른 중요한 이점들은, 함께 추출된 전자 전류의 ~ 10배 감소, 및 방전 시 수소 압력의 0.3 Pa 까지의 본질적인 감소이다.

LHD 에서의 복수-첨점 소스들은, 2초 장펄스들에서 30 mA/cm² 의 전류 밀도를 각각 갖는 통상적으로 약 30 A 이온 전류를 제공한다[6]. LDH 이온 소스들에 대한 주요 이슈들은, 필라멘트들로부터 스퍼터링된 텅스텐에 의해 아크 챔버에 살포되는 세슘의 차단, 및 고출력 장펄스 상황에서 작동될 때 고전압 유지 능력의 감소이다.

LHD 의 음이온-기반 중성 빔 입사장치는, 180 keV 의 공칭 빔 에너지에서 수소와 더불어 작동되는 2개의 이온 소스를 갖는다. 모든 입사장치는, 128 초 펄스 도중에 5 MW 의 공칭 입사 출력을 달성하며, 따라서 각각의 이온 소스는 2.5 MW 중성 빔을 제공한다. 도 8a 및 8b는 LHD 중성 빔 입사장치를 도시하고 있다. 이온 소스의 촛점거리는 13 m 이고, 2개의 소스의 피봇 지점은 15.4 m 하류에 위치하게 된다. 입사 포트는 약 3 m의 길이이며 그리고 직경이 52 cm 이고 길이가 68 cm 인 가장 좁은 부분을 갖는다.

RF 플라즈마 드라이버들 및 세슘에 의해 덮이는 플라즈마 전극 상에서의 음이온 생성을 동반하는 이온 소스들이, 막스 플랑크 플라즈마물리연구소(IPP Garching) 에서 개발 중이다. RF 드라이버들은 더욱 청정한 플라즈마를 생성하며, 따라서 이러한 소스들에서 텅스텐에 의한 세슘 차단은 없다. 1 A 의 빔 전류, ∼20 kV 의 에너지, 및 3600 초의 지속시간을 갖는 음이온 빔 펄스의 정상 상태 추출이, 2011 년에 IPP 에 의해 시연되었다.

현재, 예를 들어 ITER 토코막과 같은 다음 단계의 융합 장치들을 위해 개발 중인, 고에너지 중성 빔 입사장치들은, 원하는 1 MeV 에너지에서의 안정적인 작동 및 매우 충분한 전류를 동반하는 정상 상태 또는 연속파(continuous wave)(CW) 작동을 시연하지 못하였다. 따라서, 예를 들어 500 - 1000 keV 범위의 빔 에너지, 100-200 A/m³ 의 메인 용기 포트의 중성 빔의 유효 전류 밀도, 1000 초의 펄스 길이에서 약 5 - 20 MW 의 중성 빔 입사장치 당 출력, 및 빔 전류의 1 - 2 % 보다 작게 빔 입사장치에 의해 도입되는 가스 부하와 같은, 빔의 표적 매개변수들의 달성을 방해하는 문제점들을 해결하는 것이 가능하다면 언제나, 실행 가능한 해결책을 개발할 필요가 있다. 입사장치의 모듈에서 음이온 전류가 ITER 빔을 위한 40 A 추출 이온 전류와 비교되는 8 - 10 A 추출 이온 전류까지 감소되는 경우, 이러한 목표의 달성이 훨씬 덜 요구된다는 것을 알게 한다. 추출된 전류 및 빔 출력의 단계적 감소는, 입사장치 이온 소스 및 고에너지 가속기의 주요 요소들의 설계에서의 강력한 변경들을 야기할 것이며, 따라서 더욱 더 잘 개발된 기술들 및 접근법들이 입사장치의 신뢰성을 개선시키는데 적용 가능하게 된다. 따라서, 이러한 고찰은, 요구되는 입사 출력이, 높은 전류 밀도, 낮은 발산 빔을 생성하는 여러 입사장치 모듈들을 사용하여 획득될 수 있다는 가정 하에, 모듈 당 8 - 10 A 의 추출된 전류를 제안한다.

표면 플라즈마 소스 성능은 상당히 잘 입증되며, 그리고 현재 작동 중인 여러 이온 소스들은 1 A 를 초과하는 또는 그보다 높은 연속적인 측정가능한 이온 빔을 생성하였다. 지금까지의, 빔 출력 및 펄스 지속시간과 같은 중성 빔 입사장치들의 주요한 매개변수들은, 고려 중인 입사장치에 대해 요구되는 것과는 매우 떨어져 있다. 이러한 입사장치들의 발전의 현재 상태는 표 1로부터 이해될 수 있다.

	TAE	ITER	JT-60U	LHD	IPP	CEA-JAERI
전류 밀도(A/m²)		200 D^- 280 H^-	100 D^-	350 H^-	230 D^- 330 H^-	216 D^- 195 H^-
빔 에너지(keV)	1000 H^-	1000 D^-1 100 H^-	365	186	9	25
펄스 길이(s)	≥1000	3600 D^-1 3 H^-	19	10	< 6	5 1000
이온에 대한 전자 비율		1	∼0.25	< 1	< 1	<1
압력(Pa)	0.3	0.3	0.26	0.3	0.3	0.35
비고		조합된 개수는 아직 달성되지 않았으며, IPP 에서의 방식 하에서-장펄스 소스 MANITU 에서 진행중인 실험은 현재 D^- 로 최대 3600 s 까지 1A/20kV를 전달한다	필라멘트 소스	필라멘트 소스	완전 추출이 아닌 RF 소스, 2 A/20 kV 에서 ∼6 초 동안 작동되는 BATMAN 으로서 알려진 테스트 베드	MANITIS(CEA) 상의 KamabokoⅢ 소스(JAERI)

따라서 개선된 중성 빔 입사장치를 제공하는 것이 바람직하다.

[1.]: L. W. Alvarez, Rev.Sci. Instrum. 22, 705(1951) [2.]: R.Hemsworth 등. Rev.Sc. Instrum., Vol. 67, p. 1120(1996) [3.]: Capitelli M. 및 Gorse C. IEEE Trans on Plasma Sci, 33, N. 6, p. 1832-1844(2005) [4.]: Hemsworth R.S., Inoue T., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, N. 6, p. 1799-1813(2005) [5.]: B.Rasser, J. van Wunnik 및 J. Los Surf. Sci. 118 (1982), p. 697 1982) [6.]: Y.Okumura, H. Hanada, T. Inoue 등. AIP Conf. Proceedings # 210, NY, p. 169-183(1990) [7.]: O. Kaneko, Y. Takeir, K. Tsumori, Y. Oka, 및 M. Osakabe 등, "대형 나선형 장치를 위한 고출력 작동으로부터 음이온-기반 중성 빔 입사 시스템의 엔지니어링 전망", Nucl. Fus., vol. 43, pp. 692-699, 2003.

