Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов

Инжектор пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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, травлении, обработки материалов, 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 того, чтобы получения реакций на основе ионизации электронами и ударной ионизации для дополнительного сдерживания. Поскольку сечение перезарядки падает намного более быстро 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 Alvarez 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 H^- из плазмы для того, чтобы образовывать пучок, аналогично является более сложным, чем для ионов H⁺, поскольку отрицательные ионы сопровождаются гораздо большим током электронов, если только не применяются меры по сдерживанию. Поскольку сечение для столкновительной обдирки электрона из иона H^- для того, чтобы формировать атом, значительно превышает сечение для ионов H⁺ 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 ITER-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, 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:

- 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, показан на фиг.4 [3]. Магнитное поле на периферии плазменного бокса 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 применения 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%.

Процессы неравновесной кинетической поверхностной ионизации предположительно являются намного более эффективными на поверхности и имеют 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 =0,67. Следует отметить, что работа выхода на вольфрамовых поверхностях имеет минимальное значение с покрытием Cs в 0,6 монослоев (на поверхности вольфрамового кристалла 110).

Для разработки источников отрицательных ионов водорода важно, чтобы интегральный выход отрицательных ионов был достаточно высоким, K^-=9-25%, для столкновений атомов водорода и положительных ионов с энергиями 3-25 эВ с поверхностями с низкой работой выхода, таких как Mo+Cs, W+Cs [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 K^-~8%.

В поверхностно-плазменных источниках (SPS) [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 SPS для улучшения формирования отрицательных ионов. Как правило, добавление небольшого количества цезия в разряд дает возможность получать повышение яркости и интенсивности в коллекторе пучков Нˉ. Введение атомов цезия в разряд значительно снижает сопутствующий поток электронов, вытягиваемых с отрицательными ионами.

В SPS 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 SPS при условиях "грязного" газового разряда и интенсивной бомбардировки электродов.

Несколько источников SPS разработаны для больших термоядерных устройств, таких как LHD, JT-60U и для международного (ITER) токамака.

Типичные признаки этих источников могут пониматься при рассмотрении инжектора стелларатора LHD [4], который показан на фиг.6 [4, 6]. Плазма дугового разряда формируется в большой магнитной многополюсной лопастной ограждающей камере с объемом ~100 литров. 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^oC. Плазменный электрод термически изолируется, и его температура определяется посредством плазменного разряда силовых нагрузок.

Четырехэлектродная многоапертурная ионно-оптическая система, которая используется в источнике ионов LHD, показана на фиг.7 [6]. Отрицательные ионы вытягиваются через 770 апертур для излучения с диаметром по 1,4 см. Апертуры занимают область 25⋅125 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 H^- 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 LHD обычно предоставляют ток ионов приблизительно в 30 А с плотностью тока 30 мА/см² в импульсах длительностью в 2 секунды [6]. Главными проблемами для источников ионов LHD 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 LHD 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 секунд, так что каждый источник ионов предоставляет пучок нейтральных частиц в 2,5 МВт. Фиг.8A и B показывают инжектор пучка нейтральных частиц LHD. 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 IPP Garching. 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 A, энергией в ~20 кВ и длительностью в 3600 секунд продемонстрировано IPP в 2011 году.

В настоящее время инжекторы пучка нейтральных частиц высокой энергии, которые разрабатываются для термоядерных устройств следующей ступени развития, таких как, например, ITER-токамак, не демонстрируют устойчивую работу при требуемой энергии в 1 МэВ и работу в установившемся режиме или в режиме незатухающей волны (CW) 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 500-1000 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 секунд 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 A для ITER-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 A 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 таблицы 1.

Таблица 1
	TAE	ITER	JT-60U	LHD	IPP	CEA-JAERI
Плотность тока (А/м2)		200 D-280 H-	100 D-	350 H-	230 D-330 H-	216 D-195 H-
Энергия пучка (кэВ)	1000 H-	1000 D-100 H-	365	186	9	25
Длительность импульса (сек)	≥1000	3600 D-3 H-	19	10	<6	51000
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
Комментарии		Комбинированные числа еще не достигнуты, проводятся полномасштабные эксперименты в IPP Garching - источник длительных импульсов (MANITU) на сегодняшний день обеспечи-вает 1 А/20 кВ в течение 3600 сек при D-	Источник в виде нити накала	Источник в виде нити накала	Радиочастотный источник, неполное вытягивание, испытательный стенд, известный как BATMAN, работает при 2 А/20 кВ в течение ~6 сек	Источник KamabokoIII (JAERI) на MANTIS (CEA)

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 A. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются до 120 кВ 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 плазменного бокса источника ионов (150-200° C), 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 - LEBT) 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 LEBT отклоняют и фокусируют пучок по оси ускорителя и тем самым компенсируют все смещения и отклонения пучка во время транспортировки через магнитное поле источника 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 фотонейтрализатор. 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 применения 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 ITER-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 Mo+Cs нейтральными атомами H и положительным молекулярным H 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 LHD.

Фиг.7 является схематическим видом многоапертурной ионной оптической системы для источника LHD.

Фиг.8A и B являются видами сверху и сбоку инжектора пучка нейтральных частиц LHD.

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 H^- 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 (a) и вид сбоку (b) 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 настоящего 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 A. Вакуумный бак 210 смещается к -880 кВ, т.е. относительно земли, и установлен на изоляционных опорах 140 внутри бака 240 большего диаметра, заполненного газом SF₆. Ионы, сформированные посредством источника ионов, предварительно ускоряются до 120 кВ 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 A соответствует напуску газа 6-7 l⋅Торр/с в источнике 110 ионов. Нейтральный газ, вытекающий из источника 110 ионов, повышает свое среднее давление в предускорителе 111 приблизительно до 2x10^-4 Торр. При этом давлении нейтральный газ приводит к ~10%-ным 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 давление SF₆ 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 те