RS58649B1 - Injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima - Google Patents

Description

Opis

OBLAST

[0001] Predmetna materija koja je ovde opisana odnosi se generalno na injektore neutralnog snopa i, preciznije, na injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima.

POZNATO STANJE TEHNIKE

[0002] Do nedavno, neutralni snopovi korišćeni u istraživanjima magnetne fuzije, obradi materijala, nagrizanju (etching), sterilizaciji i drugim primenama bili su svi formirani od pozitivnih jona. Pozitivni joni izotopa vodonika bili su ekstrahovani i ubrzani iz pražnjenja gasne plazme elektrostatičkim poljima. Neposredno nakon ravni uzemljenja akceleratora, oni su ulazili u gasnu ćeliju, gde su bili podvrgnuti i reakcijama izmene naelektrisanja da bi dobili elektron i reakcijama jonizacije sudarom da bi ga ponovo izgubili. Pošto poprečni presek izmene naelektrisanja opada mnogo brže sa povećanjem energije nego što je to slučaj sa poprečnim presekom za jonizaciju, ravnotežna neutralna frakcija u gustoj gasnoj ćeliji počinje brzo da opada pri energijama većim od 60 keV za čestice vodonika. Za primene neutralnog snopa izotopa vodonika koje zahtevaju energije značajno veće od ove, neophodno je proizvesti i ubrzati negativne jone, a zatim ih pretvoriti u neutrale u tankoj gasnoj ćeliji, što može rezultirati neutralnom frakcijom od oko 60% preko širokog raspona energija do mnogo MeV. Mogu se dobiti čak i veće neutralne frakcije ako se plazma ili fotonska ćelija koristi za pretvaranje energetskih negativnih jonskih snopova u neutralne. U slučaju fotonske ćelije, za koju energija fotona premašuje afinitet prema elektronu vodonika, neutralne frakcije mogu biti blizu 100%. Vredi napomenuti da je ideja primene negativnih jona u fizici akceleratora prvi put predstavljena od Alvareza pre više od 50 godina [1].

[0003] Budući da neutralni snopovi za strujni pogon i grejanje na većim fuzionim uređajima budućnosti, kao i neke primene na današnjim uređajima, zahtevaju energije daleko iznad onih koje su dostupne sa pozitivnim jonima, poslednjih godina su razvijeni neutralni snopovi zasnovani na negativnim jonima. Međutim, do sada postignute struje snopa su znatno slabije od onih koje se rutinski proizvode pomoću izvora pozitivnih iona. Fizički razlog za slabije performanse izvora negativnih jona u pogledu struje snopa je nizak afinitet prema elektronu vodonika, koji iznosi samo 0.75 eV. Zbog toga je mnogo teže proizvesti negativne jone vodonika nego njihove pozitivne parnjake. Takođe je veoma teško za novonastale negativne jone da dođu do područja ekstrakcije bez sudara sa energetskim elektronima koji će, sa veoma velikom verovatnoćom, prouzrokovati gubitak dodatnog labavo vezanog elektrona. Ekstrakcija H– jona iz plazme radi formiranja snopa je takođe komplikovanija nego sa H<+>jonima, jer će negativni joni biti praćeni mnogo većom strujom elektrona ako se ne primene mere suzbijanja. Pošto je poprečni presek za koliziono skidanje elektrona sa H<–>jona da bi se proizveo atom znatno veći od poprečnog preseka za H<+>jon da bi se dobio elektron iz molekula vodonika, frakcija jona konvertovana u neutrale tokom ubrzanja može biti značajna, osim ako se gustina gasne linije u akceleratorskoj putanji ne minimizira delovanjem izvora jona na niskom pritisku. Joni koji su preuranjeno neutralisani tokom ubrzanja formiraju nizak energetski trag, i generalno imaju veću divergenciju od onih koji dožive pun potencijal ubrzanja.

[0004] Neutralizacija ubrzanog snopa negativnih jona može se obaviti u gasnoj meti sa efikasnošću od oko 60%. Upotreba plazma i fotonskih meta omogućava dalje povećanje efikasnosti neutralizacije negativnih jona. Ukupna energetska efikasnost injektora može se povećati rekuperacijom energije jonskih specija koje ostaju u snopu nakon što prođu neutralizator.

[0005] Šematski dijagram injektora neutralnog snopa velike snage za ITER tokamak, koji je takođe tipičan za druge sisteme magnetskog konfiniranja plazme reaktorskog kvaliteta koji se razmatraju, prikazan je na slici 3 [2]. Osnovne komponente injektora su visokostrujni izvor negativnih jona, jonski akcelerator, neutralizator i magnetski separator naelektrisane komponente snopa izmenjenog naelektrisanja sa kolektorima-rekuperatorima jona.

[0006] Da bi se održali potrebni uslovi vakuuma u injektoru, sistem za pumpanje u visokom vakuumu uobičajeno se koristi sa velikim propusnim ventilima, koji seku kanal snopa iz plazma uređaja i/ili obezbeđuju pristup glavnim elementima injektora. Parametri snopa se mere korišćenjem uvlačivih kalorimetrijskih meta, kao i neinvazivnim optičkim metodama. Proizvodnja snažnih neutralnih snopova zahteva korišćenje odgovarajućeg električnog napajanja.

[0007] Prema principu proizvodnje, izvori negativnih jona mogu se podeliti u sledeće grupe:

● izvori zapreminske proizvodnje (plazma) – u kojima se joni proizvode u zapremini plazme;

● izvori površinske proizvodnje – u kojima se joni proizvode na površini elektroda ili specijalnih meta;

● površinski-plazma izvori – u kojima se joni proizvode na površinama elektroda koje su u interakciji sa česticama plazme, koje je razvila grupa iz Novosibirska [3]; i

● izvori izmene naelektrisanja – u kojima se negativni joni proizvode zbog izmene naelektrisanja ubrzanih snopova pozitivnih jona na različitim metama.

[0008] Da bi se generisala plazma u savremenim zapreminskim H<–>jonskim izvorima slično onom u izvoru pozitivnih jona, koriste se lûčna pražnjenja sa vrućim vlaknima ili šupljim katodama, kao i RF pražnjenja u vodoniku. Za poboljšanje konfiniranja elektrona u pražnjenju i za smanjenje gustine vodonika u komori za pražnjenje gasa, što je važno za izvore negativnih iona, koriste se pražnjenja u magnetnom polju. Sistemi sa spoljašnjim magnetnim poljem (tj. sa Peningovom ili magnetronskom geometrijom elektroda, sa oscilovanjem elektrona u uzdužnom magnetnom polju „reflektivnog“ pražnjenja), i sistemi sa perifernim magnetnim poljem (multipol) su u širokoj upotrebi. Pogled na unutrašnjost komore za pražnjenje sa perifernim magnetnim poljem razvijenim za injektor neutralnog snopa JET-a prikazan je na slici 4 [3]. Magnetno polje na periferiji kutije za plazmu je proizvedeno stalnim magnetima instaliranim na njenoj spoljnoj površini. Magneti su raspoređeni po redovima u kojima je pravac magnetizacije konstantan ili se menja u nepravilnom rasporedu, tako da linije magnetnog polja imaju linearnu ili geometriju šahovskog polja u blizini zida.

[0009] Primena sistema sa multipolnim magnetnim poljem na periferiji plazma komora naročito omogućava sistemima da održavaju gustu plazmu u izvoru pri smanjenom radnom pritisku gasa u komori na 1-4 Pa (bez cezijuma) i do 0.3 Pa - u sistemima sa cezijumom [4]. Ovakva redukcija gustine vodonika u komori za pražnjenje je posebno važna za visokostrujne gigantske jonske izvore sa više otvora koji se razvijaju za primene u istraživanjima fuzije.