여기에 제공된 실시예는, 음이온-기반 중성 빔 입사장치를 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 음이온-기반 중성 빔 입사장치는, 약 0.50 내지 1.0 MeV 의 에너지를 갖는 5 MW 중성 빔을 생성하기 위해, 이온 소스, 가속기, 및 중화기를 포함한다. 이온 소스는 진공 탱크의 내측에 위치하게 되며, 9 A 음이온 빔을 생성한다. 이온 소스에 의해 생성되는 이온들은, 고에너지 가속기 내로의 입사 이전에, 이온 소스 내의, 플라즈마로부터 이온 빔을 추출하며 그리고 요구되는 빔 에너지의 어느 정도 분율까지 가속시키기 위해 사용되는 정전 복수 구멍 그리드 예비-가속기에 의해 120 keV 로 예비-가속된다. 이온 소스로부터의 120 keV 빔은, 빔이 고에너지 가속기에 들어가기 이전에 축선 밖으로 시프트될 수 있도록 하는, 한 쌍의 편향 자석을 통과한다. 최대 에너지까지의 가속 이후에, 빔은, 빔이 중성 빔으로 부분적으로 변환되는 중화기에 들어간다. 나머지 이온 종들은 자석에 의해 분리되ㅁ며 그리고 정전 에너지 변환기 내로 지향하게 된다. 중성 빔은 게이트 밸브를 통과하고 플라즈마 챔버에 들어간다.

이온 소스의 플라즈마 박스의 내벽들 및 플라즈마 드라이버들은, 그들의 표면들 상에의 세슘 축적을 방지하기 위해 상승한 온도(150 - 200 ℃)로 유지된다. 분배 매니폴드가, 세슘을 플라즈마가 아닌 플라즈마 그리드의 표면 상으로 직접 공급하기 위해 제공된다. 이것은 세슘을 플라즈마 방전 챔버 내로 직접 공급하는 기존의 이온 소스와 대조적인 것이다.

이온 추출 및 예비-가속 구역들에서 함께 추출된 전자들을 편향시키기 위해 사용되는 자기장이, 종래의 설계들에서 채택한 바와 같이, 그리드 본체 내에 매립되는 자석들에 의해서가 아니라, 외부 자석들에 의해 생성된다. 그리드들 내에 매립된 "저온" 자석들의 부존재는, 자석들이 상승된 온도까지 가열될 수 있도록 한다. 종래의 설계들은 그리드 본체 내에 매립되는 자석들을 활용하려는 경향이 있으며, 이것은 추출된 빔 전류의 상당한 감소를 야기하며 그리고 적절한 가열/냉각 성능뿐만 아니라 상승된 온도 작동을 방지는 경향이 있다.

고전압 가속기는 이온 소스에 직접적으로 결합되지는 않지만, 벤딩 자석들(bending magnet), 진공 펌프들, 및 세슘 트랩들(trap)을 갖는 전이 구역[저에너지 빔 이송 라인(low energy beam transport line: LEBT)]에 의해 이온 소스로부터 이격된다. 전이 구역은, 빔으로부터 전자, 광자, 및 중성자를 포함하는, 대부분의 함께 흐르는 입자들을 가로채서 제거하고, 이온 소스로부터 배출되는 가스를 밖으로 펌핑하며 그리고 이것이 고-전압 가속기에 도달하는 것을 방지하며, 세슘이 이온 소스로부터 흘러 나가는 것 및 고-전압 가속기를 관통하는 것을 방지하고, 음이온 스트리핑에 의해 생성되는 전자들 및 중성자들이 고-전압 가속기에 들어가는 것을 방지한다. 종래의 설계들에 있어서, 이온 소스는 고-전압 가속기에 직접 연결되며, 이것은 고-전압 가속기가 이온 소스로부터의 모든 가스, 하전된 입자, 및 세슘 흐름에 종속되도록 야기하는 그리고 그 반대의 경우를 야기하는 경향이 있다.

LEBT 의 벤딩 자석은, 빔을 가속기 축선 상으로 편향 및 집중시키며, 따라서 이온 소스의 자기장을 통한 이송 도중의 임의의 빔 옵셋 및 편향을 보상한다. 예비-가속기와 고-전압 가속기의 축선들 사이의 옵셋은, 함께 흐르는 입자들의 고-전압 가속기로의 유입을 감소시키며 그리고 상당히 가속된 입자들(양이온들 및 중성자들)이 예비-가속기 및 이온 소스 내로 역류하는 것을 방지한다. 또한, 빔 집중은, 복수-구멍 그리드 시스템에 비교되는 가속기에 들어가는 빔의 균질성을 가능하게 한다.

중화기는 플라즈마 중화기 및 광자 중화기를 포함한다. 플라즈마 중화기는, 벽들에 높은 자기장의 영구자석을 구비한 복수-첨점 플라즈마 구속 시스템에 기초하고 있다. 광자 중화기는, 고반사성 벽들을 구비한 원통형 캐비티에 기초하며 그리고 고효율 레이저와 함께 펌핑하는 광자 트랩이다. 이러한 중화기 기술들은 대형 중성 빔 입사장치에서의 적용들을 위해 고려된 적이 없다.

예시적인 실시예들의 다른 시스템들, 방법들, 특징들, 및 이점들이, 하기의 도면들 및 상세한 설명에 대한 고찰에 따라, 본 기술분야의 숙련자에게 명백하거나 명백해질 것이다.

