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射频源开发计划概述
E. Speth, H.D. Falter, P. Franzen, U. Fantz, M. Bandyopadhyay1,
S. Christ, A. Encheva, M. Fruml;oschle, D. Holtum, B. Heinemann,
W. Kraus, A. Lorenz, Ch. Martens, P. McNeely, S. Obermayer,
R. Riedl, R. Suml; uss, A. Tanga, R. Wilhelm and D. Wuml;underlich
马克斯-普朗克等离子体物理学研究所, 欧洲原子能共同体协会, 1533号信箱,
加兴D-85740， 德国
1 甘地讷格尔县等离子体物理学研究所, 巴特, 印度
E-mail: speth@ipp.mpg.de
2005年7月4日收稿，2006年5月4日接受出版
2006年5月22日出版
在线访问stacks.iop.org/NF/46/S220
摘要
负氢离子大面积射频源的开发（EFDA官方任务协议）旨在证明ITER相关离子源参数。这意味着在源填充压力小于等于0.3 Pa，电流密度为200A m-2时加速D-离子，而电子与离子之比小于等于1时，其提取面积与JET和ASDEX升级版的正离子源相似，脉冲长度可达1小时。这项工作正在沿着三条线同时进行：(i) 利用小提取区域（lt;0.01m2）和短脉冲（lt;6 s）优化在低压力、低电子/离子比值时的电流密度，在此参数范围内，可满足甚至超过了ITER的要求；(ii)研究拓展的提取面积areas (lt;0.03m2)以及长达3600s的脉冲长度；(iii) 研究半尺寸ITER等离子源的尺寸缩放。三个不同的试验台正在被用来同时进行这些研究。这些活动包含了广泛的诊断和建模程序。这篇文章讨论了这三个开发领域近期的成果以及的现状。
PACS号码：52.80.Pi, 52.50.Gj, 28.52.Cx, 29.25.Ni
（本文中的一些图像仅在电子版中有颜色）
- 引言
为了加热和电流驱动，ITER需要能够提供高于40A的D-离子，以便产生长达1小时的加速电流密度为200A m-2的脉冲。要求源中的压力等于或小于0.3Pa，电子/离子比le;1（见表1）。这些源的开发最初集中在ITER参考设计中描述的丝状电弧源上[1, 2]。例如，在[3-7]中给出了丝状电弧源的成果。
生成正氢离子的RF源已在加兴IPP（马克斯-普朗克等离子体物理学研究所）被成功开发，用于ASDEX升级版和W7-AS中性束加热系统[8-10]。CEA（原子能委员会）卡达拉什中心和IPP加兴在负氢离子的高频离子源开发的合作始于1996年，第一项结果发表于1998年。与电弧源相比，RF源具有较少的部件，仅需要源体，RF线圈和匹配电路。因此，它们的制造成本更低，而且在运行中基本上无需维护。这些设计功能对ITER的远程处理要求可能非常有利，因为RF源不受电弧源的有限灯丝寿命的影响。此外，对于提高源性能所需的铯消耗可能是有利的，因为在RF源中没有被蒸发并可能将Cs层埋在墙壁上的灯丝材料[5]。如果RF源可以满足ITER要求，那么它们将是令人感兴趣的电弧源替代品。
自2002年9月以来，RF源的开发得到了EFDA（欧洲聚变发展协议）协议的支持，旨在证明可以满足ITER的要求。这项工作正在沿着三条线并行进行 ：(i) 在小试验台lsquo;BATMANrsquo;（负离
表1. IPP RF源的成果.
