RU2741793C2 - Neutral particle beam based injector based on negative ions - Google Patents
Neutral particle beam based injector based on negative ions Download PDFInfo
- Publication number
- RU2741793C2 RU2741793C2 RU2017115687A RU2017115687A RU2741793C2 RU 2741793 C2 RU2741793 C2 RU 2741793C2 RU 2017115687 A RU2017115687 A RU 2017115687A RU 2017115687 A RU2017115687 A RU 2017115687A RU 2741793 C2 RU2741793 C2 RU 2741793C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- accelerator
- plasma
- energy
- injector
- ion
- Prior art date
Links
Images
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
-
- 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)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
- Particle Accelerators (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnology area
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.The subject matter described herein generally relates to neutral particle beam injectors, and more particularly to a negative ion neutral beam injector.
Предшествующий уровень техникиPrior art
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].In fact, to this day, neutral particle beams used in fusion research, etching, material handling, sterilization, and other applications are formed from positive ions. The positive ions of the hydrogen isotope are drawn and accelerated from the gas-discharge plasma by means of electrostatic fields. Immediately after the grounded plane of the accelerator, they enter the gas cell in which they undergo both charge exchange reactions in order to obtain reactions based on ionization by electrons and impact ionization for additional containment. Since the charge exchange cross section decreases much more rapidly with increasing energy than the ionization cross section, the fraction of equilibrium neutral particles in a thick gaseous cell begins to drop rapidly at energies above 60 keV for hydrogen particles. For applications of a beam of neutral particles based on hydrogen isotope ions that require energies much higher than this, it is necessary to form and accelerate negative ions and then convert them into neutral particles in a thin gaseous element, which can lead to a fraction of neutral particles of about 60% over a wide range energies up to several MeV. Even higher fractions of neutral particles can be obtained if a plasma or photonic element is used to convert high energy negative ion beams into neutral particles. In the case of a photonic element, in which the photon energy exceeds the electron affinity of hydrogen, the proportion of neutral particles can be almost 100%. It should be noted that the idea of using negative ions in accelerator physics was first formulated by Alvarez more than 50 years ago [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.Since beams of neutral particles for excitation and heating by current in large thermonuclear devices of the future, as well as some applications in modern devices, require energies significantly exceeding the range available when using positive ions, in recent years beams of neutral particles based on negative ions have been developed. Nevertheless, the beam currents attained to date are much lower than the beam currents generated in a quite conventional way by means of positive ion sources. The physical reason for the lower productivity of negative ion sources with respect to the beam current is the low electron affinity of hydrogen, which is only 0.75 eV. Consequently, it is much more difficult to form negative hydrogen ions than their positive equivalents. It is also quite difficult for newborn negative ions to reach the stretch region without collisions with high energy electrons, which, with a very high probability, lead to the loss of an excess loosely bound electron. Pulling H - ions out of plasma to form a beam is similarly more difficult than for H + ions, since negative ions are accompanied by a much higher electron current, unless containment measures are in place. Since the cross section for collisional stripping of an electron from an H - ion in order to form an atom significantly exceeds the cross section for H + ions in order to obtain an electron from a hydrogen molecule, the fraction of ions converted to neutral particles during acceleration can be significant if the density of the gas pipeline along the path of the accelerator is not minimized by operating the ion source at low pressure. Ions prematurely neutralized during acceleration form a low energy residue and, in general, have greater divergence than ions that experience full acceleration potential.
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.Neutralization of a beam of accelerated negative ions can be performed in a gas target with an efficiency of approximately 60%. The use of plasma and photonic targets makes it possible to further increase the efficiency of neutralizing negative ions. The overall energy efficiency of the injector can be increased by recuperating the energy of the ion species remaining in the beam after passing through the neutralizer.
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.A schematic diagram of a high power neutral particle beam injector for the ITER tokamak, which is also typical for other considered systems of magnetic plasma confinement in a reactor, is shown in Fig. 3 [2]. The basic components of the injector are a high-current source of negative ions, an ion accelerator, a neutralizer, a magnetic separator of the charged component of the recharged beam with ion receivers / recuperators.
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.To maintain the required vacuum conditions in the injector, a high vacuum pumping system is typically used with large isolation valves that cut off the beam flow from the plasma device and / or provide access to the main elements of the injector. Beam parameters are measured using retractable calorimetric targets as well as non-destructive optical methods. Formation of powerful beams of neutral particles requires the use of an appropriate power source.
Согласно принципу формирования, источники отрицательных ионов могут быть разделены на следующие группы:According to the principle of formation, sources of negative ions can be divided into the following groups:
- источники объемного формирования (плазменные), в которых ионы формируются в объеме плазмы;- sources of volumetric formation (plasma), in which ions are formed in the volume of the plasma;
- источники поверхностного формирования, в которых ионы формируются на поверхности электродов или специальных мишеней;- sources of surface formation, in which ions are formed on the surface of electrodes or special targets;
- поверхностно-плазменные источники, в которых ионы формируются на поверхностях электродов, взаимодействующих с плазменными частицами, которые разработаны Новосибирской группой [3]; и- surface plasma sources, in which ions are formed on the surfaces of electrodes interacting with plasma particles, which were developed by the Novosibirsk group [3]; and
- источники перезарядки, в которых отрицательные ионы формируются вследствие перезарядки пучков ускоренных положительных ионов на различных мишенях.- sources of charge exchange, in which negative ions are formed as a result of charge exchange of beams of accelerated positive ions on various targets.
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.To form plasma in modern bulk sources of Н - ions, similar to the source of positive ions, arc discharges with thermionic filaments or hollow cathodes, as well as radio frequency discharges in hydrogen, are used. To improve the confinement of electrons during the discharge and to reduce the hydrogen density in the gas discharge chamber, which is important for sources of negative ions, discharges in a magnetic field are used. Systems with an external magnetic field (ie, with Penning geometry or magnetron geometry of electrodes, with electron oscillations in a longitudinal magnetic field of a "reflective" discharge) and systems with a peripheral magnetic field (multipolar) are widely used. A sectional view of a discharge chamber with a peripheral magnetic field developed for a jet injector of a beam of neutral particles is shown in Fig. 4 [3]. The magnetic field at the periphery of the plasma box is formed by means of permanent magnets installed on its outer surface. The magnets are placed in rows in which the direction of magnetization is constant or changes in displacement order, so that the magnetic field lines have the geometry of linear or staggered protrusions near the wall.