구조 및 작동을 포함하는, 예시적인 실시예의 상세한 설명은, 유사한 도면 부호들가 유사한 부품들을 지칭하는 첨부되는 도면의 연구에 의해 부분적으로 얻어질 수 있다. 도면들에서의 구성요소들은 반드시 축적에 맞는 것은 아니며, 대신에 강조부가 본 발명의 원리를 예시하도록 나타날 수 있을 것이다. 더욱이, 모든 도시들은 개념을 전달하도록 의도되었으며, 거기에서 상대적 크기들, 형상들, 및 다른 상세한 특징들은 문자 그대로 또는 정밀하게 보다는 개략적으로 도시될 수 있ㅇ을 것이다.
도 1은 음이온-기반 중성 빔 입자장치 레이아웃의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 음이온-기반 중성 빔 입자장치의 부분 절개된 등각 도면이다.
도 3은 ITER 토코막을 위한 중성자의 고-출력 입사장치의 평면도이다.
도 4는 JET 중성 빔 임사장치를 위한 주변 다극 자기장을 갖는 방전 챔버의 등각 부분 절개 도면이다.
도 5는 중성 H 원자 및 양의 H 분자로 Mo + Cs 표면에 충격을 가함에 의해 형성되는 음이온들의 일체형 수득율을 입사 에너지의 함수로서 도시한 도면이다. 수득율은 단지 표면만을 예비 세슘처리하는 것에 비해 DC 세슘처리를 사용함으로써 증대된다.
도 6은 LHD 를 위한 음이온 소스의 평면도이다.
도 7은 LHD 소스를 위한 복수-구멍 이온-광학 시스템의 개략도이다.
도 8a 및 8b는 LHD 중성 빔 입사장치의 평면도 및 측면도이다.
도 9는 이온 소스의 단면도이다.
도 10은 저에너지 수소 원자 소스의 단면도이다.
도 11은 저에너지 구역에서 H^- 이온들의 궤적들을 도시한 그래프이다.
도 12는 가속기의 등각 도면이다.
도 13은 가속 튜브 내에서의 이온 궤적들을 도시한 그래프이다.
도 14는 4극(quadrupole) 렌즈들 3중체의 등각도이다.
도 15는 고에너지 빔 이송 라인의 가속기에서의 이온 궤적들의 평면도(a) 및 측면도(b)를 도시한 그래프이다.
도 16은 플라즈마 표적 배열에 대한 등각 도면이다.
도 17은 회복기에서의 이온 빔 감속에 대한 2차원 계산의 결과를 도시한 그래프이다.
유사한 구조들 또는 기능들을 갖는 요소들는 일반적으로 도면 전체를 통해 도시 목적 상 유사한 도면부호들에 의해 지시된다는 것을 알아야 한다. 또한, 도면은 바람직한 실시예들의 설명을 용이하게 하기 것으로만 의도된다는 것을 알아야 한다.

아래에 개시되는 각각의 추가적인 특징들 및 교시들은, 신규한 음이온-기반 중성 빔 입사장치를 제공하기 위해 다른 특징들 및 교시들과는 별개로 또는 함께 사용될 수 있다. 다수의 이러한 추가적인 특징들 및 교시들을 별개로 그리고 조합으로 모두 사용하는, 여기에 설명된 실시예들의 대표적인 예들이 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세히 설명될 것이다. 이러한 상세한 설명은 단지 본 기술분야의 숙련자에게 본 교시의 바람직한 양태를 실시하기 위한 추가적인 상세한 내용을 교시하고자 하는 것이며, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 따라서 하기의 상세한 설명에 개시되는 특징들과 단계들의 조합은, 본 발명을 가장 광범위한 관점에서 실행하는데 필요하지 않을 수 있으며, 대신에 본 교시의 대표적인 예를 단순히 특별하게 설명하기 위해 교시한다.

더욱이, 대표적인 예들 및 종속항들의 다양한 특징들은, 본 교시의 추가적인 유용한 실시예들을 제공하기 위해, 구체적으로 그리고 명쾌하게 열거되지 않는 방법으로 조합될 수 있다. 부가적으로, 상세한 설명 및/또는 청구범위에 개시된 모든 특징은, 실시예 및/또는 청구범위의 특징들의 구성과는 독립적인 청구된 대상을 제한하기 위해서 뿐만 아니라, 본래 개시의 목적을 위해 별개로 또는 서로 독립적으로 개시되도록 의도되었다는 것을 명확히 알아야 한다. 또한, 모든 값의 범위들 또는 실체들의 그룹들의 표시들은, 청구된 대상을 제한할 목적 뿐만 아니라, 본래 개시의 목적을 위한 모든 가능한 중간값 또는 중간 실체를 개시한다는 것을 명확히 알아야 한다.

여기에 제공된 실시예들은, 바람직하게 약 500-1000 keV 의 에너지 및 높은 전체적 에너지 효율을 갖는, 신규한 음이온-기반 중성 빔 입사장치에 관한 것이다. 음이온-기반 중성 빔 입사장치(100)의 실시예의 바람직한 배열이, 도 1 및 2에 도시된다. 도시된 바와 같이, 입사장치(100)는, 이온 소스(110), 게이트 밸브(120), 저에너지 빔 라인을 편향시키기 위한 편향 자석들(130), 절연 지지체(140), 고에너지 가속기(150), 게이트 밸브(160), (개략적으로 도시된) 중화기 튜브(170), (개략적으로 도시된) 분리 자석(180), 게이트 밸브(190), 펌핑 패널들(200, 202), [하기에 논의되는 진공 용기(250)의 부분인] 진공 탱크(210), 저온흡착(cryosorption) 펌프(220), 및 4극 렌즈들의 3중체(230)를 포함한다. 기재된 바와 같이, 입사장치(100)는, 약 0.50 내지 1.0 MeV 의 에너지를 갖는 약 5 MW 중성 빔을 생성하기 위해, 이온 소스(110), 가속기(150), 및 중화기(170)를 포함한다. 이온 소스(110)는 진공 탱크(210)의 내부에 위치하게 되며, 9 A 음이온 빔을 생성한다. 진공 탱크(210)는 지면에 대해 880 kV 로 바이어스되며 그리고 SF₆ 가스로 채워진 대직경 탱크(240) 내부의 절연 지지체(140) 상에 설치된다. 이온 소스에 의해 생성되는 이온들은, 고에너지 가속기(150) 내로의 입사 이전에, 이온 소스(110) 내의, 플라즈마로부터 이온 빔을 추출하며 그리고 요구되는 빔 에너지의 일부 분율을 가속하기 위해 사용되는 정전 복수 구멍 그리드 예비-가속기(111)에 의해 120 keV 로 예비-가속된다. 이온 소스(110)로부터의 120 keV 빔은, 빔이 고에너지 가속기(150)에 들어가기 이전에 축선으로부터 시프트되도록 할 수 있는, 한 쌍의 편향 자석(130)을 통과한다. 편향 자석들(130) 사이에 도시되는 펌핑 패널(202)은 파티션 및 세슘 트랩을 포함한다.

