(57)【要約】【課題】好適な陰イオンに基づくビーム入射器を提供すること。【解決手段】陰イオン源、加速器、および中和器を備え、約０．５０〜１．０ＭｅＶのエネルギーを伴う約５ＭＷ中性ビームを発生させる、陰イオンベースの中性ビーム入射器。イオン源によって発生させられるイオンは、プラズマからイオンビームを抽出し、要求されるビームエネルギーのある割合に加速するために使用される、静電多開口グリッド前段加速器によって、高エネルギー加速器内への入射前に事前加速される。イオン源からのビームは、高エネルギー加速器に進入する前に、ビームを軸外にシフトさせる、一対の偏向磁石を通して通過する。フルエネルギーまで加速後、ビームは、中和器に進入し、部分的に、中性ビームに変換される。残りのイオン種は、磁石によって分離され、静電エネルギーコンバータ内に指向される。中性ビームは、ゲート弁を通して通過し、プラズマチャンバに進入する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰イオンベースのビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように構成されたイオン源と、
加速器であって、前記加速器は、前記イオン源から離間されており、前記イオン源に間接に連結されている、加速器と
を備える、入射器。
【請求項２】
陰イオンベースのビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように構成されたイオン源と、
前記イオン源から離間された加速器と、
前記イオン源と前記加速器との間に入っている遷移ゾーンであって、前記遷移ゾーンは、ビーム輸送ラインを備え、ビーム輸送ラインは、セシウムトラップを含む、遷移ゾーンと
を備える、入射器。
【請求項３】
陰イオンベースのビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように構成されたイオン源と、
前記イオン源から離間された加速器と、
前記イオン源と前記加速器との間に入っている遷移ゾーンであって、前記遷移ゾーンは、ビーム輸送ラインを備え、前記ビーム輸送ラインは、屈曲磁石を含み、前記屈曲磁石は、自身の運動方向に直交して前記陰イオンビームを偏向させ、前記陰イオンビームを前記加速器の軸上に集束させる、遷移ゾーンと
を備える、入射器。
【請求項４】
陰イオンベースのビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように構成されたイオン源であって、前記イオン源は、静電グリッドを有する前段加速器を含む、イオン源と、
前記前段加速器から離間された加速器と、
セシウムを、直接、前記前段加速器の前記静電グリッド上に供給する分配マニホールドと
を備える、入射器。
【請求項５】
陰イオンベースのビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように構成されたイオン源であって、前記イオン源は、前段加速器を含む、イオン源と、
前記前段加速器から離間された加速器と
を備え、
前記前段加速器は、前記前段加速器と前記加速器との間の領域内で共抽出された電子を偏向させるために外部磁石を有する、入射器。
【請求項６】
陰イオンベースのビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように構成されたイオン源であって、前記イオン源は、プラズマコンテナおよびプラズマドライバを含み、前記プラズマコンテナの内壁は、１５０〜２００℃の高温を維持するように構成されている、イオン源と、
前記イオン源から離間された加速器と
を備える、入射器。
【請求項７】
前記イオン源と前記加速器との間に入っている遷移ゾーンをさらに備える、請求項１および４〜６のいずれかに記載の入射器。
【請求項８】
前記遷移ゾーンは、ビーム輸送ラインを備える、請求項７に記載の入射器。
【請求項９】
