离子源中使用带有高透明度的多裂缝接地栅极。其降低了射束交叉面积，因而改善了电压 保持能力并且将在间隙中的气体压力降低到1/2. 5,并带有射束剥离损耗的对应降低。提取 电极和接地电极均为水冷的。
[0020] 对多尖端源中的铯送入提供提取的负离子电流的5倍增大和在大范围的放电功 率和氢填充压力下的r离子产量的线性增长。铯送入的其它重要优点为共同提取的电子 电流的~10倍减少和放电中的氢压力的低至〇. 3Pa的基本下降。
[0021]LHD处的多尖端源惯常地提供大约30A的离子电流，其在2秒长的脉冲上各自具有 30mA/cm2的电流密度[6]。LHD离子源的主要问题为通过从细丝溅射的钨而送至电弧隔室 的铯的阻塞，和当在高功率长脉冲方法下操作时高电压保持能力的下降。
[0022] LHD的基于负离子的中性射束注入器具有两个离子源，其在180keV的名义射束能 量下利用氢操作。每个注入器已经实现128秒脉冲期间5MW的名义注入功率，使得各离子 源提供2. 5MW的中性射束。图8A和B显示了LHD中性射束注入器。离子源的焦距为13m， 并且两个源的枢转点定位在下游15. 4m。发射端口为大约3m长，其中，最狭窄部分直径为 52cm，并且长度为68cm。
[0023] 带有RF等离子驱动器的离子源和由铯覆盖的等离子电极上的负离子产生由IPP Garching开发。RF驱动器产生更多的清洁等离子，使得在这些源中不存在由钨导致的铯阻 塞。带有1A的射束电流、~20kV的能量和3600秒持续时间的负离子射束脉冲的稳态提取 在2011年由IPP证实。
[0024]目前，在用于下阶段熔化装置（例如，ITER托克马克）的开发下的高能量中性射束 注入器，还未被证明在期望的IMeV能量下的稳定操作和具有足够高的电流的稳定状态或 连续波（CW)。因而，无论何时，只要有可能解决阻止实现射束的靶参数的问题，均存在对发 展可实施解决方案的需要，例如500-1000KeV的范围中的射束能量、100-200A/m3的主容器 端口的中性物中的有效电流密度、1000秒脉冲长度的大约5-20MW的每中性射束注入器功 率、和少于射束电流的1-2%的通过射束注入器引入的气体负载。应注意的是，如果注入器 的模块中的负离子电流与用于ITER射束的40A提取离子电流相比降低至8-10A提取离子 电流，那么该目标的实现变得较不被需要。在提取的电流和射束功率中的逐步降低将导致 在注入器离子源和高能加速器的关键元件的设计上的较大变更，使得更多良好发展的技术 和方法能够应用于改善注入器的可靠性。因而，在如下假定下本考虑提议每模块8-10A的 提取电流：需要的输出注入功率可使用产生高电流密度、低发散射束的若干注入器模块获 得。
[0025] 表面等离子源性能相当好地被证明，并且如今在操作中的若干离子源已产生超过 1A或更高的连续可扩缩的离子射束。至今，中性射束注入器的关键参数（如，射束功率和脉 冲持续时间）距对考虑的注入器所要求的那些相当远。这些注入器的开发的当前状态可从 表1得到理解。
[0026] 因而，期望提供一种改进的中性射束注入器。
【发明内容】
[0027] 在本文中提供的实施例涉及用于基于负离子的中性射束注入器的系统和方法。基 于负离子的中性射束注入器包括离子源、加速器和中和器，来产生具有大约〇. 50至1.OMeV 的能量的大约5MW的中性射束。离子源定位在真空罐内侧并且产生9A的负离子射束。由 离子源产生的离子在注入高能加速器发射之前由离子源中的静电多孔栅极预加速器预加 速至120keV，该预加速器用来从等离子提取离子射束，并且加速至需要的射束能量的一部 分。来自离子源的120keV射束行进穿过一对偏转磁体，该对偏转磁体允许射束在进入高能 加速器之前从轴线移开。在加速至满能量后，射束进入中和器，在此其被部分地转换成中性 射束。剩余的离子种类通过磁体而分离并被引导入静电能量转换器中。中性射束行进穿过 闸门阀并进入等离子隔室。
[0028] 将等离子驱动器和离子源的等离子箱的内壁维持在升高的温度（150-200°C)下， 以防止它们的表面上的铯积聚。提供分配歧管来直接对等离子栅极的表面上而不对等离子 供应铯。这与将铯直接供应入等离子放电隔室中的现有离子源相反。