[0010] Trenutno se smatra da su površinski plazma izvori za proizvodnju jona najpogodniji za proizvodnju visokostrujnih snopova negativnih jona.

[0011] U izvorima jona za površinsku proizvodnju plazme, joni se proizvode u interakciji između čestica koje imaju dovoljnu energiju i nisku površinu radne funkcije. Ovaj efekat može biti pojačan alkalnim premazom površine koja je izložena bombardovanju. Postoje dva glavna procesa, i to su termodinamički ravnotežna površinska jonizacija, gde se spori atom ili molekul koji udara po površini emituje nazad kao pozitivan ili negativan jon po isteku srednjeg vremena zadržavanja, i neravnotežne (kinetičke) interakcije atom-površina, pri čemu se negativni joni proizvode raspršivanjem, udarnom desorpcijom (za razliku od termalne desorpcije gde se termalne čestice desorbuju) ili refleksijom u prisustvu premaza od alkalnog metala. U procesu termodinamičkiravnotežne jonizacije adsorbovane čestice izlaze sa površine u uslovima termalne ravnoteže. Koeficijent jonizacije čestica koje napuštaju površinu određen je Saha formulom i deluje da je veoma mali ∼ 0,02%.

[0012] Deluje da je proces neravnotežne kinetičke površinske jonizacije mnogo efikasniji na površini i ima dovoljno nisku radnu funkciju, uporedivu sa afinitetom negativnog jona prema elektronu. Tokom ovog procesa, negativni jon dolazi sa površine koja prevazilazi površinsku barijeru u blizini koristeći kinetičku energiju dobijenu od primarne čestice. Kod površine je energetski nivo dodatnog elektrona niži od gornjeg Fermijevog nivoa elektrona u metalu i ovaj nivo se može vrlo lako zauzeti tunelovanjem elektrona iz metala. Prilikom kretanja jona sa površine on prevazilazi potencijalnu barijeru koju stvara indukovano naelektrisanje

Polje indukovanog naelektrisanja povećava energetski nivo dodatnog elektrona u odnosu na

energetske nivoe elektrona u metalu. Počev od nekog kritičnog rastojanja, nivo dodatnog elektrona postaje viši od gornjeg energetskog nivoa elektrona u metalu, a rezonantno tunelovanje vraća elektron iz odlazećeg jona nazad u metal. U slučaju da se čestica dovoljno brzo ispušta, koeficijent negativne jonizacije deluje da je prilično visok za površinu sa niskom radnom funkcijom koja se može obezbediti prekrivanjem alkalnim metalom, posebno cezijumom.

[0013] Eksperimentalno je pokazano da stepen negativne jonizacije čestica vodonika koje dolaze sa ove površine sa sniženom radnom funkcijom može dostići . Primećeno je

da radna funkcija na volframovim površinama ima minimalnu vrednost sa Cs pokrivenošću od 0.6 monoslojeva (na površini kristala volframa 110).

[0014] Za razvoj izvora negativnih jona vodonika, važno je da je integralni prinos negativnih jona dovoljno visok, K<–>= 9 – 25 %, za sudare atoma vodonika i pozitivnih jona sa energijom 3 – 25 eV sa površinama sa niskom radnom funkcijom, kao što su Mo+Cs, W+Cs [5]. Konkretno, (videti sl.5) kod bombardovanja molibdenove površine sa cezijumom Frenk-Kondonovim atomima energije veće od 2 eV, ukupna efikasnost konverzije u H<–>jone može dostići K<–>∼8%.

[0015] U površinskim plazma izvorima (SPSs) [3], proizvodnja negativnih jona se ostvaruje zahvaljujući kinetičkoj površinskoj jonizaciji - procesima raspršivanja, desorpcije ili refleksije na elektrodama u kontaktu sa plazmom gasnog pražnjenja. Elektrode specijalnih emitera sa sniženom radnom funkcijom se koriste u SPS za poboljšanje proizvodnje negativnih jona. Po pravilu, dodavanje male količine cezijuma u pražnjenje omogućava da se dobije višestruko povećanje luminoznosti i intenziteta H<–>snopova. Unošenje cezijuma (cesium seeding) u pražnjenje značajno smanjuje prateći fluks elektrona ekstrahovanih sa negativnim jonima.

[0016] U jednom SPS, plazma gasnog pražnjenja ima nekoliko funkcija, naime ona proizvodi jake flukseve čestica koje bombarduju elektrode; plašt plazme pored elektrode izaziva ubrzanje jona, povećavajući time energiju čestica kojima se bombarduje; negativni joni, koji se stvaraju na elektrodama pod negativnim potencijalom, ubrzavaju se potencijalom plašta plazme i prolaze kroz sloj plazme u oblast ekstrakcije bez znatnog uništenja. U različitim modifikacijama SPS pod „prljavim“ uslovima pražnjenja gasa i intenzivnim bombardovanjem elektroda dobijena je intenzivna proizvodnja negativnih jona sa prilično visokim efikasnostima snage i gasa.

[0017] Razvijeno je nekoliko SPS izvora za velike fuzione uređaje kao što su LHD, JT-60U i međunarodni (ITER) tokamak.

[0018] Tipične karakteristike ovih izvora mogu se razumeti uzimajući u obzir injektor LHD stelaratora [4], koji je prikazan na slici 6 [4, 6]. Lûčna plazma se proizvodi u velikoj multipolnoj magnetnoj komori cilindrične ograde zapremine od ∼100 litara. Dvadeset četiri volframova vlakna podržavaju lûk od 3 kA, ∼80 V, pod pritiskom vodonika od oko 0.3 - 0.4 Pa. Spoljni magnetni filter sa maksimalnim poljem u centru ∼50 G obezbeđuje gustinu elektrona i smanjenje temperature u oblasti ekstrakcije u blizini plazma elektrode. Pozitivna polarizacija (bias) plazma elektrode (∼10 V) smanjuje prateći elektronski fluks. Negativni joni se proizvode na plazma elektrodi koja je pokrivena optimalnim slojem cezijuma. Spoljašnje cezijumske peći (tri za jedan izvor) opremljene pneumatskim ventilima snabdevaju distribuiranim unošenjem cezijuma. Proizvodnja negativnih jona dostiže maksimum pri optimalnoj temperaturi elektrode plazme od 200 - 250 °C. Plazma elektroda je termički izolovana i njena temperatura se određuje naponskim opterećenjima (power loads) plazma pražnjenja.

[0019] 4-elektrodni jonsko-optički sistem sa više otvora, koji se koristi u LHD jonskom izvoru, prikazan je na slici 7 [6]. Negativni joni se ekstrahuju kroz emisione otvore 770, prečnika 1.4 cm svaki. Otvori zauzimaju površinu od 25 x 125 cm<2>na plazma elektrodi. Mali stalni magneti su ugrađeni u rešetku za ekstrakciju između otvora kako bi se skrenuli koekstrahovani elektroni iz snopa na zid elektrode za ekstrakciju. Dodatna mreža za potiskivanje elektrona, instalirana iza rešetke za ekstrakciju, potisnula je sekundarne elektrone, koji su povratno rasejani (backscattered) ili emitovani iz ekstrahovanih zidova elektroda. Uzemljena rešetka sa više proreza visoke transparentnosti koristi se u jonskom izvoru. Ona smanjuje oblast preseka snopa i na taj način poboljšava kapacitet zadržavanja napona i snižava pritisak gasa u prazninama (gaps) 2.5 puta sa odgovarajućim smanjenjem gubitaka pri stripingu snopa. I ekstrakciona i uzemljena elektroda su hlađene vodom.