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. The use of systems with a multi-pole magnetic field at the periphery of plasma chambers, in particular, makes it possible for systems to maintain dense plasma in the source at a reduced working gas pressure in the chamber up to 1-4 Pa (without cesium) and up to 0.3 Pa in systems with cesium [4 ]. Such a decrease in the hydrogen density in the discharge chamber, in particular, is of importance for high-current multi-aperture giant ion sources, which are being developed for use in research in the field of thermonuclear fusion.
В настоящее время, источники ионов на основе поверхностно-плазменного формирования считаются наиболее подходящими для формирования сильноточных пучков отрицательных ионов.Currently, ion sources based on surface-plasma formation are considered to be the most suitable for the formation of high-current negative ion beams.
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%.In ion sources based on surface plasma formation, ions are formed by interaction between particles having sufficient energy and a surface with a low work function. This effect can be enhanced by alkaline coating of the bombarded surface. There are two main processes, namely thermodynamically equilibrium surface ionization, in which a slow atom or molecule colliding with a surface is emitted back as a positive or negative ion after an average residence time, and a nonequilibrium (kinetic) atomic-surface interaction, in which negative Ions are formed by sputtering, shock desorption (as opposed to thermal desorption, in which thermal particles are desorbed), or reflection with an alkali metal coating. In the process of thermodynamically equilibrium ionization, the adsorbed particles are detached from the surface under conditions of thermal equilibrium. The ionization coefficient of particles leaving the surface is determined using the Saha formula and is assumed to be very small ~ 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.The processes of nonequilibrium kinetic surface ionization are presumably much more efficient at the surface and have a rather low work function, comparable to the electron affinity of a negative ion. During this process, the negative ion is detached from the surface, overcoming the subsurface barrier using the kinetic energy obtained from the primary particle. Near the surface, the energy level of an extra electron is below the upper Fermi level of electrons in a metal, and this level can very easily be dealt with by tunneling electrons out of the metal. During ion movement from the surface, it overcomes the potential barrier formed by the mirror charge ... The field of the charge distribution pattern enhances the energy level of an additional electron relative to the energy levels of electrons in the metal. Starting from a certain critical distance, the level of the additional electron rises above the upper energy level of electrons in the metal, and resonant tunneling returns the electron from the leaving ion back to the metal. If the particle is peeled off quickly enough, the negative ionization coefficient is presumably quite high for a surface with a low work function that can be provided by coating with an alkali metal, in particular cesium.
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).It has been shown experimentally that the degree of negative ionization of hydrogen particles detached from this surface with a reduced work function can reach = 0.67. It should be noted that the work function on tungsten surfaces has a minimum value with a Cs coating of 0.6 monolayers (on the 110 tungsten crystal surface).
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%.For the development of sources of negative hydrogen ions, it is important that the integral yield of negative ions is sufficiently high, K - = 9-25%, for collisions of hydrogen atoms and positive ions with energies of 3-25 eV with surfaces with a low work function, such as Mo + Cs , W + Cs [5]. In particular (see Fig. 5), when bombarding a cised molybdenum surface with Franck-Condon atoms with an energy exceeding 2 eV, the integral conversion efficiency into H - ions can reach 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.In surface plasma sources (SPS) [3], the formation of negative ions is realized due to kinetic surface ionization, namely, the processes of sputtering, desorption or reflection on electrodes in contact with the gas-discharge plasma. Low work function special emitter electrodes are used in the SPS to improve negative ion formation. As a rule, the addition of a small amount of cesium to the discharge makes it possible to obtain an increase in brightness and intensity in the collector of Hˉ beams. The introduction of cesium atoms into the discharge significantly reduces the concomitant flux of electrons pulled out with negative ions.
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.In SPS, gas-discharge plasma performs several functions, namely, it forms intense streams of particles that bombard the electrodes; the plasma sheath adjacent to the electrode forms the acceleration of the ions, thereby increasing the energy of the bombarding particles; negative ions, which are formed in electrodes with a negative potential, are accelerated by the potential of the plasma sheath and penetrate through the plasma layer into the stretching region without significant destruction. Intensive formation of negative ions with rather high efficiencies of power and gas utilization was obtained in various modifications of SPS under conditions of a "dirty" gas discharge and intense bombardment of electrodes.
Несколько источников SPS разработаны для больших термоядерных устройств, таких как LHD, JT-60U и для международного (ITER) токамака.Several SPS sources are designed for large fusion devices such as the LHD, JT-60U and the international (ITER) tokamak.
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 200-250oC. Плазменный электрод термически изолируется, и его температура определяется посредством плазменного разряда силовых нагрузок.Typical features of these sources can be understood when considering the stellarator injector LHD [4], which is shown in Fig.6 [4, 6]. Arc plasma is generated in a large magnetic multi-pole vane enclosure chamber with a volume of ~ 100 liters. Twenty-four tungsten filaments support a 3 kA, ~ 80 V arc at a hydrogen pressure of approximately 0.3-0.4 Pa. An external magnetic filter with a maximum field at the center of ~ 50 G provides the electron density and temperature drop in the pull-out region near the plasma electrode. A positive bias of the plasma electrode (~ 10 V) reduces the accompanying electron flow. Negative ions are formed on a plasma electrode coated with an optimal cesium layer. External cesium furnaces (three for one source) equipped with pneumatic valves feed the distributed introduction of cesium atoms. The formation of negative ions reaches a maximum at an optimum temperature of the plasma electrode of 200-250 o C. The plasma electrode is thermally insulated and its temperature is determined by means of a plasma discharge of power loads.
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 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.A four-electrode multi-aperture ion-optical system that is used in the LHD ion source is shown in Fig. 7 [6]. Negative ions are drawn through 770 radiation apertures with a diameter of 1.4 cm. The apertures occupy an area of 25x125 cm 2 on the plasma electrode. Small permanent magnets are embedded in the pulling grid between the apertures to deflect the co-pulling electrons from the beam onto the pulling electrode wall. An additional electronic retention grid, installed behind the pulling grid, traps secondary electrons backscattered or emitted from the walls of the pulling electrodes. A multi-slot grounded grid with high transparency is used in the ion source. This reduces the area of intersection of the beams, thereby increasing the voltage holding capacity and lowering the gas pressure in the gaps by a factor of 2.5 with a corresponding decrease in the beam stripping losses. Both the pull electrode and the ground electrode are water cooled.
