[发明专利]基于负离子的中性束注入器

说明书

技术领域

本文中公开的主题大体涉及中性束注入器，并且更具体地涉及基于负离子的中性束注入器。

背景技术

直至目前，在磁核聚变研究、材料加工、蚀刻、杀菌和其它应用中使用的中性束均由正离子形成。通过静电场从气体放电等离子提取和加速正氢同位素离子。在加速器的地平面之后，它们进入气室，在此它们既经受电荷交换反应来获取电子且又经受碰撞离子化反应来再次失去电子。由于电荷交换剖面随着增大的能量而比离子化更快地减少，因而厚气室中的平衡中性部分在用于氢粒子的大于60keV的能量下开始快速下降。对于需要比这高得多的能量的氢同位素中性束应用，需要产生和加速负离子，并且然后将它们在薄气室中转换成中性的，这可在直到许多MeV的宽的能量范围上导致大约60％的中性部分。如果使用等离子或光子室来将高能负离子束转换成中性的，那么可获得甚至更高的中性部分。在光子电池的情况(对于该情况，光子能超出氢的电子亲合性)下，中性部分可接近100％。值得注意的是，负离子在加速器物理学中的应用的概念由Alvarez在多于50年前首次陈述[1]。

由于用于电流驱动和在未来的较大核聚变装置上的加热，以及现有装置上的一些应用的中性束需要大大超出利用正离子可获得的能量的能量，因而近年发展了基于负离子的中性束。但是，至今获得的束电流显著少于通过正离子源相当常规地产生的。对于负离子源的关于束电流的较低性能，其物理原因是仅为0.75eV的氢的低电子亲和性。因而，比它们的正配对物更难以产生负氢离子。还十分难以使新生的负离子达到提取区域而不与高能电子的冲突，高能电子将十分可能引起额外的松弛地结合的电子的损失。从等离子提取H^-离子来形成束可能比H⁺离子的情况更复杂，因为负离子将伴随有更大的电子电流，除非采用抑制措施。由于从H^-离子碰撞剥离电子以用来产生原子的剖面比用于H⁺离子从氢分子获得电子的剖面大得多，因而在加速期间转换成中性的离子部分可为相当数量的，除非通过操作处于低压的离子源而使加速器路径中的气体线路密度最小化。在加速期间过早地中性化的离子形成低能量尾部，并且通常具有比经受整个加速度势的那些更大的发散。

加速的负离子束的中性化可利用大约60％的效率在气体靶中实现。等离子和光子靶的使用允许在负离子的中性化效率的进一步增大。注入器的整体能量效率可通过在经过中和器后保留在束中的离子种类的能量恢复而增大。

在图3中显示了用于ITER托卡马克的高功率中性束注入器的示意图，该注入器也典型地用于被考虑的其它反应器等级磁等离子约束系统[2]。注入器的基础构件为负离子的高电流源、离子加速器、中和器、带有离子收集器-恢复器的电荷交换束的带电构件的磁分离器。

为了维持注入器中的需要的真空条件，典型地将高真空泵送系统与大尺寸闸门阀一起使用，该闸门阀将束管与等离子装置切断并且/或者提供对注入器的主元件的接近途径。通过使用可缩进量热靶，以及通过无损光学方法来测量束参数。强大的中性束的产生需要使用对应的功率供应源。

根据产生的原理，负离子源可分成下列集合：

•体积产生(等离子)源-在其中，在等离子的体积中产生离子；

•表面产生源-在其中，离子在电极或专用靶的表面上产生；

•表面等离子源-在其中，离子在与由Novosibirsk group开发的等离子粒子互相作用的电极的表面上产生[3]；和

•电荷交换源-在其中，由于加速的正离子束在不同的靶上的电荷交换，故产生负离子。

为了在与正离子源中相似的现代体积H^-离子源中生成等离子，使用利用热细丝或中空阴极的电弧放电，以及氢中的RF放电。为了放电中的电子约束的改善并且为了对于负离子源而言重要的气体放电隔室中的氢密度的降低，使用磁场中的放电。广泛使用具有外部磁场(即，具有电极的潘宁或磁控管几何结构，具有“反射”放电的纵向磁场中的电子振荡)的系统，和具有外围磁场(多极)的系统。在图4中显示了为了JET的中性束注入器开发的具有外围磁场的放电隔室的剖面图[3]。等离子箱的外围处的磁场通过安装于其外表面上的永磁体而产生。磁体布置成组，在其中磁化方向是不变的或以错列顺序变化，使得磁场线具有接近壁的线性或交错尖端(cusp)的几何结构。