前記ビーム輸送ラインは、セシウムトラップを含む、請求項８に記載の入射器。
【請求項１０】
前記ビーム輸送ラインは、屈曲磁石を含み、前記屈曲磁石は、自身の運動方向に直交して前記陰イオンビームを偏向させ、前記陰イオンビームを前記加速器の軸上に集束させる、請求項８に記載の入射器。
【請求項１１】
前記イオン源は、プラズマコンテナおよびプラズマドライバを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の入射器。
【請求項１２】
前記イオン源は、プラズマコンテナおよびプラズマドライバを含む、請求項７に記載の入射器。
【請求項１３】
前記プラズマコンテナの内壁は、１５０〜２００℃の高温を維持するように構成されている、請求項１１に記載の入射器。
【請求項１４】
前記プラズマコンテナの内壁は、１５０〜２００℃の高温を維持するように構成されている、請求項１２に記載の入射器。
【請求項１５】
前記イオン源は、前段加速器を含む、請求項１〜３、６および１２〜１４のいずれかに記載の入射器。
【請求項１６】
前記前段加速器は、複数の電極を有する静電グリッドを備え、前記複数の電極の各々は、複数の開口を有する、請求項１５に記載の入射器。
【請求項１７】
セシウムを、直接、前記前段加速器の前記静電グリッド上に供給する分配マニホールドをさらに備える、請求項１６に記載の入射器。
【請求項１８】
前記前段加速器は、前記前段加速器と前記加速器との間の領域内で共抽出された電子を偏向させるために外部磁石を含む、請求項１５に記載の入射器。
【請求項１９】
前記前段加速器は、前記前段加速器と前記加速器との間の領域内で共抽出された電子を偏向させるために外部磁石を含む、請求項１６および１７のいずれかに記載の入射器。
【請求項２０】
ガスを前記前段加速器と前記加速器との間の領域から外へポンピングするポンピングシステムをさらに備える、請求項１５に記載の入射器。
【請求項２１】
ガスを前記前段加速器と前記加速器との間の領域から外へポンピングするポンピングシステムをさらに備える、請求項１６〜１８のいずれかに記載の入射器。
【請求項２２】
前記複数の電極のうちの少なくとも１つの電極は、前記陰イオンビーム内の陰イオンを事前加速させるように正にバイアスされる、請求項１６および１７のいずれかに記載の入射器。
【請求項２３】
前記複数の開口は、陰イオンを集束および通過させることにより前記陰イオンビームを形成するように構成されている、請求項１６および１７のいずれかに記載の入射器。
【請求項２４】
前記加速器に相互接続された中和器をさらに備える、請求項１〜６、９、１０、１２〜１４、１６〜１８および２０のいずれかに記載の入射器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に説明される主題は、概して、中性ビーム入射器に関し、より具体的には、陰イオンに基づく中性ビーム入射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
極めて最近まで、磁気核融合研究、材料処理、エッチング、滅菌、および他の用途において使用される中性ビームは全て、陽イオンから形成されていた。陽の水素同位体イオンが、静電場によって、抽出され、ガス放電プラズマから加速される。加速器の接地板の直後、それらは、ガスセルに進入し、電子を取得するための電荷交換反応および再びそれを喪失するための衝突イオン化反応の両方を受ける。電荷交換断面は、エネルギーの増加に伴って、イオン化断面よりはるかに急速に落下するため、厚いガスセル内の平衡中性画分は、水素粒子の場合、６０ｋｅＶを上回るエネルギーにおいて、急速に降下し始める。これをはるかに上回るエネルギーを要求する水素同位体中性ビーム用途の場合、陰イオンを発生および加速し、次いで、数ＭｅＶまでの広範囲のエネルギーにわたって、約６０％の中性画分をもたらすことができる、薄いガスセル内でそれらを中性子に変換する必要がある。さらに高い中性画分は、プラズマまたは光子セルが、エネルギー性陰イオンビームを中性子に変換するために使用される場合、得られることができる。光子エネルギーが水素の電子親和力を超える、光子セルの場合、中性画分は、ほぼ１００％となり得る。加速器物理学における陰イオンの用途の概念は、５０年以上前にＡｌｖａｒｅｚによって最初に述べられたことは、着目に値する［１］。