[0020] Unošenje cezijuma u izvor „multi-cusp“ tipa obezbeđuje petostruko povećanje ekstrahovane struje negativnih jona i linearni rast prinosa H<–>jona u širokom rasponu snaga pražnjenja i pritisaka punjenja vodonika. Druge važne prednosti unošenja cezijuma su ∼10-struko smanjenje koekstrahovane struje elektrona i značajno smanjenje pritiska vodonika u pražnjenju do na 0.3 Pa.

[0021] Izvori „multi-cusp“ tipa na LHD rutinski obezbeđuju oko 30 A jonske struje svaki, sa gustinom struje od 30 mA/cm<2>u dugim impulsima od 2 sekunde [6]. Glavni problemi za LHD jonske izvore su blokiranje cezijuma, koji se unosi u lûčnu komoru pomoću volframa raspršenog iz vlakana, i smanjenje kapaciteta zadržavanja visokog napona kada radi u režimu dugog impulsa velike snage.

[0022] Injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima LHD-a ima dva jonska izvora koji rade sa vodonikom pri nominalnoj energiji snopa od 180 keV. Svaki injektor je postigao nominalnu snagu ubrizgavanja od 5 MV tokom impulsa od 128 sekundi, tako da svaki jonski izvor obezbeđuje 2.5 MW neutralnog snopa. Slike 8A i B prikazuju LHD injektor neutralnog snopa. Žižna daljina jonskog izvora je 13 m, a pivotna tačka dva izvora se nalazi 15.4 m niže. Port za ubrizgavanje je dugačak oko 3 m, sa najužim delom prečnika 52 cm i dužine 68 cm.

[0023] Izvori jona sa RF plazma pogonom i proizvodnja negativnih jona na plazma elektrodi pokrivenoj cezijumom su u razvoju na IPP Garching. RF pogoni proizvode čistiju plazmu, tako da u ovim izvorima nema blokiranja cezijuma putem volframa. IPP je 2011. godine demonstrirao ekstrakciju u stabilnom stanju impulsa snopa negativnih jona sa strujom snopa 1 A, energijom od ∼20 kV i trajanjem od 3600 sekundi.

[0024] Trenutno, injektori visokoenergetskog neutralnog snopa, koji se razvijaju za fuzione uređaje sledeće faze, kao što je npr. ITER tokamak, nisu pokazali stabilan rad na željenoj energiji od 1 MeV i stabilno stanje ili kontinuirani talasni (CW) rad sa dovoljno visokom strujom. Prema tome, postoji potreba za razvojem održivih rešenja kad god je moguće rešiti probleme koji sprečavaju postizanje ciljnih parametara snopa, kao što su, na primer, energija snopa u opsegu od 500-1000 KeV, efektivna gustina struje u neutralima glavnog ulaza suda od 100-200 A/m<3>, snaga po injektoru neutralnog snopa od oko 5-20 MW dužine impulsa od 1000 sekundi, i opterećenja gasa uvedena od strane injektora snopa da budu manja od 1-2% struje snopa. Primećeno je da postizanje ovog cilja postaje mnogo manje zahtevno ako je struja negativnih jona u modulu injektora redukovana do 8-10 A ekstrakcije jonske struje u poređenju sa 40 A ekstrakcije jonske struje za ITER snop. Spuštanje ekstrahovane struje i snage snopa bi rezultovalo jakim izmenama u dizajnu ključnih elemenata injektora jonskog izvora i visokoenergetskog akceleratora, tako da mnogo razvijenije tehnologije i pristupi postanu primenjivi, poboljšavajući pouzdanost injektora. Prema tome, sadašnje razmatranje sugeriše ekstrahovanu struju od 8-10 A po modulu, pod pretpostavkom da se neophodna izlazna snaga ubrizgavanja može dobiti korišćenjem nekoliko injektorskih modula koji proizvode struju velike gustine, snopove male divergencije.

[0025] Performanse površinskog plazma izvora su prilično dobro dokumentovane i nekoliko izvora jona koji su sada u upotrebi su proizveli neprekidne skalabilne jonske snopove veće od 1 A ili više. Do sada su ključni parametri injektora neutralnog snopa, kao što su snaga snopa i trajanje impulsa, bili prilično daleko od onih neophodnih za injektore koji se razmatraju. Trenutni status razvoja ovih injektora može se razumeti na osnovu Tabele 1.

Tabela 1.

[0026] Zbog toga je poželjno da se obezbedi unapređeni injektor neutralnog snopa.

Primeri prethodnog stanja tehnike u oblasti jonskih snopova uključuju:

[0027]

KATSUNORI IKEDA ET AL: "MAGNETICALLY CONFINED PLASMA; Recent Progress of Neutral Beam Injector and Beam Emission Diagnosis in LHD", PLASMA SCIENCE AND TECHNOLOGY, INSTITUTE OF PHYSICS PUBLISHING, BRISTOL, GB, val. 11, no. 4, 1 August 2009 (2009-08-01), pages 452-455, ISSN: 1009-0630;

A. SIMONIN ET AL: "Mirror-like plasma confinement for a uniform large negative ion source", NUCLEAR FUSION, val.52, no.6, 17 April 2012, page 063003, ISSN: 0029-5515;

BEAUMONT ET AL.: "Design and R&D for the heating systems", ITER-THE INTERNATIONAL SEMINAR, AIX-ENPROVENCE.22-24 JANUARY 2007, pages 72-82, France;

HAN B X ET AL: "Low-energy beam transport studies supporting the spallation neutron source 1-MW beam operation", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, AIP, MELVILLE, NY, US, val.83, no.

2, 1 February 2012, pages 2B727-2B727, ISSN: 0034-6748;

KELLER R ED- LUCCIO A ET AL: "Ion-source and low-energy beam transport issues for H - accelerators", PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE, 1999. PROCEEDINGS OF THE 1999 NEW YORK, NY, USA 27 MARCH-2 APRIL 1999, PISCATAWAY, NJ, USA,IEEE, US, val.1, 27 March 1999 pages 87-91 ISBN: 978-0-7803-5573-6;

Y. TAKEIRI: "Negative ion source development for fusion application", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, val. 81, 26 February 2010 (201 0-02-26), pages 1-6; and TSUMORI K ET AL: "Stability of High Power Beam Injection in Negative-ion-Based LHD-NBI", SECOND INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON NEGATIVE IONS, BEAMS AND SOURCES: TAKAYAMA CITY, JAPAN, 16-19 NOVEMBER 2010 pages 517-525, ISBN: 978-0-7354-0955-2.

IZLAGANJE SUŠTINE PRONALASKA

[0028] Ova prijava obezbeđuje injektore zasnovane na negativnim jonima u skladu sa patentnim zahtevima koji slede.

[0029] Drugi sistemi, metode, karakteristike i prednosti primera načina izvođenja će biti ili će postati očigledni stručnjaku iz ove oblasti tehnike nakon pregleda slika koje slede i detaljnog opisa.

