托卡马克加热(NBI).doc

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 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 中性束系统示意图 实物照片 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 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。 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。 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。 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）。 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。 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）。 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%。 ITER上的基于负离子源的中性束指标 D0 ， 1 MeV， a current of 40A， 50MW， three units.