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.The introduction of cesium atoms into a multipoint source provides a 5-fold increase in the current of extracted negative ions and a linear increase in the yield of H - ions over a wide range of discharge powers and pressures when filled with hydrogen. Other important advantages of the introduction of cesium atoms are a ~ 10-fold decrease in the jointly drawn electron current and a significant decrease in the hydrogen pressure during the discharge to 0.3 Pa.
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.Multipoint sources in LHD typically deliver approximately 30 A ion current with a current density of 30 mA / cm 2 in 2 second pulses [6]. The main problems for LHD ion sources are blocking of cesium, which is injected into the arc chamber, by sputtering tungsten from the filaments, and a decrease in the high voltage holding capacity when operating in long pulse mode at high power levels.
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.The LHD negative ion neutral particle injector has two ion sources interacting with hydrogen at a nominal beam energy of 180 keV. Each injector achieves a nominal injection power of 5 MW for a pulse of 128 seconds, so each ion source provides a beam of neutral particles of 2.5 MW. 8A and B show an LHD neutral beam injector. The focal length of the ion source is 13 m and the pivot point of the two sources is 15.4 m lower. The injection port is approximately 3 m long, with the narrowest part having a diameter of 52 cm and a length of 68 cm.
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.Ion sources with RF plasma shapers and the formation of negative ions on a cesium-coated plasma electrode are developed at IPP Garching. RF shapers produce cleaner plasma so there is no tungsten blocking of cesium in these sources. Steady-state pulling of a negative ion beam pulse with a beam current of 1 A, an energy of ~ 20 kV, and a duration of 3600 seconds was demonstrated by IPP in 2011.
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.At present, high-energy neutral particle beam injectors, which are being developed for the next stage of thermonuclear devices, such as, for example, the ITER tokamak, do not demonstrate stable operation at the required energy of 1 MeV and operation in a steady-state or continuous-wave mode ( CW) at a sufficiently high current. Therefore, there is a need to develop feasible solutions if problems can be solved that prevent the achievement of target beam parameters, such as, for example, a beam energy in the range of 500-1000 keV, an effective current density in neutral particles of the main port of a reservoir of 100-200 A / m 3 , the power per neutral beam injector is approximately 5-20 MW, the pulse duration is 1000 seconds, and the gas loads introduced by the beam injector are less than 1-2% of the beam current. It should be noted that achieving this goal becomes much less costly if the negative ion current in the injector module is reduced to an extraction ion current of up to 8-10 A, compared to an ion extraction current of 40 A for an ITER beam. A stepwise reduction in the extracted current and beam power should lead to dramatic changes in the design of key elements of the ion source in the form of an injector and a high-energy accelerator, so that much more elaborate technologies and approaches become applicable, which increases the reliability of the injector. Therefore, in the current situation, an extractable current of 8-10 A per module is proposed, on the assumption that the required extraction power of injection can be obtained using several injector modules that form beams with low divergence and high current density.
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.The performance of surface plasma sources is fairly well documented, and multiple ion sources in operation today produce continuous scalable ion beams in excess of 1 A or higher. Until now, the main parameters of neutral particle beam injectors, such as beam power and pulse duration, are rather far from those required for the injector under consideration. The current state of development of these injectors can be understood from Table 1.
280 H- 200 D -
280 H -
330 H- 230 D -
330 H -
195 H- 216 D -
195 H -
100 H- 1000 D -
100 H -
3 H- 3600 D -
3 H -
1000five
1000
Следовательно, желательно предоставлять улучшенный инжектор пучка нейтральных частиц.Therefore, it is desirable to provide an improved neutral beam injector.
Краткое изложение существа изобретенияSummary of the invention
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.The embodiments provided herein are directed to systems and methods for a negative ion neutral beam injector. A negative ion neutral beam injector contains an ion source, an accelerator and a neutralizer in order to form a neutral particle beam of approximately 5 MW with an energy of approximately 0.50-1.0 MeV. The ion source is located in a vacuum tank and forms a 9 A negative ion beam. Ions generated by the ion source are pre-accelerated to 120 kV prior to injection into the high-energy accelerator by an electrostatic pre-accelerator based on a multi-aperture grid in the ion source, which is used to pull the ion beams out of the plasma and accelerate to a certain fraction of the required beam energy. The 120 keV beam from the ion source passes through a pair of deflecting magnets that allow the beam to be displaced axially before entering the high energy accelerator. After acceleration to full energy, the beam enters a neutralizer, in which it is partially converted into a beam of neutral particles. The remaining types of ions are separated by means of a magnet and sent to electrostatic energy converters. The beam of neutral particles passes through the shut-off valve and enters the plasma chamber.
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.The elevated temperature of the plasma formers and the inner walls of the plasma box of the ion source (150-200 ° C) is maintained to prevent the accumulation of cesium on their surfaces. A distribution manifold is provided to deliver cesium directly to the surface of the plasma gratings and not to the plasma. This is in contrast to existing ion sources that feed cesium directly into the plasma discharge chamber.
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.The magnetic field used to deflect the co-elongated electrons in the ion elongation and pre-acceleration regions is generated by external magnets, rather than by magnets embedded in the mesh body as in prior designs. The absence of built-in "low-temperature" magnets in the grids makes it possible to heat them up to higher temperatures. Prior designs often use magnets embedded in the mesh casing, which often results in a significant reduction in the drawn beam current and prevents high temperature operation as well as adequate heating / cooling performance.
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.The high voltage accelerator is not directly connected to the ion source, but is separated from the ion source by a transition zone (LEBT) with deflecting magnets, vacuum pumps and cesium traps. The transition zone intercepts and removes most of the co-flowing particles, including electrons, photons and neutral particles from the beam, evacuates the gas released from the ion source and prevents it from reaching the high voltage accelerator, prevents cesium from flowing out of the ion source and penetrating the high voltage accelerator , prevents electrons and neutral particles produced by stripping negative ions from entering the high voltage accelerator. In prior designs, the ion source is directly coupled to the high voltage accelerator, which often makes the high voltage accelerator susceptible to gas, charged particles, and cesium flowing out of and into the ion source.