【０００３】
将来的より大型の核融合デバイス上における電流駆動および加熱のための中性ビーム、ならびに現在のデバイス上におけるいくつかの用途は、陽イオンを用いてアクセス可能なものを優に超えるエネルギーを要求するため、陰イオンベースの中性ビームが、近年、開発されている。しかしながら、これまで達成されたビーム電流は、陽イオン源によって極めて規定通りに発生させられるものを有意に下回る。ビーム電流の観点からの陰イオン源の低性能の物理的理由は、わずか０．７５ｅＶである、水素の低電子親和力である。したがって、陰水素イオンを発生させることは、その陽の対応物よりはるかに困難である。また、新しく生み出された陰イオンが、エネルギー性電子と衝突せずに、抽出領域に到達することは、非常に困難であって、非常に高い確率で、余剰弱結合電子の損失を生じさせるであろう。プラズマからＨ−イオンを抽出し、ビームを形成することも同様に、陰イオンが、抑制手段が採用されない限り、はるかに大きい電子の電流によって達成されるであろうため、Ｈ＋イオンより複雑である。原子を発生させるためのＨ−イオンからの電子の衝突ストリッピングのための断面は、Ｈ＋イオンが水素分子から電子を取得するための断面をはるかに上回るため、加速の間、中性子に変換されたイオンの画分は、加速器経路内のガスライン密度が、低圧でイオン源を動作させることによって最小限にされない限り、有意となり得る。加速の間、早期に中性化されたイオンは、低エネルギーテールを形成し、概して、フル加速電位を被るものより大きな発散を有する。
【０００４】
加速された陰イオンビームの中性化は、約６０％の効率で、ガス標的内で行われることができる。プラズマおよび光子標的の使用は、陰イオンの中性化効率のさらなる増加を可能にする。入射器の全体的エネルギー効率は、中和器を通過後、ビーム内に残っているイオン種のエネルギーの回復によって増加されることができる。
【０００５】
検討中の他の反応器グレードの磁気プラズマ閉じ込めシステムにも典型的である、ＩＴＥＲトカマクのための高電力中性ビーム入射器の概略図は、図３に示される［２］。入射器の基本構成要素は、陰イオンの高電流源、イオン加速器、中和器、およびイオン収集器−復熱器との電荷交換ビームの帯電成分の磁気分離器である。
【０００６】
入射器内に要求される真空条件を持続させるために、高真空ポンピングシステムは、典型的には、プラズマデバイスからのビームダクトを切断し、および／または入射器の主要要素へのアクセスを提供する、大型サイズのゲート弁と併用される。ビームパラメータは、格納式熱量測定標的を使用することによって、かつ非侵襲的光学方法によって測定される。強力な中性ビームの発生は、対応する電力供給源が使用されることを要求する。
【０００７】
発生の原理に従って、陰イオン源は、以下の群に分割されることができる。
・大量発生（プラズマ）源−イオンが、大量のプラズマ内で発生させられる
・表面発生源−イオンが、電極または特殊標的の表面上で発生させられる
・表面プラズマ源−イオンが、プラズマ粒子と相互作用する電極の表面上で発生させられる（Ｎｏｖｏｓｉｂｉｒｓｋグループ［３］によって開発）
・電荷交換源−陰イオンが、異なる標的上で加速された陽イオンビームの電荷交換によって発生させられる
【０００８】
