1、5.3 中性束注入（NBI，Neutral Beam Input）加热为什么不直接利用高能离子束？ 磁场可以约束离子，使之不能逃出托卡马克，同理外部高能离子束也被磁场约束，不易于进入托卡马克内部。所以，需要在离子进入托卡马克前，将离子束中性化中性束。产生中性束的工作原理图（JET，正离子源） 偏转低能离子（离子吞食器物）抽走低能中性粒子粒子电荷交换A (高能 )B A（高能）B 产生 中性束系统示意图、实物照片（JET ） 中性束系统示意图实物照片托卡马克一侧（下图：用于 JET 的正离子源，采用热阴极磁约束）（下图：用于ASDEX-U的正离子源的内部结构，采用 RF感性耦合，图中澡盆状部件为
2、法拉第屏蔽，铁箍状部件为射频线圈）中性束加热中的一些问题（1） 中性束原子的选用在开始放电的初始建立阶段，等离子体温度不高，不能产生核反应，可以用H原子中性束加热。在点火、燃烧阶段，可以采用D中性束。（2） 中性束注入位置、方向中性束注入位置：在托卡马克的赤道面注入，通过最长，密度最大的区域。注入方向：平行于环向，垂直于环向。垂直注入优点：窗口设计简单；缺点：加热后离子的垂直磁场能量大，容易进 入香蕉（俘获）轨道。在纹波度大的环向磁场中，俘获快离子引起纹波扩散，碰撞溅射托卡马克壁，造成杂质污染。平行注入：缺点：窗口设计较复杂占用空间大；优点：电离距离长，产生穿行离子。粒 子 轨 迹 在 小 圆
3、 上 的 截 面 为是 香 蕉 形状 注入方向可以平行、反平行托卡马克电流方向。NB 具有动量，单向平行注入会产生等离子体沿 大环方向旋转，可以采用对称双向注入。实验发现等离子体环向旋转可以触发 L-H 约束模式转变（有益！） ，所以一般采用单向平行注入。 （3） 中性束与托卡马克 plasma 的作用过程：电离、高能离子慢化中性束的电离有几个过程：与电子、离子碰撞电离，电荷交换。在低能区： 电荷交换占主导（A (高能)B A（高能） B ） ，中性粒子能量转化为带电粒子能量；在高能区： 高能中性原子与电子的碰撞电离（在高能区主要为多级电离）占主导。当中性粒子被电离后，高能离子被约束在香蕉、通
4、行轨道上。如果高能离子的约束时间长，将通过与其他粒子碰撞传递能量，自身速度降低（碰撞慢化，slow down ） 。（4） 托卡马克的芯部加热中性加热要求其能量沉积在托卡马克芯部，对于大托卡马克（如 ITER） ，要求中性束到达芯部，需要提高中性束能量相应要求提高离子源 D 离子能量，在ITER 上，要求离子能量达到 0.25-0.5Mev。（5） 增加 D 离子能量出现的问题在需要高于 0.1Mev 的中性束（相应地，离子能量需要高于 0.1Mev）时，如果仍然采用正离子中性化方法，中性化 效率下降（参见下图） 。（上图：离子中性化率随离子能量（Kev）的变化）说明 1：正离子源中有多种离子
5、成分，原子离子、分子离子说明 2：正离子的中性化率不是 100%，而且中性化率不随中性化室长度增加而单调提高，有最佳长度，和最大中性化率。解决方法：采用负离子中性化方法。负离子的产生方法/途径（两种， 结合下面两图说明）：【负离子有两种产生方式】：（1）在体相产生负离子：在相对高的高能电子作用下，产生高振动能态的分子，高振动能态的分子在分解时俘获低能电子(dissociative attachment） 。 22()()Hefastve1.0vVH:该方式的产生效率高。体相产生负离子的要求： 需要磁场隔离or 磁过滤（magnetic filter）高能电子、低能电子区（参考上图中结构，下图中
6、的结果。 ）（上图：负离子源中电子温度的轴向分布）（2）在表面产生负离子：原子从涂敷铯壁上碰撞弹开时，产生负离子。为了获得高速率负离子产率，需要提高原子密度、能量，负离子的原始能量较高。负离子源的重点问题：负离子的高效率产生；负离子的加速（电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子）。负离子中性化方法：不同于正离子电荷交换方法；具体方法为：负离子和热分子气体作用，将负离子的电子剥离，剥离效率高达60%。采用高电离率的plasma 替代 热分子气体，效率可以进一步提高到80%。（6） ITER 上的基于负离子源的中性束指标D0 ， 1 MeV， a current of 40A， 50MW
7、， three units.（日本 JT-60U 的负离子源最好，拿到 N-NBI 的发包） 。2003 已实现指标： 功率5.8MW，中性束能量0.4Mev，时间10s计划指标： 功率10MW，中性束能量0.5Mev，时间10s（日本研究人员正在装配负离子源）（7） 正、负离子源的中性束加热技术比较正离子比负离子容易产生 ，低能NBI 均使用基于正离子源的NBI负离子不容易产生，电子容易失去，但中性化效率高 。正离子源中，加负偏压引出后，负离子被阻止，但正离子中有各种成分，如分子离子D2+，D3+ ，加速后得到的能量均相同E0，经过中性化，进入等离子体分解 、电离后，每个原子得到的能量为E0
8、/2,E0/3,这些能量低，沉积在托卡马克等离子体的边缘区，PNBI功率沉积区域宽 。负离子源成分单一，对应 NBI 的功率沉积区域窄。N-NBI技术相对复杂，效率低，成本高产生区：高能电子、低能电子需要隔离；引出区：负离子、电子需要控制，采用横向磁场阻挡电子，仅引出负离子。（8） 中性束加热技术优点加热效率高；对 NBI加热对等离子体的 变化不敏感，不受托卡马克等离子体形状、分布。（波加热对等离子体变化敏感，原因：存在阻抗匹配问题）；不受加热过程中伴随现象的影响，边缘局部模、锯齿波、不同运行模式过渡等变化的影响。（9） 国内（等离子体所）的中性束加热发展简介1978 年（建所前）即开始研究，
9、建所后设立了专门的研究室（四室）；研发的离子源（潘宁源）直径：7,10,15cm ；在 HT-6M 上进行过中性束（ 100KW）加热实验 ，有明显的离子加热效果；1988 年，建立直径为 15cm 的离子源，要求 几十万升抽速低温泵，当时液氮、液氦价格高，经费支持不够，该方向的研究计划暂停，撤销第四研究室，有关人员开辟新的研究方向（低能离子与生物作用）。2002 年起，国家对聚变研究加大投入，等离子体所重新开始中性束注入研究。近年进展：-EAST 装置辅助加热系统”是国家“十二五”大科学工程，2010 年 7 月正式立项。-2012 年 1 月 14 日 EAST 中性束注入系统（NBI）测试台首次成功调试。-指标：束能量 50 千伏，束流 22 安培，束脉宽 106 毫秒的引出束流，离子束功率达到 11 兆瓦。-最终目标2 至 4 兆瓦中性束注入系统的研制提供强有力的可靠支持。EAST 对 NBI 要求：源的数量： 两个中性束能量：40-90Kev（仍然使用正离子源）；注入功率： 3-4MW；引出粒子： H，D，He 束。脉冲宽度： 100-1000S5.4 粒子加热（简单介绍）