이온 소스(110)의 가스 효율은 약 30 % 인 것으로 가정된다. 9 - 10 A 의 투사된 음이온 빔 전류는, 이온 소스(110)의 6 - 7 IㆍTorr/s 가스 퍼프(gas puff)에 대응한다. 이온 소스(110)로부터 흐르는 중성 가스는 약 2 ×10^-4 Torr 의 예비-가속기(111) 내의 평균 압력까지 축적된다. 이 압력에서, 중성 가스는, 예비-가속기(111)의 내부에서 이온 빔의 ∼10 % 스트리핑 손실을 야기한다. 편향 자석들(130) 사이에, 1차 음이온 빔으로부터 발생하는 중성 입자들을 위한 (도시되지 않은) 집적부들(dump)들이 있다. 또한, 고에너지 가속기(150)로부터 역류하는 양이온들을 위한 (도시되지 않은) 집적부들도 있다. 펌핑 패널(200)과는 상이한 펌핑을 갖는 저에너지 빔 이송 라인 구역(205)이, 가스가 고에너지 가속기(150)에 도달하기 이전에 가스 압력을 ∼10^-6 Torr 까지 감소시키기 위해, 예비-가속 직후에 사용된다. 이것은 추가적인 ∼5 % 빔 손실을 유발하지만, 이러한 손실은 낮은 예비-가속 에너지에서 발생하기 때문에, 출력 손실은 비교적 적다. 고에너지 가속기(150) 내에서의 전하 교환 손실은 10^-6 Torr 배경 압력에서 1 % 아래이다.

1 MeV 의 최대 에너지까지의 가속 이후에, 빔은, 빔이 부분적으로 중성 빔으로 변환되는 중화기(170)에 들어간다. 나머지 이온 종들은 자석(180)에 의해 분리되고, (도시되지 않은) 정전 에너지 변환기 내로 지향하게 된다. 중성 빔은 게이트 밸브(190)를 통과하며 그리고 플라즈마 챔버(270)에 들어간다.

진공 용기(250)는 2개의 섹션으로 나누어져 있다. 하나의 섹션은, 제1 진공 탱크(210) 내에 예비-가속기(111) 및 저에너지 빔 라인(205)을 수용한다. 다른 섹션은 제2 진공 탱크(255) 내에 고에너지 빔 라인(265), 중화기(170), 하전된 입자 에너지 변환기/회복기를 수용한다. 진공 용기(250)의 섹션들은 챔버(260)를 통해 내측의 고에너지 가속기 튜브(150)와 연결된다.

제1 진공 탱크(210)는 예비-가속기(111)와 저에너지 빔 라인(205)의 진공 경계부이며, 그리고 대직경의 탱크 또는 외측 용기(240)는 고전압 절연을 위해 SF₆ 가스로 가압된다. 진공 탱크들(210, 255)은, 자석들(130), 저온흡착 펌프(220) 등과 같은, 내부 장비를 위한 지지 구조물로서 작용한다. 내측의 내열 구성요소들로부터의 열 제거가 냉각 튜브들에 의해 달성될 것이며, 냉각 튜브들은 880 kV 로 바이어스되는 제1 진공 탱크(210)의 경우에 절연 단절부들(insulation breaks)을 가져야만 한다.

이온 소스

이온 소스(110)의 개략적인 도면이 도 9에 도시되어 있다. 이온 소스는, 정전 복수 구멍 예비-가속기 그리드(111), 세라믹 절연기들(112), RF-타입 플라즈마 드라이버들(113), 영구자석들(114), 플라즈마 박스(115), 냉각수 채널 및 매니폴드들(116), 및 가스 밸브들(117)을 포함한다. 이온 소스(110)에서, 플라즈마 예비-가속기 그리드(111)의 세슘처리된 몰리브덴 표면이, 영구자석(114)에 의해 제공되는 바와 같은 자기-다극-버킷 봉쇄를 동반하는 플라즈마 팽창 용적[도 9에 "PE"로 명명되는 브래킷에 의해 지시되는, 드라이버들(113)과 그리드들(111) 사이의 용적]에서, 플라즈마 드라이버들(113)에 의해 형성되는 양이온들 및 중성 원자들을 음이온들로 변환시키기 위해 사용된다.

플라즈마 예비-가속기 그리드(111)로의 전자들의 수집을 위한 위한 양의 바이어스 전압이, 음이온 생성을 위해 최적화된 상태로 인가된다. 플라즈마 예비-가속기 그리드들(111) 내의 구멍들(111B)의 기하학적 형상은 H^- 이온을 추출 그리드의 구멍들(111B) 내로 집중시키기 위해 사용된다. 외부 영구자석들(114)에 의해 생성되는 작은 횡단 자기 필터가, 플라즈마 박스(115)의 드라이버 구역 또는 플라즈마 이미터 구역(PE)으로부터 플라즈마 박스(115)의 추출 구역(ER)으로 확산되는 전자들의 온도를 감소시키기 위해 사용된다. 플라즈마 내의 전자들은, 외부 영구자석들(114)에 의해 생성된 작은 횡단 자기 필터 자기장에 의해 추출 구역(ER)으로부터 다시 반사된다. 이온들은, 이온 소스(110) 내의 플라즈마 정전 복수-구멍 예비-가속기 그리드(111)에 의한 고에너지 가속기(150) 내로의 입사 이전에, 120 keV 까지 가속된다. 고에너지로의 가속 이전에, 이온 빔은 약 35 cm의 직경이다. 따라서 이온 소스(110)는, 예비-가속기 플라즈마 그리드(111)에서 33 % 투명도를 가정하면, 구멍들(111B)에서 26 mA/cm² 을 생성해야만 한다.

플라즈마 박스(115)에 공급되는 플라즈마는, 바람직하게 원통형의 수냉식 구리 챔버(직경이 700 mm 이고 길이가 170 mm)인 플라즈마 박스의 후방 플랜지(115A) 상에 설치되는 특정 배열의 플라즈마 드라이버들(113)에 의해 생성된다. 플라즈마 박스(115)의 개방 단부는 추출 및 가속 시스템의 예비-가속기 플라즈마 그리드(111)에 의해 둘러싸인다.

음이온들은, 얇은 세슘층으로 덮이는 예비-가속기 플라즈마 그리드(111)의 표면 상에 생성되는 것으로 가정된다. 세슘은 (도 9에는 도시되지 않은) 세슘 공급 시스템의 사용에 의해 플라즈마 박스(115) 내로 도입된다.

이온 소스(110)는, 1차 전자 및 플라즈마 구속을 위한 라인 첨점 형태를 형성하기 위해 영구자석들(114)에 의해 둘러싸인다. 플라즈마 박스(115)의 원통형 벽 상의 자석 컬럼들(114A)은, 또한 라인-첨점 형태 내에 있는 자석들(114B)의 열에 의해 후방 플랜지(115A)에 연결된다. 플라즈마 그리드(111)의 평면에 가까운 자기 필터가, 플라즈마 박스(115)를 플라즈마 이미터(PE)와 추출 구역(ER)으로 분할한다. 필터 자석들(114C)은 이온 드라이버들(113)로부터 나오는 활성 1차 전자들이 추출 구역(ER)에 도달하는 것을 방지하도록 작용하는 횡단 자기장(중심에서 B = 107 G)을 제공하기 위해, 플라즈마 그리드(111)에 가까운 플랜지(111A)에 설치된다. 그러나, 양이온들 및 저에너지 전자들은 필터를 가로질러 추출 구역(ER) 내로 확산될 수 있다.