陽イオン源におけるものと同様に、現代の体積Н−イオン源内でプラズマを生成するために、高温フィラメントまたは中空カソードを用いたアーク放電が、水素中のＲＦ放電と同様に使用される。放電内の電子閉じ込めの改良のため、および陰イオン源に重要である、ガス放電チャンバ内の水素密度の減少のために、磁場内の放電が、使用される。外部磁場を伴うシステム（すなわち、「反射」放電の縦方向磁場における電子発振を伴う、電極のペニングまたはマグネトロン幾何学形状を用いる）、および周辺磁場（多極）を伴うシステムが、広く使用されている。ＪＥＴの中性ビーム入射器のために開発された周辺磁場を伴う放電チャンバの切断図は、図４に示される［３］。プラズマボックスの周縁における磁場は、その外側表面上に設置された永久磁石によって発生させられる。磁石は、磁化方向が一定である、あるいは磁場線が壁近傍に線形または格子状カスプの幾何学形状を有するように、交互順に変化する、列として配列される。
【０００９】
プラズマチャンバの周縁に多極磁場を伴うシステムの用途は、特に、システムが、１〜４Ра（セシウムを伴わない）および０．３Ра（セシウムを伴うシステム）までのチャンバ内の低下ガス作業圧で、源内に高密度プラズマを維持することを可能にする［４］。放電チャンバ内の水素密度のそのような減少は、特に、核融合研究における用途のために開発されている、高電流多開口大規模イオン源に重要である。
【００１０】
現在のところ、表面プラズマ発生イオン源は、高電流陰イオンビームの発生に最も好適であると考えられている。
【００１１】
表面プラズマ発生イオン源では、イオンは、十分なエネルギーを有する粒子と低仕事関数表面との間の相互作用において発生させられる。本効果は、衝撃に暴露される表面のアルカリコーティングによって向上されることができる。２つの主要プロセス、すなわち、表面に衝突する低速原子または分子が、平均滞留時間後、陽または陰イオンとして逆放出される、熱力学的平衡表面イオン化と、陰イオンが、スパッタリング、衝突脱離（熱粒子が脱離される熱脱離とは対照的に）、またはアルカリ金属コーティングの存在下の反射によって発生させられる、非平衡（運動）原子−表面相互作用とが存在する。熱力学的平衡イオン化のプロセスでは、吸着された粒子は、熱平衡条件下、表面から剥離する。表面から離れる粒子のイオン化係数は、Ｓａｈａの式によって判定され、約０．０２％と非常に小さいと考えられる。
【００１２】
非平衡運動表面イオン化のプロセスは、表面においてはるかに効果的であると考えられ、陰イオンの電子親和力に匹敵する十分に低い仕事関数を有する。本プロセスの間、陰イオンは、表面から剥離し、一次粒子から取得された運動エネルギーを使用して、表面近傍障壁を克服する。表面近傍では、付加的電子のエネルギー準位は、金属中の電子の上位Ｆｅｒｍｉ準位を下回り、本準位は、金属からの電子トンネルによって非常に容易に満たされ得る。表面からのイオン移動の間、鏡像電荷
【数１】
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によって発生させられる電位障壁を克服する。電荷鏡像場は、金属中の電子のエネルギー準位に対して、付加的電子のエネルギー準位を上昇させる。ある臨界距離から始まって、付加的電子の準位は、金属中の電子の上位エネルギー準位より高くなり、共鳴トンネルが、離れるイオンからの電子を金属に戻す。粒子が十分に高速で剥離する場合、陰イオン化の係数は、アルカリ金属、特に、セシウムを被覆することによって提供されることができる、低仕事関数を伴う表面に対して非常に高くなると考えられる。
【００１３】
仕事関数が低下した本表面から剥離する水素粒子の陰イオン化の程度は、
【数２】
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に到達し得ることが、実験的に示されている。タングステン表面上の仕事関数は、（タングステン結晶１１０表面上に）０．６単分子層のＣｓ被覆率を伴う、最小値を有することに留意されたい。
【００１４】
