基于负离子的中性射束注入器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本文中公开的主题大体涉及中性射束注入器，并且更具体地涉及基于负离子的中 性射束注入器。
【背景技术】
[0002] 直至目前，在磁熔化研宄、材料加工、蚀刻、杀菌和其它应用中使用的中性射束均 由正离子形成。通过静电场从气体放电等离子提取和加速正氢同位素离子。在加速器的地 平面之后，它们进入气室，在此它们既经受电荷交换反应来获取电子且又经受碰撞离子化 反应来再次失去电子。由于电荷交换剖面随着增大的能量而比离子化更快地减少，因而厚 气室中的平衡中性部分在用于氢粒子的大于60keV的能量下开始快速下降。对于需要比 这稍高的能量的氢同位素中性射束应用，需要产生和加速负离子，并且然后将它们在薄气 室中转换成中性的，这可导致跨过直到许多MeV的大范围能量的大约60%的中性部分。如 果使用等离子或光子室来将高能负离子射束转换成中性的，那么可获得甚至更高的中性部 分。在光子电池的情况（对于该情况，光子能超出氢的电子亲合性）下，中性部分可接近 100%。值得注意的是，负离子在加速器物理学中的应用的概念由Alvarez在多于50年前 首次陈述[1]。
[0003] 由于用于电流驱动和在未来的较大熔化装置上的加热，以及现有装置上的一些应 用的中性射束需要大大超出利用正离子可获得的能量的能量，因而近年发展了基于负离子 的中性射束。但是，至今获得的射束电流显著少于通过正离子源相当日常地产生的。负离 子源的关于射束电流的较低性能的物理原因是仅为0. 75eV的氢的低电子亲和性。因而，比 它们的正配对物更难以产生负氢离子。还十分难以使新生的负离子达到提取区域而不与高 能电子的冲突，高能电子将十分可能引起额外的松弛地结合的电子的损失。从等离子提取 r离子来形成射束可能比H+离子的情况更复杂，因为负离子将伴随有更大的电子电流，除 非采用抑制措施。由于从r离子碰撞剥离电子以用来产生原子的剖面比用于H+离子从氢 分子获得电子的剖面大得多，因而在加速期间转换成中性的离子部分可为显著的，除非通 过操作处于低压的离子源而使加速器路径中的气体线路密度最小化。在加速期间过早地中 性化的离子形成低能量尾部，并且通常具有比经受整个加速度势的那些更大的发散。
[0004] 加速的负离子射束的中性化可利用大约60%的效率在气体靶中实现。等离子和光 子靶的使用允许在负离子的中性化效率的进一步增大。注入器的整体能量效率可通过在经 过中和器后保留在射束中的离子种类的能量恢复而增大。
[0005] 在图3中显示了用于ITER托卡马克的高功率中性射束注入器的示意图，该注入器 也典型地用于被考虑的其它反应器等级磁等离子约束系统[2]。注入器的基础构件为负离 子的高电流源、离子加速器、中和器、带有离子收集器-恢复器的电荷交换射束的带电构件 的磁分离器。
[0006] 为了维持注入器中的需要的真空条件，典型地将高真空泵送系统与大尺寸闸门阀 一起使用，该闸门阀将射束管与等离子装置切断并且/或者提供对注入器的主元件的接近 途径。通过使用可缩进量热靶，以及通过无损光学方法来测量射束参数。强大的中性射束 的产生需要使用对应的功率供应源。
[0007] 根据产生的原理，负离子源可分成下列集合： ?体积产生（等离子）源-在其中，在等离子的体积中产生离子； ?表面产生源-在其中，离子在电极或专用靶的表面上产生； ?表面等离子源-在其中，离子在与由Novosibirskgroup开发的等离子粒子互相作用 的电极的表面上产生[3];和 ?电荷交换源-在其中，由于加速的正离子射束在不同的靶上的电荷交换，故产生负离 子。
[0008] 为了在与正离子源中相似的现代体积IT离子源中生成等离子，使用利用热细丝或 中空阴极的电弧放电，以及氢中的RF放电。为了放电中的电子约束的改善并且为了对于负 离子源而言重要的气体放电隔室中的氢密度的降低，使用磁场中的放电。广泛使用具有外 部磁场（即，具有电极的潘宁或磁控管几何结构，具有"反射"放电的纵向磁场中的电子振 荡）的系统，和具有外围磁场（多极）的系统。在图4中显示了为了JET的中性射束注入 器开发的具有外围磁场的放电隔室的剖面图[3]。等离子箱的外围处的磁场通过安装于其 外表面上的永磁体而产生。磁体布置成组，在其中磁化方向是不变的或以错列顺序变化，使 得磁场线具有接近壁的线性或交错尖端（cusp)的几何结构。