KRATAK OPIS SLIKA NACRTA

[0030] Detalji primera načina izvođenja, uključujući strukturu i rad, mogu se delimično sagledati proučavanjem pratećih slika, u kojima se slični referentni brojevi odnose na slične delove. Komponente na slikama nisu nužno u razmeri, već se naglasak stavlja na ilustrovanje principa pronalaska. Štaviše, sve ilustracije namenjene su tome da prenesu koncepte, pri čemu relativne veličine, oblici i drugi detaljni atributi mogu biti ilustrovaani šematski, a ne bukvalno ili precizno.

SLIKA 1 je prikaz u ravni rasporeda injektora neutralnog snopa zasnovanog na negativnim jonima.

SLIKA 2 je izometrijski prikaz sekcije injektora neutralnog snopa zasnovanog na negativnim jonima prikazanog na slici 1.

SLIKA 3 je ravanski prikaz injektora neutrala visoke snage za ITER tokamak.

SLIKA 4 je izometrijski pogled na unutrašnjost komore za pražnjenje sa perifernim multipolnim magnetnim poljem za JET injektor neutralnog snopa.

SLIKA 5 je dijagram koji prikazuje integralni prinos negativnih jona nastalih bombardovanjem Mo Cs površine neutralnim H atomima i pozitivnim molekularnim H kao funkciju upadne energije. Prinosi se povećavaju korišćenjem DC dodavanja cezijuma (cesiation) u poređenju sa samo prekrivanjem površine cezijumom (precesiating).

SLIKA 6 je prikaz u ravni izvora negativnih jona za LHD.

SLIKA 7 je šematski prikaz jonsko-optičkog sistema sa više otvora za LHD izvor.

SLIKA 8A i B su gornji i bočni pogled na LHD injektor neutralnog snopa.

SLIKA 9 je poprečni presek jonskog izvora.

SLIKA 10 je poprečni presek izvora niskoenergetskih atoma vodonika.

SLIKA 11 je grafik koji prikazuje trajektorije H<–>jona u niskoenergetskom traktu.

SLIKA 12 je izometrijski prikaz akceleratora.

SLIKA 13 je grafik koji prikazuje trajektorije jona u akceleratorskoj cevi.

SLIKA 14 je izometrijski prikaz tripleta kvadripolnih sočiva.

SLIKA 15 je grafik koji prikazuje pogled odozgo (a) i bočni pogled (b) jonskih trajektorija u akceleratoru transportne linije visokoenergetskog snopa.

SLIKA 16 je izometrijski prikaz razmeštaja mete plazme.

SLIKA 17 je grafik koji prikazuje rezultate dvodimenzionalnih proračuna usporavanja jonskog snopa u rekuperatoru.

[0031] Treba napomenuti da su elementi sličnih struktura ili funkcija u svrhu ilustrativnosti generalno predstavljeni sličnim referentnim brojevima kroz date slike. Takođe treba napomenuti da su slike namenjene samo za olakšavanje opisa prioritetnih načina izvođenja.

DETALJAN OPIS

[0032] Svaka od dodatnih karakteristika i učenja obelodanjenih ispod može se koristiti odvojeno ili zajedno sa drugim karakteristikama i učenjima da bi se obezbedio novi injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima. Reprezentativni primeri ovde opisanih načina izvođenja, čiji primeri koriste mnoge od ovih dodatnih karakteristika i učenja, i odvojeno i u kombinaciji, sada će biti detaljnije opisani pozivajući se na priložene crteže. Ovaj detaljan opis namenjen je samo da poduči stručnjaka u datoj oblasti daljim pojedinostima za praktikovanje prioritetnih aspekata prikazanog učenja i nema nameru da ograniči obim pronalaska. Prema tome, kombinacije karakteristika i koraka koje su opisane u sledećem detaljnom opisu možda neće biti neophodne za praktičnu primenu pronalaska u najširem smislu, i umesto toga se uče samo da bi se konkretno opisali reprezentativni primeri datih učenja.

[0033] Štaviše, različite karakteristike reprezentativnih primera i zavisnih patentnih zahteva mogu se kombinovati na načine koji nisu specifično i eksplicitno nabrojani kako bi se obezbedili dodatni korisni načini izvođenja ovog učenja.

[0034] Načini izvođenja ovde dati usmereni su na novi injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima energije poželjno oko 500 - 1000 keV i visoke ukupne energetske efikasnosti. Prioritetan raspored jednog načina izvođenja injektora neutralnog snopa zasnovanog na negativnim jonima 100 ilustrovan je na sl.1 i 2. Kao što je prikazano, injektor 100 uključuje jonski izvor 110, propusni ventil 120, skretne magnete 130 za skretanje linije snopa niske energije, izolator-nosač 140, akcelerator visoke energije 150, propusni ventil 160, cev neutralizatora 170 (prikazana šematski), magnet za odvajanje 180 (prikazan šematski), propusni ventil 190, pumpni paneli 200 i 202, vakuumski rezervoar 210 (koji je deo vakuumskog suda 250 o kome je diskutovano ispod), krio-sorpcione pumpe 220, i triplet kvadripolnih sočiva 230. Injektor 100, kao što je napomenuto, sadrži jonski izvor 110, akcelerator 150 i neutralizator 170 da proizvodi oko 5 MW neutralnog snopa energije od oko 0.50 do 1.0 MeV. Jonski izvor 110 se nalazi unutar vakuumskog rezervoara 210 i proizvodi 9A snop negativnih jona. Vakuumski rezervoar 210 ima napon od – 880 kV u odnosu na zemlju i instaliran je na izolacione nosače 140 unutar rezervoara većeg prečnika 240 napunjenog SF6gasom. Joni proizvedeni od strane jonskog izvora su unapred ubrzani do 120 keV pre ubrizgavanja u akcelerator visoke energije 150 elektrostatičkim predakceleratorom sa rešetkom sa više otvora 111 (videti sliku 9) u jonskom izvoru 110, koji se koristi za ekstrakciju jonskih snopova iz plazme i ubrzavaju se do neke frakcije zahtevane energije snopa. Snop od 120 keV iz jonskog izvora 110 prolazi kroz par skretnih magneta 130, koji omogućavaju da se snop pomera od ose pre ulaska u akcelerator visoke energije 150. Pumpni paneli 202 prikazani između skretnih magneta 130 uključuju pregradu i klopku za cezijum.

[0035] Pretpostavlja se da je gasna efikasnost jonskog izvora 110 oko 30 %. Projektovana struja negativnog jonskog snopa od 9-10 A odgovara 6-7 l·Torr/s naduvanog gasa u jonskom izvoru 110. Neutralni gas koji teče iz jonskog izvora 110 nagomilava se do prosečnog pritiska u predakceleratoru 111 od oko 2x10<-4>Torr. Pri ovom pritisku, neutralni gas uzrokuje ∼10 % striping gubitka jonskog snopa unutar pred-akceleratora 111. Između skretnih magneta 130 postoje deponije (nisu prikazane) za neutralne čestice, koje nastaju iz primarnog negativnog jonskog snopa. Takođe postoje deponije (nisu prikazane) za pozitivne jone koji se vraćaju iz akceleratora visoke energije 150. Oblast transportne linije niskoenergetskog snopa 205 sa diferencijalnom pumpom iz pumpnih panela 200 se koristi odmah nakon pred-ubrzanja da se smanji pritisak gasa do ∼10<-6>Torr pre nego što stigne do akceleratora visoke energije 150. Ovo uvodi dodatnih ∼5% gubitka snopa, ali pošto se dešava pri niskoj energiji pred-ubrzanja, gubitak snage je relativno mali. Gubici izmene naelektrisanja u akceleratoru visoke energije 150 su ispod 1% na pozadinskom pritisku od 10<-6>Torr.