전극 추출 및 예비-가속 시스템(111)은 5개의 전극(111C, 111D, 111E, 111F, 111G)을 포함하며, 이들은 각각 자체를 통해 직교하여 형성되며 그리고 음이온 빔을 제공하기 위해 사용되는 142 개의 홀 또는 구멍(111B)을 갖는다. 추출 구멍들(111B)은 직경이 각각 18 mm 이며, 따라서 142 개의 추출 구멍의 전체 이온 추출 면적은 약 361 cm²이다. 음이온 전류 밀도는 25 mA/cm² 이고, 9 A 이온 빔을 생성하기 위해 요구된다. 필터 자석(114C)의 자기장은, 함께 추출된 전자들을 추출 전극들(111C, 111D, 111E)의 구멍들(111B)의 내측 표면의 홈들 상으로 편향시키기 위해, 정전 추출기와 예비-가속기 그리드(111) 사이의 갭들(gap) 내로 연장된다. 자기 필터 자석들(114C)의 자기장은 부가적인 자석들(114D)의 자기장과 함께, 음이온과 함께 추출된 전자들의 편향 및 가로챔을 제공한다. 부가적인 자석들(114D)은 추출 전극들(111C, 111D, 111E)을 포함하는 추출 그리드로부터 하류에 위치하게 되는 가속기 그리드의 가속기 전극들(111F, 111G)의 홀더들 사이에 설치되는 특정 배열의 자석들을 포함한다. 음이온들을 120 keV 의 에너지로 가속시키는 제3 그리드 전극(111E)은, 그리드에 들어가는 역류하는 양이온들을 편향시키기 위해, 접지형 그리드 전극(111D)으로부터 양으로 바이어스된다.

플라즈마 드라이버들(113)은 2개의 변형, 즉, RF 플라즈마 드라이버 및 아크-방전 원자 드라이버를 포함한다. BINP-개발된 아크-방전 아크 플라즈마 발생기가 원자 드라이버에 사용된다. 아크-방전 플라즈마 발생기의 특징이 지향성 플라즈마 제트의 형성으로 이루어진다. 팽창하는 제트 내의 이온들은, 충돌 없이 그리고 ∼5 - 20 eV 의 쌍극성 플라즈마 전위 이득 에너지의 강하에 의한 가속으로 인해, 이동한다. 플라즈마 제트는 변환기의 경사진 몰리브덴 또는 탄탈륨 표면 상으로 지향될 수 있으며(도 10의 도면부호 320 참조), 여기서 제트의 중화 및 반사의 결과로서, 수소 원자의 스트림이 생성된다. 수소 원자들의 에너지는, 플라즈마 박스(115)에 대한 변환기의 음으로의 바이어싱에 의해 초기의 5-20 eV 를 넘어 증가하게 될 수 있다. 그러한 변환기에 의해 강렬한 원자 스트림을 얻는 실험들이, 1982 - 1984 년에 부드커 인스티튜트(Budker Institute)에서 수행되었다.

도 10에서, 저에너지 원자들의 소스의 전개된 배치(300)는, 가스 밸브(310), 캐소드 삽입체(312), 히터로의 전기적 피드 스루(314), 냉각수 매니폴드들(316), LaB6 전자 이미터(318), 및 이온-원자 변환기(320)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 실험들에서, 20-25 A 의 등가 전류 및 20 eV 로부터 80 eV 까지의 범위 내에서 변화하는 에너지를 갖는 수소 원자들의 스트림이, 50 % 보다 높은 효율로 생성되었다.

그러한 소스는, 플라즈마 그리드(111)의 세슘처리된 표면 상에서의 음이온의 효율적인 생성에 최적화된 에너지를 갖는 원자들을 공급하기 위해, 음이온 소스에 사용될 수 있다.

저에너지 빔 이송 라인

생성된 그리고 저에너지 빔 이송 라인(205)을 따르는 그들의 통로 상에서 이온 소스(110)에 의해 120 keV 의 에너지로 예비-가속된 H^- 이온은, 이온 소스(110)의 주변 자기장에 의한 그리고 2개의 특수한 쐐기-형상의 벤딩 자석들(130)에 의한 이탈과 더불어, 그들의 이동 방향과 직교하여 440 mm 까지 변위된다. (도 11에 도시된 바와 같이) 저에너지 빔 이송 라인(205)에서의 음이온 빔의 이러한 변위는, 이온 소스(110)와 고에너지-가속기 구역(150)을 분리시키기 위해 제공된다. 이 변위는, 가속 튜브(150) 내의 잔류 수소 상에서의 H^- 빔의 스트리핑으로부터 유래되는 빠른 원자들의 관통을 회피하기 위해, 이온 소스(110)로부터 가속 튜브(150)로의 세슘 및 수소의 스트림을 감소시키기 위해, 그리고 또한 가속 튜브(150)로부터 이온 소스(110)로의 2차 이온 플럭스의 억제를 위해 사용된다. 도 11에, 저에너지 빔 이송 라인에서의 H^- 이온의 계산된 궤적들이 도시된다.

고에너지 빔 덕트

저에너지 빔 라인으로부터 나오는 저에너지 빔은, 도 12에 도시된 통상적인 정전 복수 구멍 가속기(150)에 들어간다.

공간 전하 기여를 고려한 9 A 음이온 빔 가속의 계산 결과가 도 13에 도시된다. 이온들은 120 keV 에너지로부터 최대 1 MeV 까지 가속된다. 튜브(150) 상의 가속 전위는 880 kV 이며, 전극들 사이의 전위 단계는 110 kV 이다.

계산은, 자기장 강도(field strength)가, 최적화된 가속 튜브(150) 내의 전자 방전의 전개가 가능한 구역들 내의 전극들 상에서, 50 kV/cm 을 초과하지 않는 것을 나타내고 있다.

가속 이후에, 빔은, 가속 튜브(150)의 출구 상에서의 미세한 빔 촛점이탈(defocusing)을 보상하기 위해 그리고 출구 포트 상에서 바람직한 크기를 갖는 빔을 형성하기 위해 사용되는, 산업적으로 통상적인 4극 렌즈들(231, 232, 233)의 3중체(230)(도 14)를 통과한다. 상기 3중체(230)는 고에너지 빔 이송 라인(265)의 진공 탱크(255)의 내부에 설치된다. 각각의 4극 렌즈(231, 232, 233)는, 현대의 통상적인 입자 가속기에서 발견되는 바와 같은, 통상적인 집속 자기장(magnetic focusing field)을 생성하는 4극 전자석의 통상적인 세트를 포함한다.