陰水素イオン源の開発のために、陰イオンの積分収率は、３〜２５ｅＶのエネルギーを伴う水素原子および陽イオンと、Ｍｏ＋Ｃｓ、Ｗ＋Ｃｓのように、低仕事関数を伴う表面との衝突のために、十分に高い、すなわち、Ｋ−＝９−２５％であることが重要である［５］。特に、２ｅＶを上回るエネルギーを伴うＦｒａｎｋ−Ｃｏｎｄｏｎ原子による、セシウム化されたモリブデン表面の衝撃では（図５参照）、Н−イオンへの積分変換効率は、Ｋ−〜８％に到達し得る。
【００１５】
表面プラズマ源（ＳＰＳ）［３］では、陰イオン発生は、運動表面イオン化、すなわち、スパッタリング、脱離、またはガス放電プラズマと接触する電極上への反射のプロセスによって実現される。仕事関数が低下した特殊エミッタの電極が、陰イオン発生の向上のために、ＳＰＳ内で使用される。原則として、放電内への少量のセシウムの添加は、Ｈ−ビームの輝度および強度の多様な増加を得ることを可能にする。放電内へのセシウムシード添加は、陰イオンを用いて抽出される付随する電子束を著しく減少させる。
【００１６】
ＳＰＳでは、ガス放電プラズマは、いくつかの機能を果たす、すなわち、電極に衝突する強力な粒子束を発生させ、電極に隣接するプラズマシースが、イオン加速をもたらし、それによって、衝突粒子のエネルギーを増加させ、負電位下において電極に発生させられる、陰イオンは、プラズマシース電位によって加速され、著しい破壊を伴うことなく、プラズマ層を通して、抽出領域内に進む。非常に高い電力およびガス効率を伴う強力陰イオン発生が、「悪」ガス放電条件および電極の強力な衝撃下、ＳＰＳの種々の修正において得られた。
【００１７】
いくつかのＳＰＳ源が、ＬＨＤ、ＪＴ−６０Ｕ、および国際（ＩＴＥＲ）トカマクのような大型核融合デバイスのために開発されている。
【００１８】
これらの源の典型的特徴は、図６に示される、ＬＨＤステラレータ［４］の入射器を考慮すると理解され得る［４、６］。アークプラズマは、約１００リットルの体積を伴う、大型の磁気多極バケツ型フェンスチャンバ内で発生させられる。２４本のタングステンフィラメントが、約０．３〜０．４Ｐａの水素圧下、３ｋＡ、すなわち、約８０Ｖアークを支持する。中心に約５０Ｇの最大場を伴う外部磁石フィルタが、プラズマ電極近傍の抽出領域に電子密度および温度低下をもたらす。プラズマ電極の正のバイアス（約１０Ｖ）が、付随する電子束を減少させる。陰イオンが、最適セシウム層によって被覆されるプラズマ電極上で発生させられる。空気圧弁を具備する、外部セシウムオーブン（１つの源に対して３つ）が、分散セシウムシード添加を供給する。陰イオン発生は、２００〜２５０℃の最適プラズマ電極温度で最大に達する。プラズマ電極は、熱的に絶縁され、その温度は、電力負荷プラズマ放電によって判定される。
【００１９】
ＬＨＤイオン源内で使用される、４電極多開口イオン光学システムが、図７に示される［６］。陰イオンは、それぞれ、１．４ｃｍの直径を伴う７７０個の放出開口を通して抽出される。開口は、プラズマ電極上の２５×１２５ｃｍ２の面積を占める。小型の永久磁石が、開口間の抽出グリッド間に埋め込まれ、ビームから共抽出された電子を抽出電極壁上に偏向させる。抽出グリッドの背後に設置された付加的電子抑制グリッドが、抽出された電極壁から後方散乱または放出される、二次電子を抑制する。高透過性を伴う多細隙接地グリッドが、イオン源内で使用される。これは、ビーム交差面積を減少させ、したがって、電圧保持容量を改善し、間隙内のガス圧を２．５倍低下させ、対応して、ビームストリッピング損失も減少する。抽出電極および接地電極は両方とも、水冷される。
【００２０】
多カスプ源内へのセシウムシード添加は、広範囲の放電電力および水素充填圧内において、抽出される陰イオン電流の５倍の増加およびＨ−イオン収率の線形成長をもたらす。セシウムシード添加の他の重要である利点は、共抽出される電子電流の約１０分の１までの減少および０．３Ｐａまでの放電内の水素圧の本質的減少である。
【００２１】
ＬＨＤにおける多カスプ源は、それぞれ、２秒の長さのパルス内に３０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度を伴う、約３０Ａイオン電流を規定通りに提供する［６］。ＬＨＤイオン源の主要な問題は、フィラメントからスパッタされたタングステンによって、アークチャンバにシード添加される、セシウムのブロックと、高電力長パルス方式で動作されるときの高電圧保持容量の減少である。