[0009]在等离子隔室的外围处具有多极磁场的系统的应用尤其允许系统将在隔室中 处于降低的气体工作压力下的源中的密集等离子维持为低至l_4Pa(不带有铯）和低至 0. 3Pa(在带有铯的系统中）[4]。这种在放电隔室中的氢密度的降低对于高电流多孔巨型 离子源尤其重要，其是为了熔化研宄中的应用而开发的。
[0010] 此时，表面等离子产生离子源被认为最适用于高电流负离子射束的产生。
[0011] 在表面等离子产生离子源中，在具有充分的能量的粒子与低功函表面之间的相互 作用中产生离子。该效应可通过暴露于轰击的表面的碱性涂层来增强。存在两个主要工序， 即：热力学平衡表面离子化，其中，在表面上碰撞的慢原子或分子在平均滞留时间后作为正 或负离子发射回；和非平衡（运动）原子表面互相作用，其中，负离子通过溅射、碰撞解吸 (与热解吸相反，其中热粒子被解吸）或在碱性金属涂层的存在下的反射而产生。在热力学 平衡离子化的工序中，吸收的粒子在热平衡的条件下脱离表面。离开表面的粒子的离子化 系数通过Saha公式而确定，并呈现为十分小~0. 02%。
[0012] 非平衡运动表面离子化的工序呈现为在表面中更加有效，并且具有可比得上负离 子的电子亲和性的足够低的功函。在该工序期间，负离子使用从初级粒子获得的动能来脱 离表面，从而克服近表面障碍。在表面附近，附加的电子的能量水平低于在金属中的电子的 较高的费米水平，并且该水平可十分易于通过来自金属的电子隧穿而获得。在离开表面的 离子移动期间，其克服由镜像电荷
产生的势皇。电荷镜像场相对于金属中的 电子的能量水平提高附加的电子的能量水平。从一些临界距离开始，附加电子的水平变得 高于金属中的电子的较高能量水平，并且谐振隧穿将电子从离开的离子送回至金属。在离 子足够快速地脱离的情况下，负离子化系数呈现为对于具有低功函的表面而言相当高，该 低功函可通过覆盖碱性金属（尤其是铯）而提供。
[0013] 实验显示，脱离具有低功函的该表面的氢粒子的负离子化程度可达到
应当注意到，在0.6单层的Cs覆盖（在钨晶体110表面上）下， 钨表面上的功函具有最小值。
[0014] 对于负氢离子源的开发，重要的是，负离子的整体产量足够高，r=9-25%，以用于 具有3-25eV的能量的氢原子和正离子与具有低功函的表面（如，Mo+Cs，W+Cs)的冲突[5]。 尤其是，（见图5)在通过具有大于2eV的能量的弗兰克康东原子的铯化钼表面的轰击中， 到离子的整体转换效率可达到IT~8%。
[0015] 在表面等离子源（SPS) [3]中，负离子产生由于运动表面离子化-在与气体放电等 离子接触的电极上的溅射、解吸、或反射工序，而实现。在SPS中使用具有降低的功函的专 用发射器的电极，以用于增强负离子产生。通常，对放电加入少量的铯允许获得在IT射束 的亮度和强度中的多方面增大。送入放电中的铯显著地降低与负离子一起提取的电子的附 随通量。
[0016] 在SPS中，气体放电等离子提供若干功能，S卩，其产生轰击电极的粒子的强通量； 电极附近的等离子壳层产生离子加速，从而增大了轰击粒子的能量；在负电势下在电极处 产生的负离子通过等离子壳层电势而加速并且穿过等离子层进入提取区域中，而没有相当 大的破坏。利用相当高的功率和气体效率的强烈的负离子产生在"脏"的气体放电条件和 电极的强烈轰击下，在SPS的各种改型中获得。
[0017] 已经开发若干SPS源以用于大型熔化装置，如LHD、JT-60U和国际（ITER)托克马 克。
[0018] 这些源的典型的特征可通过考虑LHD仿星器的注入器[4](其在图6[4, 6]中示 出）来理解。电弧等离子在具有~100升体积的大型磁性多极桶隔室中产生。二十四个钨 细丝在大约0. 3-0. 4Pa的氢压力下支持3kA，~80V电弧。在~50G的中心处具有最大电 场的外部磁体过滤器提供在等离子附近的提取区域中的电子密度和温度下降。等离子电极 的正偏压（~10V)减少了附随的电子通量。负离子在由最优铯层覆盖的等离子电极上产 生。配备有气动阀的外部铯炉（三个用于一个源）供应分配的铯送入（seeding)。负离子 产生在200-250°C的最优等离子电极温度下获得最大值。等离子电极受到绝热并且其温度 通过功率负载等离子放电而确定。
[0019] 在图7中显示了四电极多孔离子光学系统，其在LHD中使用[6]。负离子通过各具 有1.4cm的直径的770发射孔而提取。孔在等离子电极上占用25x125cm2的区域。小的 永磁体嵌入孔之间的提取栅极中，来将共同提取的电子从射束偏转至提取电极壁上。安装 在提取栅极后方的附加的电子抑制栅极抑制从提取电极壁反向散射或放出的次级电子。在