가속 튜브(150), 4극 렌즈들의 3중체(230), 및 고에너지 빔 이송 라인(265)내에서 12 eV 의 횡단 온도를 갖는 9 A 음이온 빔의 계산된 궤적들이 도 15에 도시된다. 계산은 빔의 초점을 너머의 빔을 따른다.

6 A 등가 전류를 갖는 중성 빔의 계산된 직경은, 중화기 이후의 12.5 m 의 거리에서, 방사방향 윤곽의 절반-높이에서 140 mm 이고, 95 % 의 빔 전류는 180 mm 직경 원주 내에 있다.

중화

빔 시스템을 위해 선택된 광이탈(photodetachment) 중화기(170)는 이온 빔의 95 % 초과의 스트리핑을 달성할 수 있다. 중화기(170)는, 특정 배열의 제논 램프들 및 요구되는 광자 밀도를 제공하기 위한 고반사성 벽들을 갖는 원통형 광 트랩(light trap)을 포함한다. 0.99 보다 큰 반사율을 갖는 냉각된 거울들이, 약 70 kW/cm² 의 벽들 상의 전력 플럭스을 수용하기 위해 사용된다. 대안으로, 통상적인 기술을 사용하는 플라즈마 중화기가 대신 사용될 수 있지만, 그러나 효율의 미세한 감소를 감내해야 한다. 그럼에도 불구하고, 예측되는 바와 같이 에너지 회수 시스템이 > 95 % 의 효율을 갖는다면, 플라즈마 전지의 ∼85 % 중화 효율은 매우 충분하다.

플라즈마 중화기에서 플라즈마는 벽들에 다극 자기장을 갖는 원통형 챔버(175) 내에 구속되며, 다극 자기장은 특정 배열의 영구 자석들(172)에 의해 생성된다. 구속 장치의 일반적인 도면이 도 16에 도시된다. 중화기(170)는 냉각수 매니폴드들(171), 영구 자석들(172), 캐소드 조립체들(173), 및 LaB6 캐소드(174)를 포함한다.

원통형 챔버(175)는 1.5 - 2 m 의 길이이며, 그리고 빔 통과를 위해 단부들에 개구들을 갖는다. 플라즈마는 원통형 챔버(175)의 중심에 설치되는 여러 개의 캐소드 조립체(173)를 사용하여 생성된다. 작동 가스가 장치(170)의 중심에 가깝게 공급된다. 그러한 플라즈마 중화기(170)의 원형(prototype)을 구비한 실험들에서, 벽들에서의 다극 자기장(172)에 의한 전자들의 구속는 충분히 좋으며 그리고 플라즈마 이온들의 구속 보다 상당히 더 좋은 것으로 관찰되었다. 이온과 전자 손실을 동등하게 하기 위해, 상당한 음전위가 플라즈마 내에 전개되며, 따라서 이온들이 전기장에 의해 효과적으로 구속된다.

합리적으로 긴 플라즈마 구속은, 중화기(170) 내에 약 10¹³cm^-3 플라즈마 밀도를 지속시키기 위해 요구되는 방전의 비교적 낮은 전력을 야기한다.

에너지 회복

우리의 상태에서 높은 출력 효율의 달성을 위한 객관적인 이유가 있다. 무엇보다도 먼저, 이온 빔의 상대적으로 작은 전류 및 저에너지 확산이다. 플라즈마 또는 증기-금속 표적들의 사용을 동반하는, 본 명세서에서 설명되는 개요에서, 이온들의 잔류 전류는 중화기 이후에 ∼3 A 일 것으로 예상될 수 있다. 양전하 또는 음전하를 갖는 거절된 이온들의 이러한 스트림들은, 편향 자석(180)을 경유하여 각각 양이온들과 음이온들을 위한 것인 2개의 에너지 회복기로 개별적으로 방향 전환될 것이다. 공간-전하 보상 없이 회복기들 내부의 직접 변환기에서 전형적으로 1 MeV 에너지 및 3 A 를 갖는 이러한 거절된 잔류 이온 빔의 감속에 대한 수치 시뮬레이션이 실행되었다. 직접 변환기는 거절된 잔류 이온 빔 내에 수용되는 에너지의 실질적인 부분을 직접적으로 전기로 변환하며 그리고 에너지의 나머지를 열 사이클에 통합을 위한 고품질 열로서 공급한다. 직접 변환기는 정전 복수 구멍 감속기의 설계를 따르며, 그에 따라 충전된 전극들의 연속적인 섹션들이 길이방향의 단절 필드들을 생성하며 그리고 이온들의 운동 에너지를 흡수한다.

도 17은 변환기에서의 이온 빔 감속의 2차원 계산의 결과를 도시하고 있다. 제공된 계산으로부터, 1 MeV 에너지를 갖는 이온 빔의 30 keV 에너지까지의 감속이 상당히 실현 가능하며, 따라서 96∼97 % 의 회복 계수의 값이 달성될 수 있다.

음이온에 기초한 고출력 중성 빔 입사장치의 앞선 개발 시도들이, ∼ 1 MeV 및 수 MW 출력의 안정적인 정상 상태 작동을 동반하는 입사장치의 달성을 방해하는 중대한 이슈들을 드러내기 위해, 분석되었다. 그 중에서도 가장 중요한 것은 다음과 같다.

● 세슘층의 제어, 및 손실 그리고 재증착(온도 제어, 등).

● 추출을 위한 음이온들의 표면 생성의 최적화.

● 함께 흐르는 전자들의 분리.

● 내부 자기장들로 인한 플라즈마 그리드에서의 이온 전류 윤곽의 불균일성.

● 낮은 이온 전류 밀도.

● 가속기들이 복잡하며 그리고 많은 새로운 기술이 아직까지 개발되고 있ㄴ는 중이라는 것(저전압 유지 용량, 대형 절연기, 등).

● 역류 양이온들.

● 진보된 중화기 기술들(플라즈마, 광자)이 관련 상태들을 시연하지 못한다는 것.

● 에너지 변환이 충분히 개발되지 않았다는 것.

● 덕트에서의 빔 차단

본 명세서에서 제공되는 문제점들에 대한 혁신적인 해결책들은, 이들이 함께 연결되는 시스템에 따라, 즉 음이온 소스, 추출/가속, 중화기, 에너지 변환기, 등으로 그룹화될 수 있다.