[0036] Nakon ubrzavanja do pune energije od 1 MeV snop ulazi u neutralizator 170 gde se delimično pretvara u neutralni snop. Preostale jonske specije se odvajaju magnetom 180 i usmeravaju u pretvarače elektrostatičke energije (nisu prikazani). Neutralni snop prolazi kroz propusni ventil 190 i ulazi u plazma komoru 270.

[0037] Vakuumski sud 250 je podeljen u dva odeljka. Jedan odeljak sadrži pred-akcelerator 111 i liniju niskoenergetskog snopa 205 u prvom vakuumskom rezervoaru 210. Drugi odeljak sadrži liniju visokoenergetskog snopa 265, neutralizator 170 i pretvarače/rekuperatore energije naelektrisanih čestica u drugom vakuumskom rezervoaru 255. Odeljci vakuumskog suda 250 spojeni su kroz komoru 260 sa unutrašnjošću akceleratorske cevi visoke energije 150.

[0038] Prvi vakuumski rezervoar 210 je vakuumska granica pred-akceleratora 111 i linije niskoenergetskog snopa 205 i rezervoar većeg prečnika ili spoljni sud 240 je pod pritiskom sa SF6gasom za visokonaponsku izolaciju. Vakuumski rezervoari 210 i 255 služe kao noseća struktura za unutrašnju opremu, kao što su magneti 130, krio-sorpcione pumpe 220, itd. Uklanjanje toplote iz unutrašnjih komponenti koje nose toplotu biće izvedeno pomoću rashladnih cevi, koje moraju da imaju izolacione prekide u slučaju prvog vakuumskog rezervoara 210, koji je polarisan na -880 kV.

JONSKI IZVOR:

[0039] Šematski dijagram jonskog izvora 110 je prikazan na slici 9. Jonski izvor uključuje: elektrostatičke pred-akceleratorske rešetke sa više otvora 111, keramičke izolatore 112, RF tip plazma pogona 113, stalne magnete 114, kutiju za plazmu 115, kanale i cevovode vodenog hladioca 116, i gasne ventile 117. U jonskom izvoru 110, molibdenska površina sa dodatim cezijumom plazma rešetki pred-akceleratora 111 se koristi za pretvaranje pozitivnih jona i neutralnih atoma formiranih plazma pogonskim uređajima 113 u negativne jone u ekspanzionoj zapremini plazme (zapremina između pogona 113 i rešetki 111, naznačena zagradom označenom sa "PE" na slici 9) sa magnetno-multipolno-sudnim zadržavanjem kako je obezbeđeno stalnim magnetima 114.

[0040] Pozitivno polarizovan napon za sakupljanje elektrona primenjen je na rešetke predakceleratora plazme 111 na optimizovane uslove za proizvodnju negativnih jona. Geometrijsko oblikovanje otvora 111B u plazma pred-akceleratorskim rešetkama 111 koristi se za fokusiranje H<–>jona u otvore 111B rešetke za ekstrakciju. Mali poprečni magnetni filter proizveden od strane spoljnih stalnih magneta 114 koristi se da smanji temperaturu elektrona koji se difunduju iz oblasti pogonskog uređaja ili oblasti plazma emitera PE kutije za plazmu 115 u oblast ekstrakcije ER kutije za plazmu 115. Elektroni u plazmi se reflektuju nazad iz oblasti ekstrakcije ER pomoću polja malog poprečnog magnetnog filtera generisanog od strane spoljnih stalnih magneta 114. Joni se ubrzavaju do 120 keV pre ubrizgavanja u akcelerator visoke energije 150 pomoću elektrostatičke pred-akceleratorske plazma rešetke sa više otvora 111 u jonskom izvoru 110. Pre ubrzanja do visoke energije, jonski snop je oko 35 cm u prečniku. Jonski izvor 110 stoga mora da proizvede 26 mA/cm<2>u otvorima 111B uz pretpostavku 33% transparentnosti u plazma rešetkama pred-akceleratora 111.

[0041] Plazma, koja napaja kutiju za plazmu 115, proizvedena je od strane niza plazma pogonskih uređaja 113 instaliranih na zadnjoj prirubnici 115A kutije za plazmu, koja je poželjno cilindrična vodom hlađena bakarna komora (prečnika 700 mm dužine 170 mm). Otvoreni kraj kutije za plazmu 115 zatvoren je plazma rešetkama pred-akceleratora 111 sistema za ekstrakciju i ubrzavanje.

[0042] Pretpostavlja se da se negativni joni proizvode na površini plazma rešetki 111, koje su prekrivene tankim slojem cezijuma. Cezijum se unosi u kutiju za plazmu 115 upotrebom sistema za dopremanje cezijuma (nije prikazan na slici 9).

[0043] Jonski izvor 110 je okružen stalnim magnetima 114 da bi se formirala konfiguracija tipa „line cusp“ za konfiniranje primarnih elektrona i plazme. Kolone magneta 114A na cilindričnom zidu kutije za plazmu 115 su povezane na zadnjoj prirubnici 115A sa redovima magneta 114B koji su takođe u konfiguraciji tipa „line-cusp“. Magnetni filter blizu ravni plazma rešetki 111 deli kutiju za plazmu 115 na oblast plazma emitera PE i oblast ekstrakcije ER. Filter magneti 114C su instalirani na prirubnici 111A pored plazma rešetki 111, da bi se obezbedilo poprečno magnetno polje (B = 107 G u centru) koje služi da spreči energetske primarne elektrone koji dolaze od jonskih pogona 113 da dosegnu oblast ekstrakcije ER. Međutim, pozitivni joni i niskoenergetski elektroni mogu difundovati preko filtera u oblast ekstrakcije ER.

[0044] Sistem elektroda za ekstrakciju i pred-ubrzanje 111 sadrži pet elektroda 111C, 111D, 111E, 111F i 111G, od kojih svaka ima 142 rupe ili otvora 111B koji su formirani ortogonalno kroz njih i koji se koriste da obezbede snop negativnih jona. Otvori za ekstrakciju 111B imaju svaki prečnik od 18 mm, tako da ukupna površina oblasti ekstrakcije jona od 142 otvora za ekstrakciju iznosi oko 361 cm<2>. Gustina struje negativnih jona je 25 mA/cm<2>i neophodna je za proizvodnju 9 A jonskog snopa. Magnetno polje magnetnih filtera 114C se proširuje u praznine između elektrostatičkog ekstraktora i rešetki pred-akceleratora 111, da skrene koekstrahovane elektrone na žlebove na unutrašnjoj površini otvora 111B u elektrodama za ekstrakciju 111C, 111D i 111E. Magnetno polje magnetnih filtera 114C zajedno sa magnetnim poljem dodatnih magneta 114D obezbeđuje skretanje i presretanje elektrona, koekstrahovanih sa negativnim jonima. Dodatni magneti 114D uključuju niz magneta instaliranih između držača akceleratorskih elektroda 111F i 111G akceleratorske rešetke koja se nalazi niže od rešetke za ekstrakciju, koja sadrži elektrode za ekstrakciju 111C, 111D i 111E. Treća elektroda rešetke 111E, koja ubrzava negativne jone do energije od 120 keV, je pozitivno polarisana u odnosu na uzemljenu elektrodu rešetke 111D da odbija povratno strujanje pozitivnih jona koji ulaze u rešetku pred-akceleratora.