子巴伐利亚试验机）上，以小的提取面积(lt;0.01m2)和短脉冲(lt;6s)优化低压和低电子/离子比下氢和氘的电流密度；（ii）在大型试验台lsquo;MANITUrsquo;（多安负离子测试单元）上，拓展提取面积到0.03m2，脉冲长度达到3600s以及（iii）在专用等离子源测试台（lsquo;RADIrsquo;）上对半尺寸ITER等离子体源进行尺寸缩放实验。这些活动包含了广泛的诊断和建模程序[11, 12]。
- 近期成就
表1展示了与ITER要求相比，RF源在电流密度、电子/离子比和源填充压力（在没有等离子体的源中测量的压力）方面的性能进展。在BATMAN试验台上获得测试结果，所有试验台均带有铯源，但仅用于短脉冲和小提取区域。我们可以清楚地看到关于电流密度、源压力和电子/离子比的稳定进展。在2005年，已经达到甚至超过ITER对这些指标的要求。特别是电流密度增长到远大于要求的值，这足以确保RF源可以常规地提供所需的电流密度。更多“技术”参数的示范——脉冲长度和尺寸缩放——仍然很突出，但它仍是正在进行的计划的一部分（见第6节）。除非另有明确说明，否则表1以及整篇论文中引用的压力是源填充压力。
截至2004年的结果已经在[13,14]中简要概述。在该时段期间，性能的提高与由于更好的源的调节引起的提取电压的增加以及允许实现低压操作的改进Cs操作有关，如第4节中的详细解释。此外，BATMAN首次通过抽空过度辐射区域和远程控制试验台，可以实现带有相关中子产生的问题的氘操作。
由于各种破坏机制（与H 离子相互中和和/或电子碰撞，后者在2eV以上占主导地位），负离子的存活长度在几厘米（[12,15]）的范围内。因此，靠近提取系统的负离子的形成必须最大化。
这是通过“表面处理”完成的，即原子或离子与低功函数材料的相互作用：H，Hx 表面e-→H-。目前，铯的蒸发用于覆盖具有薄铯层的提取系统的等离子体栅格，即功函数降低到取决于Cs层厚度的值[16]。然后，等离子体栅格处产生的负离子被加速到等离子体中，且由于碰撞，电荷交换或由于磁场而必须弯曲回到提取系统。实验展示，与无Cs操作相比，铯源中的电流密度要高得多。我们在丝状电弧源中也观察到了这种情况[5]。对于无Cs的情况，反应链是“体积”效应，即振动激发的氢分子在基态中的附著[17]。
在本文中，我们将更详细地报告关于低压操作和Cs动力学的实验结果。下一节将介绍关于各种测试台、源和栅格配置的实验设置。第4节包含实验结果，并显示了源性能参数的关系。结果在第5节中进行了讨论，而第6节总结了在长脉冲操作和尺寸缩放方面仍然出众的实验。
图1. 具有一个驱动器的IPP RF源的示意图。提取区域已详细显示; 提取栅格中的磁铁旋转90°。
- 实验设置
3.1.射频离子源配置
图1显示了IPP RF驱动的负离子源原理设计 [ 18，19 ]。RF源由三部分组成：RF耦合到等离子体的驱动器，等离子体扩展到实际源体中的扩展区域，以及提取区域。后两者由平行于10mT量级的等离子体栅格的磁场分开，即过滤磁场。该磁场是必要的，以便使由RF产生并且具有gt; 2eV的能量的“热”电子远离提取区域，因为这些电子会通过碰撞有效地破坏负氢离子。根据横截面计算，在2eV时，电子碰撞的速率系数等于相互中和的速率系数。这是两个主要的破坏过程。因此，低于2eV的电子温度对于使通过电子碰撞的负氢离子的破坏率最小化是有必要
图2.带有新源体的6/1型负离子射频源（见图1）。为了演示，约束磁铁的一些封装连接到
图3.源内部视图。深色显示沉积在源壁上的铯。
的。来自膨胀区域的冷却作用由提取电极中的磁体进一步辅助，该磁体主要用于使共同提取的电子偏转。过滤磁场还有助于减少共同提取的电子电流。驱动器安装在源体的背面，由一个245mm 内径的氧化铝气缸和一个连接到1MHz振荡器的水冷射频线圈组成。一个内部边缘冷却的铜法拉第屏幕保护氧化铝圆筒免受等离子体的影响。为了减少等离子体的溅射，法拉第屏幕的等离子体侧被薄钨层所覆盖。由于法拉第屏幕只允许感应耦合，因此需要所谓的起动丝以便与几百毫秒长度的气体喷射一起点燃等离子体。起动丝在等离子点火后约100毫秒关闭。