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.The deflection magnets in the LEBT deflect and focus the beam along the axis of the accelerator and thereby compensate for any displacement and deflection of the beam during transport through the magnetic field of the ion source. The displacement between the axes of the pre-accelerator and the high-voltage accelerator reduces the flow of co-flowing particles into the high-voltage accelerator and prevents highly accelerated particles (positive ions and neutral particles) from flowing back into the pre-accelerator and the ion source. The focusing of the beam also contributes to the homogeneity of the beam entering the accelerator compared to systems based on a multi-aperture grid.
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.The neutralizer includes a plasma neutralizer and a photoneutralizer. The plasma neutralizer is based on a multipoint plasma confinement system with permanent magnets of strong magnetic fields on the walls. The photonic converter is a photon trap based on a cylindrical resonator with walls with a high degree of reflection and pumped out using lasers with high efficiency. These neutralizer technologies have never been considered for commercial neutral beam injectors.
Другие системы, способы, признаки и преимущества примерных вариантов осуществления должны становиться очевидными специалистам в данной области техники после изучения прилагаемых чертежей и подробного описания.Other systems, methods, features, and advantages of the exemplary embodiments will become apparent to those skilled in the art upon examination of the accompanying drawings and detailed description.
Краткое описание чертежейBrief Description of Drawings
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.The details of the exemplary embodiments, including structure and mode of operation, may be revealed in part by examination of the accompanying drawings, in which like reference numerals refer to like parts. The components in the drawings do not have to be drawn to scale, instead the emphasis is on illustrating the principles of the invention. Moreover, all illustrations are intended to convey general ideas, and relative sizes, shapes, and other detailed attributes may be illustrated schematically rather than literally or accurately.
Фиг.1 является видом сверху схемы инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов.1 is a top view of a schematic diagram of a negative ion neutral beam injector.
Фиг.2 является изометрическим видом в сечении инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов, показанного на фиг.1.FIG. 2 is a cross-sectional isometric view of the negative ion neutral beam injector shown in FIG. 1. FIG.
Фиг.3 является видом сверху инжектора с высоким уровнем мощности нейтральных частиц для ITER-токамака.3 is a top view of a high power neutral particle injector for an ITER tokamak.
Фиг.4 является изометрическим видом в сечении разрядной камеры с периферийным многополюсным магнитным полем для струйного инжектора пучка нейтральных частиц.4 is an isometric cross-sectional view of a discharge chamber with a peripheral multi-pole magnetic field for a neutral particle beam jet injector.
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.5 is a graph showing the cumulative yield of negative ions formed by bombarding a Mo + Cs surface with neutral H atoms and positive molecular H as a function of incident flux energy. The yield is improved by using DC curing as compared to only preliminary surface curing.
Фиг.6 является видом сверху источника отрицательных ионов для LHD.6 is a top view of a negative ion source for an LHD.
Фиг.7 является схематическим видом многоапертурной ионной оптической системы для источника LHD.7 is a schematic view of a multi-aperture ionic optical system for an LHD source.
Фиг.8A и B являются видами сверху и сбоку инжектора пучка нейтральных частиц LHD.8A and B are top and side views of an LHD neutral beam injector.
Фиг.9 является видом в сечении источника ионов.Fig. 9 is a cross-sectional view of an ion source.
Фиг.10 является видом в сечении источника атомов водорода низкой энергии.10 is a cross-sectional view of a source of low energy hydrogen atoms.
Фиг.11 является графиком, показывающим траектории ионов H- в тракте низкой энергии.11 is a graph showing the trajectories of H - ions in the low energy path.
Фиг.12 является изометрическим видом ускорителя.12 is an isometric view of an accelerator.
Фиг.13 является диаграммой, показывающей траектории иона в ускоряющей трубке.13 is a diagram showing the trajectories of an ion in an accelerating tube.
Фиг.14 является изометрическим видом триплета квадрупольных линз.14 is an isometric view of a triplet of quadrupole lenses.
Фиг.15 является диаграммой, показывающей вид сверху (a) и вид сбоку (b) траекторий иона в ускорителе линии транспортировки пучка высокой энергии.15 is a diagram showing a top view (a) and a side view (b) of ion trajectories in a high energy beam transport line accelerator.
Фиг.16 является изометрическим видом компоновки плазменных мишеней.16 is an isometric view of an arrangement of plasma targets.
Фиг.17 является диаграммой, показывающей результаты двумерных вычислений замедления пучка ионов в рекуператоре.Fig. 17 is a diagram showing the results of two-dimensional calculations of ion beam deceleration in the recuperator.
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.It should be noted that elements of like structures or functions are generally represented by like reference numerals for purposes of illustration throughout the drawings. It should also be noted that the drawings are only intended to facilitate describing the preferred embodiments.
Описание предпочтительных вариантов изобретенияDescription of preferred embodiments of the invention
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.Each of the additional features and ideas disclosed below can be used alone or in combination with other features and ideas to provide a new negative ion neutral beam injector. Specific examples of the embodiments described herein are described in more detail below, these examples employing many of these additional features and ideas, either individually or in combination, with reference to the accompanying drawings. This detailed description is intended only to educate those skilled in the art in additional detail for practicing preferred aspects of the teachings of the present invention, and is not intended to limit the scope of the invention. Therefore, combinations of features and steps disclosed in the following detailed description may be optional in order to practice the invention in its broadest sense, and instead are studied simply to specifically describe typical examples of the present ideas.
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.Moreover, various features of the typical examples and dependent claims may be combined in ways that are not specifically and explicitly listed to provide additional useful embodiments of the present teachings. In addition, it should be explicitly noted that all the features disclosed in the description and / or the claims are intended to be disclosed separately and independently from each other for the purposes of the original disclosure, as well as for the purpose of limiting the claimed subject matter, regardless of the arrangements of the features in the embodiments. implementation and / or in the claims. It should also be noted that all ranges of values or group designators disclose every possible intermediate value or intermediate object for purposes of the original disclosure as well as for purposes of limiting the claimed subject matter.