[0045] Plazma pogonski uređaji 113 uključuju dve alternative, naime, RF plazma pogon i atomski pogon na bazi lûčnog pražnjenja. U atomskom pogonu se koristi BINP-razvijen lûčni plazma generator na bazi lûčnog pražnjenja. Karakteristika plazma generatora na bazi lûčnog pražnjenja se sastoji od formiranja usmerenog mlaza plazme. Joni u mlazu koji se širi kreću se bez sudara i usled ubrzanja padom ambipolarnog potencijala plazme dobijaju energije od ∼5-20 eV. Mlaz plazme može biti usmeren na nagnutu molibdensku ili tantalnu površinu pretvarača (videti 320 na slici 10), pri čemu se kao rezultat neutralizacije i refleksije mlaza proizvodi tok vodonikovih atoma. Energija atoma vodonika može se povećati iznad početnih 5-20 eV negativom polarizacijom pretvarača u odnosu na kutiju za plazmu 115. Eksperimenti za dobijanje intenzivnih struja atoma sa takvim pretvaračem izvođeni su u Institutu Budker u periodu 1982-1984.

[0046] Na slici 10, prikazano je da razvijeni raspored izvora niskoenergetskih atoma 300 uključuje gasni ventil 310, katodni umetak 312, električni dovod do grejača 314, cevovode za vodu za hlađenje 316, LaB6 emiter elektrona 318, i jonsko-atomski pretvarač 320. U eksperimentima je proizveden tok atoma vodonika sa ekvivalentnom strujom od 20-25 A i energijom koja varira u opsegu od 20 eV do 80 eV sa efikasnošću većom od 50 %.

[0047] Takav izvor može se koristiti u izvoru negativnih iona za snabdevanje atoma energijom optimiziranom za efikasno generisanje negativnih jona na površini plazma rešetki prekrivenoj cezijumom 111.

TRANSPORTNA LINIJA NISKOENERGETSKOG SNOPA:

[0048] H<–>joni generisani i unapred ubrzani do energije od 120 keV pomoću jonskog izvora 110 na svom prolazu duž niskoenergetske transportne linije snopa 205 premešteni su upravno na njihov pravac kretanja za 440 mm sa odstupanjem od perifernog magnetnog polja jonskog izvora 110 i magnetnog polja dva specijalna klinasta magneta za savijanje 130. Ovaj premeštaj snopa negativnih jona u niskoenergetskoj transportnoj liniji 205 (kao što je ilustrovano na slici 11) je obezbeđen da razdvoji oblast jonskog izvora 110 i visokoenergetskog akceleratora 150. Ovaj premeštaj se koristi da bi se izbeglo prodiranje brzih atoma nastalih iz stripinga H<–>snopa na rezidualnom vodoniku u akceleratorskoj cevi 150, da bi se smanjili tokovi cezijuma i vodonika iz jonskog izvora 110 do akceleratorske cevi 150, kao i za potiskivanje fluksa sekundarnih jona iz akceleratorske cevi 150 do jonskog izvora 110. Na slici 11 prikazane su izračunate trajektorije H<–>jona u transportnoj liniji niskoenergetskog snopa.

CEV VISOKOENERGETSKOG SNOPA:

[0049] Snop niske energije koji izlazi iz linije niskoenergetskog snopa ulazi u konvencionalni elektrostatički akcelerator sa više otvora 150 prikazan na slici 12.

[0050] Rezultati proračuna ubrzanja snopa negativnih jona 9 A uzimajući u obzir doprinos prostornog naelektrisanja prikazani su na slici 13. Joni su ubrzani od 120 keV energije do 1 MeV. Potencijal ubrzanja na cevi 150 je 880 kV, a korak potencijala između elektroda je 110 kV.

[0051] Proračun pokazuje da jačina polja ne prelazi 50 kV/cm u optimizovanoj akceleratorskoj cevi 150 na elektrodama u zonama mogućeg razvoja elektronskog pražnjenja.

[0052] Posle ubrzanja snop prolazi kroz triplet 230 konvencionalnih industrijskih kvadripolnih sočiva 231, 232 i 233 (sl.14), koja se koriste da kompenzuju malo defokusiranje snopa na izlazu akceleratorske cevi 150 i da formiraju snop sa poželjnom veličinom na izlaznom portu. Triplet 230 je instaliran unutar vakuumskog rezervoara 255 transportne linije visokoenergetskog snopa 265. Svako od kvadripolnih sočiva 231, 232 i 233 uključuje konvencionalni skup kvadripolnih elektromagneta koji proizvode uobičajena magnetna polja za fokusiranje kao što se nalaze u svim modernim konvencionalnim akceleratorima čestica.

[0053] Izračunate trajektorije 9 A snopa negativnih jona sa poprečnom temperaturom od 12 eV u akceleratorskoj cevi 150, kvadripolnim sočivima 230 i transportnom linijom visokoenergetskog snopa 265 prikazane su na slici 15. Proračun prati snop iza tačke njegovog fokusiranja.

[0054] Izračunati prečnik neutralnog snopa sa ekvivalentnom strujom 6 A nakon neutralizatora na udaljenosti od 12.5 m na pola visine radijalnog profila iznosi 140 mm, a 95 % struje snopa je u obimu prečnika 180 mm.

NEUTRALIZACIJA:

[0055] Neutralizator sa apsorpcijom fotona i naknadnom eliminacijom elektrona iz negativnih jona da bi se formirali neutrali (photodetachment neutralizer) 170 odabran za sistem snopa može postići više od 95 % stripinga jonskog snopa. Neutralizator 170 sastoji se od niza ksenonskih lampi i cilindrične svetlosne klopke sa visoko reflektujućim zidovima koji obezbeđuju potrebnu gustinu fotona. Hlađena ogledala sa refleksivnošću većom od 0.99 koriste se da prilagode fluks snage na zidovima od oko 70 kW/cm<2>. Alternativno se umesto toga može koristiti plazma neutralizator koji koristi konvencionalnu tehnologiju, ali na račun blagog smanjenja efikasnosti. Ipak, efikasnost neutralizacije -85 % plazma ćelije je sasvim dovoljna ako sistem za oporavak energije ima >95 % efikasnosti, kao što je predviđeno.

[0056] Plazma neutralizatora plazme je zatvorena u cilindričnoj komori 175 sa multipolnim magnetnim poljem na zidovima, koje je generisano nizom stalnih magneta 172. Opšti prikaz uređaja za konfiniranje je prikazan na slici 16. Neutralizator 170 uključuje cevovode vode za hlađenje 171, stalne magnete 172, katodne sklopove 173, i LaB6 katode 174.

[0057] Cilindrična komora 175 je dugačka 1.5-2 m i ima otvore na krajevima za snop koji prolazi kroz nju. Plazma se generiše korišćenjem nekoliko katodnih sklopova 173, koji su instalirani u centru komore za konfiniranje 175. Radni gas se doprema blizu centra uređaja 170. U eksperimentima sa prototipom takvog plazma neutralizatora 170, uočeno je da je konfiniranje elektrona multipolnim magnetnim poljima 172 na zidovima dovoljno dobro i znatno bolje od plazma jona. Da bi se izjednačili gubici jona i elektrona, u plazmi se razvija značajan negativni potencijal, tako da su joni efektivno konfinirani električnim poljem.

[0058] Razumno dugo konfiniranje plazme rezultira relativno niskom snagom pražnjenja neophodnom za održavanje gustine plazme od oko 10<13>cm<-3>u neutralizatoru 170.