除了在[8]中报道的早期实验以外，到目前为止也主要使用图2所示的所谓的6/1型离子源。目前这一代IPP RF源拥有很多灵活性。这个源可以配备不同类型和数量的驱动器。在栅格附近专门设计的诊断法兰提供通道以进入探针和光谱的提取区域[11,12]。这个法兰还容纳用于过滤场的永磁体。源体由6mm厚的不锈钢壁组成，钢壁上有3mm直径的轴向深钻冷却水通道。水歧管安装在法兰内。源的内侧覆盖有1mm厚的电镀Cu层，以便更好地散热。源体内部没有任何用于约束等离子体的磁铁; 然而，具有平坦侧壁的源设计具有容易通过可变外部磁体配置改变磁约束的优点。
铯从连接到源体后凸缘的炉输送。铯储存在玻璃胶囊中，在真空下通过使玻璃胶囊外的薄壁
钢管变形而破碎。目前，铯炉装有三个胶囊，每个胶囊含有1克的Cs。炉的喷嘴穿透几毫米进入
等离子体。铯以通常10mg h-1的速率分散。铯炉的热时间常数约为10分钟。由于在炉子和源之间没有安装阀门，因此在排放期间和之间铯不断地分散。蒸发速率由炉温控制。在操作过程中，源体保持在20-25℃的温度，铯似乎积聚在源体上的区域，这些区域由于有时候安装的约束磁铁的屏蔽作用，等离子体和源壁之间几乎没有接触。这可以从图3中Cs氧化物或氮化物的暗沉积物中看出，其在铯源暴露于空气时形成。
在正常操作过程中，等离子体几乎没有杂质。在图4中可以看到，一个典型的发射光谱显示在可见范围[12]。除了预期的氢和Cs线，没有其他元素可以确定。此外，在打开源之后的肉眼检查中也没有显示任何溅射痕迹。
3.2测试设施
表2总结了IPP三个设施的参数。目前有两个测试设施是可运行的。BATMAN主要致力于在电流密度、工作压力以及共同提取的电子电流方面优化RF源。由于Ti蒸发泵的低抽速和高压电源的限制，BATMAN上的提取区域限制在lt;0.01m2，脉冲长度lt;6 s。对于有限数量的脉冲，可以使用氘进行操作。第二个测试设备MANITU用于扩大提取区域并将脉冲长度增加到ITER的要求。最终，MANITU旨在展示1小时的氘脉冲，其中加速的D-离子为200A m-2，电子/离子比lt;1。到目前为止使用的标准诊断设备与使用新的长脉冲数据采集系统的BATMAN相似。对于增加的脉冲长度和氘操作硬化系统，重大修改正在进行（见6.1节）。
第三个测试设施（lsquo;RADIrsquo;）目前正在建设中; 这里作为当前小型RF源和大型ITER源之间的中间步骤，所谓的半尺寸的源将被测试，以证明
图4.铯射频源的典型频谱。Halpha;和Hbeta;线在光谱仪的动态范围之外（详见[12]）。
RF源的均匀性和可扩展性; 此源的大小与ITER提取栅格的一半相适应（参见第6.2节）。 由于技术限制，到目前为止还未计划进行大面积的提取。
3.3高压系统和电流测量
图5为BATMAN的HV电路的示意图。离子和电子通过三栅格系统（见下文）提取到距离约为1.5米量热计处。RF变压器将源与RF电源的地电位分开（图中未示出）。
由于磁体插入提取栅格以使电子偏转，因此提取栅格必须相当厚（约10mm，见图6）。这是离子光学器件的缺点，因为其自身的空间电荷，细离子束会在提取栅格的孔内部的无电势区域中扩展。为了将提取栅格上的功率保持在低水平，提取分两步进行。等离子体和提取栅格之间的典型电压高达10 kV，在最终加速步骤中高达15 kV。
在BATMAN中，被调节的高压通过阻值约为1kOmega;的分压器传送到栅格。该分压器是BATMAN中脉冲长度的主要限制，最大长度仅约为5s。另一个缺点是电压比与电流的关系。对于在2004年进行的MANITU的短脉冲实验，提取和加速电压由共用电源供电的两个四极管控制; 第二个四极管用作可变电阻器。对于长脉冲实验，电压由两个独立的电源提供。
单独测量流过栅极的电流以及流回HV电源的电流。虽然一些离子可能撞击提取栅格，一些电子可能撞击接地栅格，但是有一些证据表明提取栅格电流完全是指共同提取的电子。(i) He-等离子体中形成负离子非常少(见4.1节)，Iion小于IEG的1%，说明99%以上的电子最终在提取栅格中没有释放二次电子。（ii）IEG与Uex的关系，例如如图23所示，它表明只有一小部分负离子撞击提取栅格，因此对任何撞击提取栅格的负离子释放的二次电子没有实质性贡献。（iii）如果部分不可忽略的二次电子能够从提取栅格的磁场中逸出，那么应该能在接地栅格上看到它们，但实际情况并非如此。因此，提取栅格上测
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资料编号：[2702]
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