【００２２】
ＬＨＤの陰イオンベースの中性ビーム入射器は、１８０ｋｅＶの公称ビームエネルギーにおいて、水素で動作する、２つのイオン源を有する。全ての入射器は、各イオン源が、２．５ＭＷ中性ビームを提供するように、１２８秒パルスの間、５ＭＷの公称入射電力を達成する。図８ＡおよびＢは、ＬＨＤ中性ビーム入射器を示す。イオン源の焦点距離は、１３ｍであって、２つの源の基点は、１５．４ｍ下流に位置する。入射ポートは、約３ｍの長さであって、最狭部分は、直径５２ｃｍおよび長さ６８ｃｍである。
【００２３】
ＲＦプラズマドライバおよびセシウムによって被覆されるプラズマ電極上での陰イオン発生を伴うイオン源は、ＩＰＰ  Ｇａｒｃｈｉｎｇにおいて開発中である。ＲＦドライバは、これらの源内のタングステンによるセシウムブロックが存在しないように、よりクリーンなプラズマを発生させる。１Ａのビーム電流、約２０ｋＶのエネルギー、および３６００秒の持続時間を用いた陰イオンビームパルスの定常状態抽出が、２０１１年にＩＰＰによって実証された。
【００２４】
現在、例えば、ＩＴＥＲトカマク等の次の段階の核融合デバイスである、開発中である高エネルギー中性ビーム入射器は、所望の１ＭｅＶエネルギーにおける安定動作および十分に高い電流での定常状態または連続波（ＣＷ）動作を実証していない。したがって、例えば、５００〜１０００ＫｅＶの範囲内のビームエネルギー、１００〜２００Ａ／ｍ３の主容器ポートの中性子内の効果的電流密度、１０００秒の約５〜２０ＭＷパルス長の中性ビーム入射器あたりの電力、およびビーム電流の１〜２％未満である、ビーム入射器によって導入されるガス負荷等のビームの標的パラメータの達成を妨害する問題を解決することが可能であるときはいつでも実行可能である解決策を開発する必要がある。本目標の達成は、入射器のモジュール内の陰イオン電流が、ＩＴＥＲビームに対する４０Ａ抽出イオン電流と比較して、８〜１０Ａ抽出イオン電流まで減少される場合、はるかに負担が少なくなることに留意されたい。抽出される電流およびビーム電力の逓減は、はるかに良好に開発された技術およびアプローチが、適用可能となり、入射器の信頼性を改善するように、入射器イオン源および高エネルギー加速器の重要な要素の設計に著しい変更をもたらすであろう。したがって、現在の考察は、要求される出力入射電力が、高電流密度の低発散ビームを発生させるいくつかの入射器モジュールを使用して得られ得るという仮定の下、モジュールあたり８〜１０Ａの電流が抽出されることを示唆する。
【００２５】
表面プラズマ源性能は、十分に裏付けられており、現在作動中のいくつかのイオン源は、１Ａ以上を上回る連続拡張可能イオンビームを発生させる。これまで、ビーム電力およびパルス持続時間のような中性ビーム入射器の重要なパラメータは、検討中の入射器に対して要求されるものから非常にかけ離れている。これらの入射器の開発の現況は、表１から理解され得る。
【表１】
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【００２６】
したがって、改良された中性ビーム入射器を提供することが望ましい。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２７】
【非特許文献１】Ｌ．  Ｗ．  Ａｌｖａｒｅｚ，  Ｒｅｖ．  Ｓｃｉ．  Ｉｎｓｔｒｕｍ．  ２２，  ７０５  （１９５１）
【非特許文献２】Ｒ．Ｈｅｍｓｗｏｒｔｈ  ｅｔ  ａｌ．  Ｒｅｖ．  Ｓｃ．  Ｉｎｓｔｒｕｍ．，  Ｖｏｌ．  ６７，  ｐ．  １１２０  （１９９６）