REKUPERACIJA ENERGIJE:

[0059] Postoje objektivni razlozi za postizanje visoke energetske efikasnosti u našim uslovima. Pre svega, to su: relativno mala struja jonskog snopa i mali raspon energije. U ovde opisanoj šemi, uz upotrebu plazme ili para-metal meta, može se očekivati da rezidualna struja jona bude ∼3 A posle neutralizatora. Ove struje odbijenih jona bilo sa pozitivnim ili negativnim naelektrisanjem biće preusmerene preko skretnog magneta 180 na dva energetska rekuperatora, jedan za pozitivne i jedan za negativne jone, respektivno. Izvršene su numeričke simulacije usporavanja ovih rezidualnih odbijenih jonskih snopova sa tipičnom energijom 1 MeV i 3 A u direktnim pretvaračima unutar rekuperatora bez kompenzacije prostornog naelektrisanja. Direktni pretvarač pretvara znatan deo energije sadržane u rezidualnom odbijenom jonskom snopu direktno u električnu energiju i isporučuje ostatak energije kao toplotu visokog kvaliteta za ugradnju u termički ciklus. Direktni pretvarači prate dizajn elektrostatičkog usporivača sa više otvora, pri čemu uzastopni odeljci naelektrisanih elektroda proizvode uzdužna polja za razbijanje i apsorbuju kinetičku energiju jona.

[0060] Slika 17 prikazuje rezultate dvodimenzionalnih proračuna usporavanja jonskog snopa u pretvaraču. Iz prikazanih proračuna sledi da je usporavanje jonskog snopa sa energije 1 MeV do 30 keV energije sasvim izvodljivo, prema tome, može se dobiti vrednost faktora rekuperacije od 96-97%.

[0061] Prethodni pokušaji razvoja injektora neutralnog snopa velike snage zasnovanih na negativnim jonima analizirani su da bi se otkrili kritični problemi koji su do sada sprečavali postizanje injektora sa radom u stabilnom stanju na ∼1 MeV i nekoliko MW snage. Među onim najvažnijim su:

• Kontrola sloja cezijuma, gubitka i ponovnog taloženja (kontrola temperature, itd.)

• Optimizacija površinske proizvodnje negativnih jona za ekstrakciju

• Separacija elektrona koji zajedno struje

• Nehomogenost profila struje jona u plazma rešetki usled unutrašnjih magnetnih polja • Mala gustina struje jona

• Akceleratori su komplikovani i još uvek se razvijaju mnoge nove tehnologije (kapacitet za zadržavanje niskog napona, veliki izolatori, itd.)

• Povratno strujanje pozitivnih jona

• Napredne tehnologije neutralizacije (plazma, fotoni) nisu demonstrirane u relevantnim uslovima

• Pretvaranje energije nije dovoljno razvijeno

• Blokiranje snopa u kanalu

[0062] Inovativna rešenja za probleme koji su ovde dati mogu se grupisati prema sistemu sa kojim su povezani, naime - izvor negativnih jona, ekstrakcija/ubrzanje, neutralizator, energetski pretvarači, itd.

1.0 Izvor negativnih jona 110:

[0063]

1.1. Unutrašnji zidovi kutije za plazmu 115 i pogoni plazme 113 ostaju na povišenoj temperaturi (150-200 °C) kako bi se sprečilo nakupljanje cezijuma na njihovim površinama. Povišena temperatura:

- sprečava nekontrolisano oslobađanje cezijuma usled desorpcije/raspršivanja i smanjenje njegovog prodora u jonski optički sistem (rešetke 111),

- smanjuje apsorpciju i rekombinaciju vodonikovih atoma u sloju cezijuma na zidovima, - smanjuje potrošnju i trovanje cezijumom.

[0064] Da bi se ovo postiglo, fluid visoke temperature cirkuliše kroz sve komponente. Temperatura površina se dalje stabilizuje preko aktivne kontrole povratne sprege, tj. toplota se ili uklanja ili dodaje tokom CW rada i prelaznih režima. Za razliku od ovog pristupa, svi ostali postojeći i planirani injektori snopa koriste pasivne sisteme s vodenim hlađenjem i toplotnim prekidima između cevi hladioca i vrućih tela elektroda.

1.2. Cezijum se doprema kroz razvodni cevovod direktno na površinu plazma rešetki 111, a ne u plazmu. Snabdevanje cezijumom preko razvodnog cevovoda:

- obezbeđuje kontrolisano i distribuirano snabdevanje cezijumom tokom svih „snop uključen“ perioda,

- sprečava nedostatak cezijuma tipično zbog blokiranja plazmom,

- redukuje oslobađanje cezijuma iz plazme nakon njegovog nakupljanja i deblokiranja tokom dugih impulsa.

[0065] Nasuprot tome, postojeći jonski izvori dopremaju cezijum direktno u komoru za pražnjenje.

2.0 Pred-akcelerator (100-keV) 111:

[0066]

2.1. Magnetno polje koje se koristi za skretanje koekstrahovanih elektrona u oblastima za ekstrakciju jona i pred-ubrzanje stvara se spoljnim magnetima, a ne magnetima ugrađenim u telo rešetke, kako je usvojeno u prethodnom dizajnu:

- magnetne linije polja u visokonaponskim prazninama između rešetki su svuda udubljene prema negativno polarisanim rešetkama, tj. prema plazma rešetki u praznini ekstrakcije i prema ekstrakcionoj rešetki u praznini pred-ubrzanja. Konkavnost linija magnetnog polja prema negativno polarisanim rešetkama sprečava pojavu lokalnih Peningovih klopki u visokonaponskim prazninama i hvatanje/umnožavanje koekstrahovanih elektrona, kao što se može dogoditi u konfiguracijama sa ugrađenim magnetima.

- elektrode jonskog optičkog sistema (IOS) (rešetke 111) bez ugrađenih "niskotemperaturnih" NIB magneta mogu se zagrejati do povišene temperature (150-200 °C) i omogućiti odvođenje toplote tokom dugih impulsa korišćenjem vrelih (100-150 °C) tečnosti.

- odsustvo ugrađenih magneta štedi prostor između emisionih otvora rešetki i omogućava uvođenje efikasnijih kanala za grejanje/hlađenje elektroda.

[0067] Nasuprot tome, prethodni dizajn koristi magnete ugrađene u telo rešetke. To dovodi do stvaranja statičkih magnetno-električnih klopki u prazninama visokog napona koje hvataju i umnožavaju koekstrahovane elektrone. Ovo može uzrokovati značajno smanjenje struje ekstrahovanog snopa. To takođe sprečava rad na povišenoj temperaturi kao i odgovarajuće performanse grejanja/hlađenja, što je kritično za rad dugotrajnih impulsa.

2.2. Sve elektrode jonsko-optičkog sistema (rešetke 111) se uvek održavaju na povišenoj temperaturi (150-200 °C) da bi se sprečilo nakupljanje cezijuma na njihovim površinama i da bi se povećala snaga visokog napona praznina (gaps) ekstrahovanja i pred-ubrzavanja. Nasuprot tome, u konvencionalnom dizajnu, elektrode se hlade vodom. Elektrode imaju povišene temperature jer postoje toplotni prekidi između cevi hladioca i tela elektroda, i nema aktivne povratne sprege.

2.3. Inicijalno zagrevanje rešetki 111 prilikom pokretanja i odvođenje toplote tokom faze "snop uključen" izvodi se proticanjem vrele tečnosti sa kontrolabilnom temperaturom kroz interne kanale unutar rešetki 111.