1.0 음이온 소스(110):

1.1. 플라즈마 박스(115) 내벽들 및 플라즈마 드라이버들(113)은 그들의 표면 상에서의 세슘 축적을 방지하기 위해 상승된 온도(150 - 200 ℃)에서 머무른다.

상승된 온도는:

- 탈착/스퍼터링으로 인한 제어되지 않은 세슘 해방 및 이온 광학 시스템[그리드들(111)] 내로의 세슘의 관통을 방지하며,

- 벽들에서 세슘층 내의 수소 원자들의 흡착 및 재조합을 감소시키며,

- 세슘의 소비 및 중독을 감소시킨다.

이를 달성하기 위해, 고온 유체가 모든 구성요소들을 통해 순환된다. 표면들의 온도는 능동 피드백 제어를 통해 추가로 안정되며, 즉 CW 작동 및 전이 체계 도중에 열이 제거되거나 또는 부가된다. 이러한 접근법과는 달리, 현존하는 그리고 계획된 다른 모든 빔 입사장치들은, 냉각수 튜브들과 고온 전극 본체들 사이에서의 수냉 및 열적 단절(thermal break)을 동반하는 수동적인 시스템들을 사용한다.

1.2. 세슘은, 플라즈마가 아니라, 플라즈마 그리드(111)의 표면 상에 직접적으로 분배 매니폴드를 통해 공급된다.

분배 매니폴드를 통한 세슘의 공급은,

- 빔이 존재하는 모든 시간 도중에, 제어된 그리고 분배된 세슘 공급을 제공하고,

- 전형적으로 플라즈마에 의한 차단으로 인한 세슘 부족을 방지하며,

- 장 펄스들 도중의 세슘의 축적 및 차단 해제 이후, 플라즈마로부터의 세슘 해방을 감소시킨다.

그에 반해, 기존의 이온 소스들은 세슘을 방전 챔버 내로 직접 공급한다.

2.0 예비-가속기(100-keV)(111):

2.1. 이온 추출 및 예비-가속 구역에서 함께 추출된 전자를 편향시키기 위해 사용되는 자기장은, 종래의 설계에서 채택한 바와 같이 그리드 본체 내에 매립되는 자석들에 의해서가 아니라, 외부 자석들에 의해 생성된다.

- 그리드들 사이의 고-전압 갭들 내에서의 자력선들은 어디에서나, 음으로 바이어스된 그리드들을 향해, 즉 추출 갭 내의 플라즈마 그리드를 향해 그리고 예비-가속 갭 내의 추출 그리드를 향해, 오목하게 된다. 음으로 바이어스된 그리드들을 향한 자력선의 오목함은, 매립된 자석들을 갖는 구성들에서 발생할 수 있는 바와 같이, 고-전압 갭들 내의 국부적인 페닝 트랩(Penning trap)의 출현 및 함께 추출된 전자들의 포획(trapping)/증식을 방지한다.

- 매립형 "저온" NIB 자석들이 없는 이온 광학 시스템(ion optical system)(IOS)[그리드(111)]의 전극들은, 상승된 온도(150 - 200 ℃)까지 가열될 수 있으며, 그리고 고온(100 - 150 ℃) 액체의 사용에 의한 장 펄스 도중의 열 제거를 허용한다.

- 매립형 자석들의 부존재는, 그리드들의 방출 구멍들 사이의 공간을 절약하며, 그리고 더욱 효과적인 전극 가열/냉각 채널들의 도입을 허용한다.

그에 반해, 앞선 선계들은 그리드 본체 내에 매립되는 자석들을 사용하고 있다. 이것은, 함께 추출되는 전자들을 포착 및 증식시키는 고전압 갭들 내에서의 정적 자기-전기 트랩들의 생성으로 이어진다. 이것은 추출된 빔 전류의 현저한 감소를 야기할 수 있다. 또한, 이것은, 장-펄스 작동을 위해 중요한, 적절한 가열/냉각 성능뿐만 아니라, 상승된 온도 작동을 방해한다.

2.2. 이온-광학 시스템[그리드(111)]의 모든 전극들은, 그들의 표면에서의 세슘 축적을 방지하기 위해 그리고 추출 및 예비-가속 갭들의 고-전압 강도를 증가시키기 위해, 항상 상승된 온도(150 - 200 ℃)에서 유지된다. 그에 반해, 종래의 설계들에서, 전극들은 물에 의해 냉각된다. 전극들은, 냉각수 튜브들와 전극 본체들 사이의 열적 단절이 존재하기 때문에 상승된 온도를 가지며, 그리고 능동적인 피드백은 없다.

2.3 빔이 존재하는 상태 도중의 열 제거 및 시동 시의 그리드들(111)의 초기 워밍업은, 그리드들(111)의 내부의 내부 채널들을 통해 고온 액체를 제어 가능한 온도로 순환시킴으로써 수행된다.

2.4. 가스가, 빔 라인을 따라 가스 압력을 감소시키기 위해 그리고 갭들 내에서의 2차 입자들의 음이온 스트리핑 및 생성/증식을 억제하기 위해, 그리드 홀더들의 측부 공간 및 큰 개구들을 통해 예비-가속 갭으로부터 추가로 펌핑되어 나간다.

2.5. 양으로 바이어스된 그리드들(111)을 포함하는 것은 역류하는 양이온들을 밀어내기 위해 사용된다.

3.0 고전압(1 MeV) 가속기(150):

3.1 고전압 가속기(150)는 이온 소스에 직접적으로 결합되지 않지만, 벤딩 자석(130)들, 진공 펌프들, 및 세슘 트랩들을 갖는 전이 구역[저 에너지 빔 이송 라인)(LEBT)(205)]에 의해 이온 소스로부터 이격된다.

전이 구역은:

- 전자들, 광자들, 및 중성자들을 포함하는, 대부분의 함께 흐르는 입자들을 빔으로부터 가로채고 제거하며,

- 이온 소스(110)로부터 배출되는 가스를 펌핑하며 그리고 이것이 고-전압 가속기(150)에 도달하는 것을 방지하며,

- 세슘이 이온 소스(110) 밖으로 흘러나오는 것 및 고-전압 가속기(150)를 관통하는 것을 방지하고,

- 음이온 스트리핑에 의해 생성된 전자들 및 중성자들이 고-전압 가속기(150)에 들어가는 것을 방지한다.

앞선 설계들에서, 이온 소스는 고-전압 가속기에 직접 연결된다. 이것은, 고-전압 가속기가 이온 소스로부터의 모든 가스, 하전된 입자, 및 세슘 흐름에 종속되도록 야기하며 그리고 그 반대의 경우도 야기한다. 이러한 강력한 간섭은 고-전압 가속기의 전압 유지 능력을 감소시킨다.