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.The embodiments provided herein are directed to a novel negative ion neutral beam injector with an energy of preferably about 500-1000 keV and a high overall energy efficiency. A preferred arrangement of an embodiment of a negative ion
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%-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.It is assumed that the gas efficiency of the
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.After being accelerated to a total energy of 1 MeV, the beam enters the
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.The
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 тепло компонентов должен осуществляться с помощью охлаждающих трубок, которые должны иметь разрывы изоляции в случае первого вакуумного бака 210, который смещается до -880 кВ.The
Источник ионовIon source
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, плазменный бокс 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 "PE" на фиг.9) с удержанием в форме магнитной многополюсной лопасти, как обеспечивается посредством постоянных магнитов 114.A schematic diagram of an
Напряжение положительного смещения для приема электронов в плазменных предварительно ускоряющих сетках 111 применяется к оптимизированным условиям для формирования отрицательных ионов. Придание геометрических форм апертурам 111B в плазменных предварительно ускоряющих сетках 111 используется для того, чтобы фокусировать ионы H- в апертуры 111B 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 PE плазменного эмиттера плазменного бокса 115 в область ER вытягивания плазменного бокса 115. Электроны в плазме отражаются от области ER вытягивания посредством поля небольшого поперечного магнитного фильтра, сформированного посредством внешних постоянных магнитов 114. Ионы ускоряются до 120 кВ 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 111B при условии 33%-ой прозрачности в плазменных сетках 111 предускорителя. По сравнению с ранее полученными значениями, это представляет собой в достаточной степени обоснованную проекцию для источника 110 ионов.The positive bias voltage for receiving electrons in the
Плазма, которая поступает в плазменный бокс 115, формируется посредством решетки плазменных формирователей 113, установленных на заднем фланце 115A плазменного бокса, которым предпочтительно является цилиндрическая медная камера с водяным охлаждением (700 мм в диаметре на 170 мм в длину). Открытый конец плазменного бокса 115 ограничивается посредством плазменных сеток 111 предускорителя системы ускорения и вытягивания.The plasma that enters the
Предполагается, что отрицательные ионы должны формироваться на поверхности плазменных сеток 111, которые покрыты тонким слоем цезия. Цезий вводится в плазменный бокс 115 посредством использования системы подачи цезия (не показана на фиг.9).It is assumed that negative ions should be formed on the surface of the
Источник 110 ионов окружен постоянными магнитами 114 так, что он образует конфигурацию с линейными остриями для удержаний плазмы и первичных электронов. Колонки 114A магнитов на цилиндрической стенке плазменного бокса 115 соединяются в заднем фланце 115A посредством рядов магнитов 114B, которые также имеют линейно-заостренную конфигурацию. Магнитный фильтр около плоскости плазменных сеток 111 разделяет плазменный бокс 115 на плазменный эмиттер PE и область ER вытягивания. Магниты 114C в фильтре устанавливаются во фланце 111A рядом с плазменными сетками 111, предоставляют поперечное магнитное поле (B=107 Гс в центре), которое служит для того, чтобы предотвращать достижение области ER 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 ER вытягивания.The
Система 111 вытягивания и предварительного ускорения на основе электродов содержит пять электродов 111C, 111D, 111E, 111F и 111G, каждый из которых имеет 142 отверстия или апертуры 111B, образованные ортогонально в них и используемые для того, чтобы предоставлять пучок отрицательных ионов. Вытягивающие апертуры 111B 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 A. Магнитное поле магнитов 114C в фильтре поступает в промежутки между электростатическими вытягивающими и предварительно ускоряющими сетками 111, чтобы отклонять совместно вытягиваемые электроны на специальные пазы во внутренней поверхности апертур 111B в вытягивающих электродах 111C, 111D и 111E. Магнитное поле магнитов в магнитном фильтре 114C вместе с магнитным полем дополнительных магнитов 114D предоставляет отклонение и перехват электронов, совместно вытягиваемых с отрицательными ионами. Дополнительные магниты 114D включают в себя решетку магнитов, установленных между держателями электродов 111F и 111G ускорителя ускоряющей сетки, расположенной ниже от вытягивающей сетки, содержащей вытягивающие электроды 111C, 111D и 111E. Третий сетчатый электрод 111E, который ускоряет отрицательные ионы до энергии 120 кэВ, положительно смещается от заземленного сетчатого электрода 111D, чтобы отражать обратно протекающие положительные ионы, поступающие в предварительно ускоряющую сетку.The electrode-based drawing and
Плазменные формирователи 113 включают в себя две альтернативы, а именно, радиочастотный плазменный формирователь и атомарный формирователь на основе дугового разряда. Разработанный BINP плазменно-дуговой генератор на основе дугового разряда используется в атомарном формирователе. Специальный 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 плазменного бокса 115. Эксперименты по получению интенсивных потоков атомов с таким преобразователем проведены в Институте Budker в 1982-1984 годах.
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 LaB6 и ионно-атомный преобразователь 320. В экспериментах, сформированы поток атомов водорода с эквивалентным током в 20-25 A и энергия, варьирующаяся в диапазоне от 20 эВ до 80 эВ, с эффективностью больше 50%.In Fig. 10, the designed arrangement of the low
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.Such a source can be used in a negative ion source to supply atoms with energy optimized for efficient formation of negative ions on the cesium surface of the
Линия транспортировки пучка низкой энергииLow energy beam transport line
Ионы H-, 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 H-, 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 H- в линии транспортировки пучка низкой энергии.Ions H - formed and preliminarily accelerated to an energy of 120 keV by the
Тракт для пучка высокой энергииHigh energy beam path
Пучок низкой энергии, исходящий из линии пучка низкой энергии, поступает в традиционный электростатический многоапертурный ускоритель 150, показанный на фиг.12.The low energy beam emanating from the low energy beam line enters a conventional electrostatic
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.The results of calculating the acceleration of the negative ion beam by 9 A, taking into account the space charge fraction, are shown in Fig. 13. Ions are accelerated from an energy of 120 keV to 1 MeV. The accelerating potential across
Вычисления показывают, что напряженность поля не превышает 50 кВ/см в оптимизированной ускоряющей трубке 150 на электродах в зонах возможного протекания электронного разряда.Calculations show that the field strength does not exceed 50 kV / cm in the optimized accelerating
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, 232 и 233 включает в себя традиционный набор квадрупольных электромагнитов, которые формируют обычные магнитные фокусирующие поля, обеспечиваемые во всех современных традиционных ускорителях частиц.After acceleration, the beam passes through a
Вычисленные траектории пучка отрицательных ионов на 9 A 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.The computed trajectories of a 9 A negative ion beam with a 12 eV transverse temperature in accelerating
Вычисленный диаметр пучка нейтральных частиц с эквивалентным током в 6A 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.The calculated diameter of a beam of neutral particles with an equivalent current of 6A after the neutralizer at a distance of 12.5 m at half-height of the radial profile is 140 mm, and 95% of the beam current is in a circle with a diameter of 180 mm.