[0029] 使用磁场来在离子提取中偏转共同提取的电子，并且通过外部磁体而不通过在之 前的设计中采用的嵌入栅极主体中的磁体来产生预加速区域。在栅极中的嵌入的"低温" 磁体的不存在允许它们被加热至升高的温度。之前的设计倾向于利用嵌入栅极主体中的磁 体，这倾向于导致提取的射束电流的显著的减少，并且防止升高的温度操作以及适当的加 热/冷却性能。
[0030] 高电压加速器不直接联接至离子源，而是通过具有弯转磁体、真空泵和铯阱的过 渡区域（低能射束传输线-LEBT)与离子源间隔开。过渡区域从射束截取和移除共同流动 的粒子中的大多数，包括电子、光子和中性物，抽空从离子源发出的气体，并且防止其到达 高电压加速器，防止铯流出离子源和渗透至高电压加速器，防止通过负离子剥离产生的电 子和中性物进入高电压加速器。在之前的设计中，离子源直接连接至高电压加速器，这倾向 于导致高电压加速器遭受所有的气体、带电粒子、和来自离子源的铯流，且反之亦然。
[0031] LEBT中的弯转磁体将射束偏转和聚焦至加速器轴线上，并且因而补偿在传输穿过 离子源的磁场期间的任何射束偏移和偏转。在预加速器和高电压加速器的轴线之间的偏移 减少了共同流动的粒子去往高电压加速器的流入，并且防止高度加速的粒子（正离子和中 性物）回流入预加速器和离子源中。射束聚焦与多孔栅极系统相比还促进了进入加速器的 射束的均一性。
[0032] 中和器包括等离子中和器和光子中和器。等离子中和器基于在壁处具有高磁场永 磁体的多尖端等离子约束系统。光子中和器是基于基于高反射壁的圆柱形空腔，并且利用 高效率激光进行泵送的光子阱。这些中和器技术从未考虑应用于大规模中性射束注入器 中。
[0033] 在检查下列附图和详细说明后，实例实施例的其它系统、方法、特征和优点对于本 领域技术人员将是或将变得显而易见。
【附图说明】
[0034] 可通过对附图的研宄来部分地收集实例实施例的细节，包括结构和操作，其中，相 似的参考数字指相似的元件。附图中的构件不一定遵循比例，而是将重点放置于示出本发 明的原理上。而且，所有的示出均意图传达概念，其中，可示意地而不是精确地或准确地示 出相对尺寸、形状以及其它详细特征。
[0035] 图1是基于负离子的中性射束注入器布局的平面图。
[0036] 图2是在图1中显示的基于负离子的中性射束注入器的剖视等距视图。
[0037] 图3是用于ITER托克马克的中性的高功率注入器的平面图。
[0038] 图4是用于JET中性射束注入器的具有外围多极磁场的放电隔室的等距剖视图。
[0039] 图5是显示作为入射能的函数的负离子的整体产量的图表，该负离子通过利用中 性H原子和正分子H轰击Mo+Cs表面形成。与仅预铯化表面相比，通过利用DC铯化来增加 产量。
[0040] 图6是用于LHD的负离子源的平面图。
[0041] 图7是用于LHD源的多孔离子光学系统的示意图。
[0042] 图8A和B是LHD中性射束注入器的顶视图和侧视图。
[0043] 图9是离子源的剖视图。
[0044] 图10是低能量氢原子源的剖视图。
[0045] 图11是显示在低能量束中的IT离子轨迹的图。
[0046] 图12是加速器的等距视图。
[0047] 图13是显示加速管中的离子轨迹的图。
[0048] 图14是四极透镜三合体的等距视图。
[0049] 图15是显示在高能射束输送线的加速器中的离子轨迹的顶视图（a)和侧视图（b) 的图。
[0050] 图16是等离子靶布置的等距视图。
[0051] 图17是显示在恢复器中的离子射束减速的二维计算的结果的图。
[0052] 应当理解的是，遍及附图，具有相似结构或功能的元件通常由相似的参考数字代 表以用于示出目的。还应当注意的是，附图仅意图促进优选实施例的描述。
【具体实施方式】
[0053] 在下面公开的附加的特征和教导可单独地或结合其它特征和技术利用，来提供新 的基于负离子的中性射束注入器。现在将参照附图更加详细地描述在本文中描述的实施例 的代表实例，这些实例既单独地又结合地利用这些附加特征和教导中的许多。该详细描述 仅意图教导本领域技术人员用于实践本教导的优选方面的更多细节，并且不意图限制本发 明的范围。因而，在最广泛的意义上，在下列详细描述中公开的特征和步骤的组合对于实践 本发明不是必须的，而是仅被教导来尤其描述本教导的代表性实例。
[0054] 而且，代表性实例和从属权利要求的各种特征可以以未具体地和明确地列举的方 式组合，以便提供本教导的附加的有用实施例。此外，清楚地注意到，在说明书和/或权利 要求中公开的所有特征意图彼此分离地且独立地公开，以用于原始