3.2. LEBT(205) 내의 벤딩 자석(130)은 빔을 편향시키고 가속기 축선 상으로 집중시킨다. 벤딩 자석(130)은:

- 이온 소스(110)의 자기장을 통해 이송 도중에 임의의 빔 옵셋 및 편향을 보상하며,

- 예비-가속기(111) 및 고-전압 가속기(111)의 축선들 사이의 옵셋이, 고-전압 가속기(150)로의 함께 흐르는 입자들의 유입을 감소시키며, 그리고 상당히 가속된 입자들(양이온들 및 음이온들)이 예비-가속기(111) 및 이온 소스(110) 내로 역류하는 것을 방지한다.

그에 반해, 앞선 시스템들은 가속기 스테이지들 사이의 물리적 분리를 갖지 않으며, 그에 따라 본 명세서에서 특징으로 하는 바와 같은 축방향 옵셋들을 허용하지 않는다.

3.3. 저에너지 빔 라인(205)의 자석들은 빔을 단일 구멍 가속기(150)의 입구 내로 집중시킨다.

- 빔 집중은, 복수-구멍 그리드 시스템에 비교되는 가속기(150)에 들어가는 빔의 균질성을 가능하게 한다.

3.4. 단일 구멍 가속기의 적용은:

- 시스템 정렬 및 빔 집중을 단순화하며,

- 고에너지 가속기(150)로부터의 2차 입자 제거 및 가스 펌핑을 용이하게 하며,

- 고에너지 가속기(150)의 전극들 상에서의 빔 손실을 감소시킨다.

3.5. 자기 렌즈들(230)이 가속 이후에 가속기(150)에서의 과잉 집중을 보상하기 위해 그리고 준-평행(quasi-parallel) 빔을 형성하기 위해 사용된다.

통상적인 설계들에서, 가속기 자체를 제외하고는, 빔 집중 및 편향을 위한 수단이 없다.

4.0 중화기(170):

4.1. 벽들에 높은 자기장의 영구 자석들을 갖는 복수-첨점 플라즈마 구속 시스템에 기초한 플라즈마 중화기는:

- 중화 효율을 증가시키고,

- 전체적인 중성 빔 입사장치 손실을 최소화한다.

이러한 기술들은 대형 중성 빔 입사장치들에서의 적용을 위해 고려된 적이 없다.

4.2. 광자 중화기 - 고반사성 벽들을 갖는 원통형 캐비티에 기초하며 고효율 레이저로 펌핑하는 광자 트랩은:

- 중화 효율을 추가로 증가시키며,

- 전체적인 중성 빔 입사장치 손실을 추가로 최소화한다.

이러한 기술들은 대형 중성 빔 입사장치에서의 적용을 위해 고려된 적이 없다.

5.0 회복기:

5.1. 잔류 이온 에너지 회복기(들)의 적용은:

- 입사장치의 전체적인 효율을 증가시킨다.

그에 반해, 회복은 통상적인 설계들에서 전혀 예상되지 않는다.

본 발명은 다양한 수정들, 및 대안적인 형태들을 허용하는 가운데, 그들의 구체적인 예들이 도면에 도시되었으며 그리고 본 명세서에서 상세히 설명되었다. 모든 참조문헌은 그 전체로서 본 명세서에 구체적으로 통합된다. 그러나, 본 발명은 개시된 특정 형태 또는 방법에 국한되지 않으며, 그에 반해 본 발명은 첨부된 청구범위의 사상 및 범위 내에 속하는 모든 수정들, 균등물들, 및 대안들을 커버한다는 것을 이해해야 될 것이다.

Claims

음이온 기반 빔 입사장치로서,
음이온 빔을 생성하도록 구성되는 이온 소스로서, 이온 추출 및 예비 가속 영역에서 함께 추출된 전자를 편항시키는 외부 자석을 갖는 예비 가속기를 포함하고, 상기 예비 가속기는 복수의 전극을 갖는 정전기 그리드를 포함하며, 상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 전극은 역류하는 양이온을 밀어내도록 양으로 바이어스되는 것인 이온 소스; 및
상기 예비 가속기로부터 이격된 가속기
를 포함하는 음이온 기반 빔 입사장치.
제1항에 있어서,
상기 이온 소스 및 상기 가속기 사이에 위치되는(interposing) 전이 구역을 더 포함하는 음이온 기반 빔 입사장치.
제2항에 있어서,
상기 전이 구역은 저 에너지 빔 이송 라인을 포함하는 것은 음이온 기반 빔 입사장치.
제3항에 있어서,
상기 저 에너지 빔 이송 라인은 세슘 트랩을 포함하는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제3항에 있어서,
상기 저 에너지 빔 이송 라인은 벤딩 자석을 포함하고, 상기 벤딩 자석은 그 이동 방향과 직교하게 편향되고 상기 가속기의 축선 상으로 상기 빔을 집중시키는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제1항에 있어서, 상기 이온 소스는 플라즈마 컨테이너 및 플라즈마 드라이버를 포함하는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제2항에 있어서, 상기 이온 소스는 플라즈마 컨테이너 및 플라즈마 드라이버를 포함하는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제6항에 있어서,
상기 플라즈마 컨테이너의 내벽은 150 - 200 ℃의 상승된 온도를 유지하도록 구성되는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제7항에 있어서,
상기 플라즈마 컨테이너의 내벽은 150 - 200 ℃의 상승된 온도를 유지하도록 구성되는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제1항에 있어서,
상기 복수의 전극 각각은 복수의 구멍을 갖는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제10항에 있어서,
상기 예비 가속기의 정전기 그리드 상에 세슘을 직접 공급하기 위한 분배 매니폴드를 더 포함하는 음이온 기반 빔 입사장치.
제1항에 있어서,
예비 가속 갭으로부터 가스를 펌핑하여 빼내는 펌핑 시스템을 더 포함하는 음이온 기반 빔 입사장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
예비 가속 갭으로부터 가스를 펌핑하여 빼내는 펌핑 시스템을 더 포함하는 음이온 기반 빔 입사장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 복수의 전극 중 적어도 하나의 전극은 상기 음이온 빔의 음 이온을 예비 가속시키도록 양으로 바이어스되는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제10항 또는 제11항에 있어서,
상기 복수의 구멍은 음이온 빔을 형성하도록 음 이온을 집중시키고 통과시키기 위해 구성되는 것인 음이온 기반 빔 입사장치.
제1항, 제2항 내지 제9항, 제10항, 제11항 및 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 가속기와 서로 연결되는 중화기를 더 포함하는 음이온 기반 빔 입사장치.