НейтрализацияNeutralization
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, 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.The
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 LaB6.Plasma in the plasma neutralizer is held in a
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.The
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.A sufficiently long holding of the plasma results in a relatively low level of discharge power required to maintain a plasma density of approximately 10 13 cm -3 in
Рекуперация энергииEnergy recovery
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 рассматриваемой схеме, при использовании плазменных или парообразных металлических мишеней можно ожидать, что остаточный ток ионов должен составлять ~3 A 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 3A 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.There are objective reasons for achieving high power efficiency in our conditions. First of all, these are the following: a relatively small ion beam current and scattering at low energy. In the considered scheme, when using plasma or vaporous metal targets, one can expect that the residual ion current should be ~ 3 A after the neutralizer. These streams of diverted ions with a positive or negative charge must be deflected through the deflecting
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%.FIG. 17 shows the results of two-dimensional calculations of the ion beam deceleration in the converter. From the presented calculations, it follows that the deceleration of an ion beam with an energy of 1 MeV to an energy of 30 keV is quite feasible, so that a value of the recovery coefficient of 96-97% can be obtained.
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:Previous efforts to develop high power neutral ion beam injectors based on negative ions have been analyzed to reveal critical issues still preventing the achievement of steady state injectors of ~ 1 MeV and a power of several MW. Of the most important, we highlight the following:
- Управление слоем цезия, а также потерями и повторным осаждением (управление температурой и т.д.)- Control of the cesium layer as well as losses and redeposition (temperature control, etc.)
- Оптимизация поверхностного формирования отрицательных ионов для вытягивания- Optimization of surface formation of negative ions for pulling
- Разделение совместно протекающих электронов- Separation of co-flowing electrons
- Негомогенность профиля ионного тока в плазменной сетке вследствие внутренних магнитных полей- Inhomogeneity of the ion current profile in the plasma grid due to internal magnetic fields
- Низкая плотность ионного тока- Low ion current density
- Ускорители усложняются, и множество новых технологий по-прежнему разрабатывается (способность удержания низкого напряжения, крупные изоляторы и т.д.)- Accelerators are becoming more sophisticated and many new technologies are still being developed (low voltage withstand capability, large insulators, etc.)
- Обратное протекание положительных ионов- Reverse flow of positive ions
- Усовершенствованные технологии нейтрализаторов (плазмы, фотонов) не демонстрируются в релевантных условиях- Advanced neutralizer technologies (plasma, photons) are not demonstrated under relevant conditions
- Преобразование энергии не проработано в достаточной степени- Energy conversion is not well developed
- Блокирование пучка в тракте- Blocking the beam in the tract
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.The innovative solutions to the problems provided for in this document can be grouped according to the system with which they are connected, namely negative ion source, pull / acceleration, neutralizer, energy converters, etc.
1.0 Источник 110 отрицательных ионов:1.0 110 negative ion source:
1.1. Поддерживается повышенная температура внутренних стенок плазменного бокса 115 и плазменных формирователей 113 (150-200°C), чтобы предотвращать накопление цезия на их поверхностях. 1.1. An elevated temperature of the inner walls of the
Повышенная температура:Elevated temperature:
- предотвращает неуправляемое высвобождение цезия вследствие десорбции/распыления и снижения его проникновения в ионную оптическую систему (сетки 111),- prevents uncontrolled release of cesium due to desorption / sputtering and reducing its penetration into the ionic optical system (111 grids),
- уменьшает абсорбцию и рекомбинацию атомов водорода в слое цезия на стенках,- reduces the absorption and recombination of hydrogen atoms in the cesium layer on the walls,
- уменьшает потребление и отравление цезия.- reduces the consumption and poisoning of cesium.
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 CW-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.To achieve this, a high temperature fluid is circulated through all components. Surface temperature is additionally stabilized through active feedback control, i.e. heat is removed or added during CW and transient operation. In contrast to this approach, all other existing and planned beam injectors use passive systems with water cooling and thermal breakdowns between the cooling tubes and hot electrode bodies.
1.2. Цезий подается через распределительный коллектор непосредственно на поверхность плазменных сеток 111, а не в плазму. Подача цезия через распределительный коллектор:1.2. Cesium is fed through the distribution manifold directly to the surface of the
- обеспечивает управляемую и распределенную подачу цезия в течение всего времени активации пучка,- provides a controlled and distributed supply of cesium during the entire time of beam activation,
- предотвращает недостаток цезия типично вследствие блокирования посредством плазмы,- prevents cesium deficiency, typically due to blocking by plasma,
- снижает высвобождение цезия из плазмы после его накопления и разблокировки в ходе длительных импульсов.- reduces the release of cesium from the plasma after its accumulation and unblocking during long pulses.
В отличие от этого, существующие источники ионов подают цезий непосредственно в разрядную камеру.In contrast, existing ion sources supply cesium directly to the discharge chamber.
2.0 Предускоритель 111 (100 кэВ):2.0 Pre-accelerator 111 (100 keV):
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:2.1. The magnetic field used to deflect the co-elongated electrons in the stretching and pre-acceleration regions of the ions is generated by external magnets, rather than by magnets embedded in the mesh body, as in previous designs:
- 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.- the magnetic field lines in the high voltage gaps between the grids are completely concave in the direction of the negatively biased grids, i.e. in the direction of the plasma grid in the pulling gap and in the direction of the pulling grid in the preliminary accelerating gap. The concavity of the magnetic field lines in the direction of negatively biased grids prevents local Penning traps in high voltage gaps and trapping / multiplication of co-extracting electrons, which can occur in configurations with built-in magnets.
- электроды ионной оптической системы (IOS) (сетки 111) без встроенных "низкотемпературных" NIB-магнитов могут быть нагреты до повышенной температуры (150-200°C) и обеспечивают возможность отвода тепла в ходе длительных импульсов посредством использования горячей (100-150°C) жидкости.- the electrodes of the ion optical system (IOS) (111 grids) without built-in "low-temperature" NIB-magnets can be heated to an elevated temperature (150-200 ° C) and provide the possibility of heat removal during long pulses by using a hot (100-150 ° C) liquids.