2.4. Gas se dodatno ispumpava iz pred-akceleratorske praznine kroz bočni prostor i velike otvore u držačima rešetke kako bi se smanjio pritisak gasa duž linije snopa i kako bi se suzbio striping negativnih jona i proizvodnja/multiplikacija sekundarnih čestica u prazninama.

2.5. Uključivanje pozitivno polarisanih rešetki 111 se koristi za suzbijanje povratnog strujanja pozitivnih jona.

3.0 Visokonaponski (1 MeV) akcelerator 150:

[0068]

3.1. Akcelerator visokog napona 150 nije direktno povezan na jonski izvor, već je razdvojen od jonskog izvora prelaznom zonom (transportna linija niskoenergetskog snopa - LEBT 205) sa magnetima za savijanje 130, vakuumskim pumpama i klopkama cezijuma. Tranziciona zona:

- presreće i uklanja većinu čestica koje zajedno struje, uključujući elektrone, fotone i neutrale iz snopa,

- ispumpava gas koji potiče iz jonskog izvora 110 i sprečava ga da dođe do akceleratora visokog napona 150,

- sprečava cezijum da izlazi iz jonskog izvora 110 i prodire u akcelerator visokog napona 150, - sprečava da elektroni i neutrali, nastali stripingom negativnih jona, uđu u akcelerator visokog napona 150.

[0069] U prethodnom dizajnu, jonski izvor je direktno povezan sa akceleratorom visokog napona. Ovo dovodi do toga da akcelerator visokog napona bude podložan svim strujanjima gasa, naelektrisanih čestica i cezijuma iz jonskog izvora i obratno.

Ova jaka interferencija smanjuje kapacitet zadržavanja napona visokonaponskog akceleratora.

3.2. Magneti za savijanje 130 u LEBT 205 skreću i fokusiraju snop na osu akceleratora. Magneti za savijanje 130:

- kompenzuju bilo koje odstupanje (offset) i skretanje snopa tokom transporta kroz magnetno polje jonskog izvora 110,

- odstupanje između osa pred-akceleratora i akceleratora visokog napona 111 i 150 smanjuje priliv čestica koje zajedno struje u akcelerator visokog napona 150 i sprečava jako ubrzane čestice od povratnog strujanja (pozitivni joni i neutrali) u pred-akcelerator 111 i jonski izvor 110.

[0070] Nasuprot tome, prethodni sistemi nemaju fizičko razdvajanje između faza ubrzanja i, stoga, ne dozvoljavaju aksijalna odstupanja kakva su ovde istaknuta.

3.3. Magneti linije niskoenergetskog snopa 205 fokusiraju snop na ulaz akceleratora sa jednim otvorom 150:

- Fokusiranje snopa olakšava homogenost snopa koji ulazi u akcelerator 150 u poređenju sa sistemima rešetki sa višestrukim otvorima.

3.4. Primena akceleratora sa jednim otvorom:

- pojednostavljuje ravnanje sistema i fokusiranje snopa

- olakšava pumpanje gasa i uklanjanje sekundarnih čestica iz akceleratora visoke energije 150 - smanjuje gubitke snopa na elektrodama akceleratora visoke energije 150.

3.5. Magnetna sočiva 230 se koriste nakon ubrzanja da bi se kompenzovalo prekomerno fokusiranje u akceleratoru 150 i da bi se formirao kvaziparalelni snop.

[0071] U konvencionalnom dizajnu nema sredstava za fokusiranje i skretanje snopa, osim u samom akceleratoru.

4.0 Neutralizator 170:

[0072]

4.1 Plazma neutralizator zasnovan na „multi-cusp“ sistemu za konfiniranje plazme sa stalnim magnetima jakih polja na zidovima;

- povećava efikasnost neutralizacije,

- minimalizuje ukupne gubitke injektora neutralnog snopa.

[0073] Ove tehnologije nikada nisu bile razmatrane za primenu u injektorima neutralnog snopa velikih razmera.

4.2 Fotonski neutralizator - fotonska klopka zasnovana na cilindričnoj šupljini sa visoko reflektujućim zidovima i pumpanju lasera sa velikom efikasnošću.

- dodatno povećava efikasnost neutralizacije,

- dodatno minimalizuje ukupne gubitke injektora neutralnog snopa.

[0074] Ove tehnologije nikada nisu bile razmatrane za primenu u injektorima neutralnog snopa velikih razmera.

5.0 Rekuperatori:

[0075]

5.1 Primena rekuperatora rezidualne energije jona:

- povećava ukupnu efikasnost injektora.

[0076] Nasuprot tome, rekuperacija uopšte nije predviđena u konvencionalnom dizajnu.

Reference:

[0077]

[1.] L. W. Alvarez, Rev. Sci. Instrum.22, 705 (1951)

[2.] R.Hemsworth et al. Rev. Sc. Instrum., Vol.67, p.1120 (1996)

[3.] Capitelli M. and Gorse C. IEEE Trans on Plasma Sci, 33, N.6, p.1832-1844 (2005) [4.] Hemsworth R. S., Inoue T., IEEE Trans on Plasma Sci, 33, N.6, p.1799-1813 (2005) [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, NY, p. 169-183(1990)

[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., vol.43, pp.692-699, 2003

[0078] Iako je pronalazak podložan različitim modifikacijama, i alternativnim oblicima, njihovi specifični primeri prikazani su na crtežima i ovde su detaljno opisani. Obim pronalaska je definisan priloženim patentnim zahtevima.

Claims (6)

Patentni zahtevi

1. Injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima koji sadrži jonski izvor (110) prilagođen da proizvodi snop negativnih jona, akcelerator (150) i neutralizator (170), pri čemu injektor neutralnog snopa zasnovan na negativnim jonima dalje sadrži pred-akcelerator (111) povezan sa jonskim izvorom, i pri čemu je akcelerator razmaknut od jonskog izvora prelaznom zonom (205) umetnutom između pred-akceleratora i akceleratora, i naznačen time što injektor dalje sadrži par skretnih magneta (130) u prelaznoj zoni i umetanje pred-akceleratora i akceleratora, pri čemu je par skretnih magneta konfigurisan tako da omogući snopu iz predakceleratora da pomera osu od ose pred-akceleratora i na osu akceleratora pre ulaska u akcelerator, tako da se smanji priliv čestica koje zajedno struje u akcelerator, i spreči povratni tok ubrzanih čestica u pred-akcelerator i jonski izvor.

2. Injektor prema patentnom zahtevu 1, pri čemu jonski izvor uključuje kutiju za plazmu i pogonske uređaje plazme, i pri čemu su unutrašnji zidovi kutije za plazmu (115) i pogonski uređaji plazme (113) konfigurisani da rade na povišenim temperaturama od oko 150-200 °C kako bi se sprečilo nakupljanje cezijuma na njihovim površinama.

3. Injektor prema patentnom zahtevu 1 ili 2, pri čemu je jonski izvor prilagođen da proizvodi oko 9 A snopa negativnih jona.

4. Injektor prema patentnom zahtevu 1 ili 2, pri čemu je pred-akcelerator (111) elektrostatička rešetka sa više otvora u jonskom izvoru, ili gde su joni iz jonskog izvora unapred ubrzani predakceleratorom do 120 kV pre ubrizgavanja u akcelerator.

5. Injektor prema patentnom zahtevu 2, pri čemu kutija za plazmu i pogonski uređaji uključuju cevovode i prolaze za fluide (116) za proticanje fluida visokih temperatura.

6. Injektor prema patentnom zahtevu 4, dalje sadrži razvodni cevovod za direktno dopremanje cezijuma na plazma rešetke pred-akceleratora (111).