- отсутствие встроенных магнитов оставляет свободное место между апертурами излучения сеток и разрешает введение каналов для более эффективного нагрева/охлаждения электродов.- the absence of built-in magnets leaves free space between the radiation apertures of the grids and allows the introduction of channels for more efficient heating / cooling of the electrodes.
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.In contrast, prior designs use magnets embedded in the mesh body. This leads to the creation of static magnetoelectric traps in high voltage gaps, which trap and increase the co-extracting electrons. This can lead to a significant decrease in the extracted beam current. This also prevents high temperature operation as well as proper heating / cooling performance, which is critical for long pulse operation.
2.2. Всегда поддерживается повышенная температура всех электродов ионной оптической системы (сетки 111) (150-200°C), 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.2.2. The elevated temperature of all electrodes of the ionic optical system (grid 111) (150-200 ° C) is always maintained to prevent the accumulation of cesium on their surfaces and to increase the intensity of the high voltage pulling and pre-accelerating gaps. In contrast, in traditional designs, the electrodes are water cooled. The electrodes have elevated temperatures because there is thermal breakdown between the cooling tubes and the electrode bodies and there is no active feedback.
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 111.2.3. The initial heating of
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.2.4. The gas is additionally pumped from the pre-accelerating gap through the side space and large holes in the mesh holders to reduce the gas pressure along the beam line and delay the stripping of negative ions and the formation / multiplication of secondary particles in the gaps.
2.5. Включение положительно смещенных сеток 111 используется для того, чтобы отталкивать обратно протекающие положительные ионы.2.5. The inclusion of positively biased
3.0 Ускоритель 150 высокого напряжения (1 МэВ):3.0 High voltage accelerator 150 (1 MeV):
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 - LEBT 205) с отклоняющими магнитами 130, вакуумными насосами и цезиевыми ловушками. Переходная зона:3.1. The
- перехватывает и удаляет большинство совместно протекающих частиц, включающих в себя электроны, фотоны и нейтральные частицы из пучка,- intercepts and removes most of the co-flowing particles, including electrons, photons and neutral particles from the beam,
- откачивает газ, выделяющийся из источника 110 ионов, и предотвращает достижение им ускорителя 150 высокого напряжения,- evacuates the gas released from the
- предотвращает вытекание цезия из источника 110 ионов и проникновение в ускоритель 150 высокого напряжения,- prevents leakage of cesium from the
- предотвращает поступление электронов и нейтральных частиц, формируемых посредством обдирки отрицательных ионов, в ускоритель 150 высокого напряжения.- prevents electrons and neutral particles formed by stripping negative ions from entering the
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.In the prior art, the ion source is directly connected to the high voltage accelerator. This makes the high voltage accelerator susceptible to gas, charged particles, and cesium leaking out of and into the ion source. This strong interference reduces the voltage holding capacity of the high voltage accelerator.
3.2. Отклоняющие магниты 130 в LEBT 205 отклоняют и фокусируют пучок по оси ускорителя. Отклоняющие магниты 130:3.2.
- компенсируют все смещения и отклонения пучка во время транспортировки через магнитное поле источника 110 ионов,- compensate for all displacements and deflections of the beam during transport through the magnetic field of the
- 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.- the displacement between the axes of the pre-accelerator and the high-
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.In contrast, prior systems do not have a physical separation between acceleration stages and, as a consequence, do not allow for axial displacements as shown in this document.
3.3. Магниты линии 205 пучка низкой энергии фокусируют пучок на входе одноапертурного ускорителя 150:3.3. The low-energy
- Фокусировка пучка способствует гомогенности пучка, поступающего в ускоритель 150, по сравнению с системами на основе многоапертурной сетки.- Focusing the beam contributes to the homogeneity of the beam entering the
3.4. Применение одноапертурного ускорителя:3.4. Application of a single-aperture accelerator:
- упрощает системное совмещение и фокусировку пучка- simplifies system alignment and beam focusing
- способствует откачке газа и удалению вторичных частиц из ускорителя 150 высокой энергии- helps to pump gas and remove secondary particles from the
- уменьшает потери пучка на электродах ускорителя 150 высокой энергии.- reduces the loss of the beam at the electrodes of the
3.5. Магнитные линзы 230 используются после ускорения, чтобы компенсировать перефокусировку в ускорителе 150 и образовывать квазипараллельный пучок.3.5.
В традиционных конструкциях, нет средств для фокусировки пучка и отклонения, за исключением самого ускорителя.In traditional designs, there is no means for beam focusing and deflection except for the accelerator itself.
4.0. Нейтрализатор 170:4.0. Neutralizer 170:
4.1. Плазменный нейтрализатор на основе многоострийной системы удержания плазмы с постоянными магнитами сильных полей на стенках;4.1. Plasma neutralizer based on a multipoint plasma confinement system with permanent magnets of strong fields on the walls;
- повышает эффективность нейтрализации,- increases the efficiency of neutralization,
- минимизирует общие потери инжектора пучка нейтральных частиц.- minimizes the total losses of the neutral particle beam injector.
Эти технологии никогда не рассматривались для применения в серийных инжекторах пучка нейтральных частиц.These technologies have never been considered for commercial neutral beam injectors.
4.2. Фотонный нейтрализатор - фотонная ловушка на основе цилиндрического резонатора со стенками с высокой степенью отражения и откачки с помощью лазеров с высокой эффективностью:4.2. Photon neutralizer is a photon trap based on a cylindrical resonator with walls with a high degree of reflection and pumping out using lasers with high efficiency:
- дополнительно повышает эффективность нейтрализации,- additionally increases the efficiency of neutralization,
- дополнительно минимизирует общие потери инжектора пучка нейтральных частиц.- additionally minimizes the total losses of the neutral particle beam injector.
Эти технологии никогда не рассматривались для применения в серийных инжекторах пучка нейтральных частиц.These technologies have never been considered for commercial neutral beam injectors.
5.0. Рекуператоры:5.0. Recuperators:
5.1. Применение рекуператора(ов) остаточной энергии ионов:5.1. Application of the recuperator (s) of residual ion energy:
- повышает общую эффективность инжектора.- increases the overall efficiency of the injector.
В отличие от этого, рекуперация вообще не предвидится в традиционных конструкциях.In contrast, recuperation is not expected at all in traditional designs.
Библиографический списокBibliographic list
[1.] L. W. Alvarez, Rev. Sci. Instrum. 22, 705 (1951 год)[1.] L. W. Alvarez, Rev. Sci. Instrum. 22, 705 (1951)
[2.] R.Hemsworth et al., Rev. Sc. Instrum., том 67, стр. 1120 (1996 год)[2.] R. Hemsworth et al., Rev. Sc. Instrum., Volume 67, p. 1120 (1996)
[3.] Capitelli M. и Gorse C., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, номер 6, стр. 1832-1844 (2005 год)[3.] Capitelli M. and Gorse C., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, no. 6, pp. 1832-1844 (2005)
[4.] Hemsworth R. S., Inoue T., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, номер 6, стр. 1799-1813 (2005 год)[4.] Hemsworth R. S., Inoue T., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, no. 6, pp. 1799-1813 (2005)
[5.] B. Rasser, J. van Wunnik и J. Los, Surf. Sci. 118 (1982), стр. 697 (1982 год)[5.] B. Rasser, J. van Wunnik and J. Los, Surf. Sci. 118 (1982) p. 697 (1982)
[6.] Y. Okumura, H. Hanada, T. Inoue et al. AIP Conf. Proceedings # 210, Нью-Йорк, стр. 169-183 (1990 год)[6.] Y. Okumura, H. Hanada, T. Inoue et al. AIP Conf.
[7.] O. Kaneko, Y. Takeiri, K. Tsumori, Y. Oka и M. Osakabe et al., "Engineering prospects of negative-ion-based neutral beam injection system from high power operation for the large helical device", Nucl. Fus., том 43, стр. 692-699, 2003 год[7.] O. Kaneko, Y. Takeiri, K. Tsumori, Y. Oka and M. Osakabe et al., "Engineering prospects of negative-ion-based neutral beam injection system from high power operation for the large helical device" , Nucl. Fus., Volume 43, pp. 692-699, 2003
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.Although the invention is susceptible to various modifications and alternative forms, specific examples thereof are shown in the drawings and described in detail herein. All references are definitely contained in this document. However, it should be understood that the invention is not limited to the specific forms or methods disclosed, but rather that the invention is intended to encompass all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the appended claims.
Claims (17)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115687A RU2741793C2 (en) | 2017-05-04 | 2017-05-04 | Neutral particle beam based injector based on negative ions |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017115687A RU2741793C2 (en) | 2017-05-04 | 2017-05-04 | Neutral particle beam based injector based on negative ions |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012137795A Division RU2619923C2 (en) | 2012-09-04 | 2012-09-04 | Neutral particle beam injector based on negative ions |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2017115687A RU2017115687A (en) | 2018-11-06 |
RU2017115687A3 RU2017115687A3 (en) | 2020-06-23 |
RU2741793C2 true RU2741793C2 (en) | 2021-01-28 |
Family
ID=64102672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017115687A RU2741793C2 (en) | 2017-05-04 | 2017-05-04 | Neutral particle beam based injector based on negative ions |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2741793C2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2778246C1 (en) * | 2021-12-02 | 2022-08-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for processing products with fast atoms |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2038708C1 (en) * | 1992-01-16 | 1995-06-27 | Институт теоретической и экспериментальной физики | Accelerating unit for linear resonant ion accelerator having grid focusing |
-
2017
- 2017-05-04 RU RU2017115687A patent/RU2741793C2/en active
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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 |
RU2038708C1 (en) * | 1992-01-16 | 1995-06-27 | Институт теоретической и экспериментальной физики | Accelerating unit for linear resonant ion accelerator having grid focusing |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
ARNAUDON, Linac4 Technical Design Report, 2006.12.11, найдено в Интернет по адресу https://cds.cern.ch/record/1004186, 17.06.2020. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 20100226 AIP, MELVILLE, NY, US, vol: 81, Nr:2, Page(s): 2B114 - 2B114-7. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 19950701 AIP, MELVILLE, NY, US, Vol: 66, Nr:7, p.3859 - 3863. * |
PETERS J, The Hera Volume H-Source, Particle Accelerator Conference, 2005. PAC 2005. Proceedings of the, 20050516; 20050516 - 20050520 Piscataway, NJ, USA, IEEE /KNOXVILLE TENNESEE, p.788 - 790. * |
PETERS J, The Hera Volume H-Source, Particle Accelerator Conference, 2005. PAC 2005. Proceedings of the, 20050516; 20050516 - 20050520 Piscataway, NJ, USA, IEEE /KNOXVILLE TENNESEE, p.788 - 790. ARNAUDON, Linac4 Technical Design Report, 2006.12.11, найдено в Интернет по адресу https://cds.cern.ch/record/1004186, 17.06.2020. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 20100226 AIP, MELVILLE, NY, US, vol: 81, Nr:2, Page(s): 2B114 - 2B114-7. REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, 19950701 AIP, MELVILLE, NY, US, Vol: 66, Nr:7, p.3859 - 3863. PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY, 20090801 INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, Vol: 11, Nr:4, p.: 452 - 455. * |
PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY, 20090801 INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, Vol: 11, Nr:4, p.: 452 - 455. * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2778246C1 (en) * | 2021-12-02 | 2022-08-16 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Device for processing products with fast atoms |
RU2799504C1 (en) * | 2023-02-21 | 2023-07-05 | Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") | Automatic control system for the supply of producer and process gases in various modes of operation of a tokamak-type plant |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2017115687A (en) | 2018-11-06 |
RU2017115687A3 (en) | 2020-06-23 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11363708B2 (en) | Negative ion-based beam injector | |
RU2619923C2 (en) | Neutral particle beam injector based on negative ions | |
KR101194652B1 (en) | High-current dc proton accelerator | |
RU2741793C2 (en) | Neutral particle beam based injector based on negative ions | |
Alessi et al. | Neutral beam development at BNL | |
Hooper Jr et al. | Optimized System for D− Production from Chargeexchange in Alkali Metals | |
KUNKEL | FUSION, VOLUME 1, PART B | |
Hill | Particle production for accelerators |