【非特許文献３】Ｃａｐｉｔｅｌｌｉ  Ｍ．  ａｎｄ  Ｇｏｒｓｅ  Ｃ．  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ  ｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉ，  ３３，  Ｎ．  ６，  ｐ．  １８３２−  １８４４  （２００５）
【非特許文献４】Ｈｅｍｓｗｏｒｔｈ  Ｒ．  Ｓ．，  Ｉｎｏｕｅ  Ｔ．，  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ  ｏｎ  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉ，  ３３，  Ｎ．６，  ｐ．  １７９９−  １８１３  （２００５）
【非特許文献５】Ｂ．  Ｒａｓｓｅｒ，  Ｊ．  ｖａｎ  Ｗｕｎｎｉｋ  ａｎｄ  Ｊ．  Ｌｏｓ  Ｓｕｒｆ．  Ｓｃｉ．  １１８  （１９８２），  ｐ．  ６９７  （１９８２）
【非特許文献６】Ｙ．  Ｏｋｕｍｕｒａ，  Ｈ．  Ｈａｎａｄａ，  Ｔ．  Ｉｎｏｕｅ  ｅｔ  ａｌ．  ＡＩＰ  Ｃｏｎｆ．  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ＃  ２１０，  ＮＹ，    ｐ．  １６９−１８３（１９９０）
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本明細書に提供される実施形態は、陰イオンベースの中性ビーム入射器のためのシステムおよび方法を対象とする。陰イオンベースの中性ビーム入射器は、イオン源、加速器、および中和器を備え、約０．５０〜１．０ＭｅＶのエネルギーを伴う約５ＭＷ中性ビームを発生させる。イオン源は、真空タンクの内側に位置し、９Ａ陰イオンビームを発生させる。イオン源によって発生させられるイオンは、プラズマからイオンビームを抽出し、要求されるビームエネルギーのある割合に加速するために使用される、イオン源内の静電多開口グリッド前段加速器によって、高エネルギー加速器内への入射前に、１２０ｋｅＶまで事前加速される。イオン源からの１２０ｋｅＶビームは、一対の偏向磁石を通して通過し、高エネルギー加速器に進入する前に、ビームを軸外にシフトさせる。フルエネルギーまで加速後、ビームは、中和器に進入し、部分的に、中性ビームに変換される。残りのイオン種は、磁石によって分離され、静電エネルギーコンバータ内に指向される。中性ビームは、ゲート弁を通して通過し、プラズマチャンバに進入する。
【００２９】
プラズマドライバおよびイオン源のプラズマボックスの内壁は、高温（１５０〜２００℃）に維持され、その表面上へのセシウム蓄積を防止する。分配マニホールドが、提供され、プラズマにではなく、直接、プラズマグリッドの表面上に、セシウムを供給する。これは、直接、プラズマ放電チャンバ内にセシウムを供給する、既存のイオン源とは対照的である。
【００３０】
イオン抽出および事前加速領域内で共抽出された電子を偏向させるために使用される磁場は、以前の設計において採用されるように、グリッド体内に埋め込まれた磁石によってではなく、外部磁石によって発生させられる。グリッド内に埋め込まれた「低温」磁石の不在は、それらが高温まで加熱されることを可能にする。以前の設計は、グリッド体内に埋め込まれた磁石を利用する傾向にあり、抽出されるビーム電流に有意な減少を生じさせ、高温動作を防止するだけではなく、適切な加熱／冷却性能を生じさせる傾向にある。
【００３１】
高電圧加速器は、直接、イオン源に連結されず、屈曲磁石、真空ポンプ、およびセシウムトラップを伴う、遷移ゾーン（低エネルギービーム輸送ライン−ＬＥＢＴ）によって、イオン源から離間される。遷移ゾーンは、ビームからの電子、光子、および中性子を含む、共流動粒子の大部分を遮断および除去し、イオン源から発散するガスをポンプアウトし、それが高電圧加速器に到達することを防止し、セシウムがイオン源から流出し、高電圧加速器に侵入することを防止し、陰イオンストリッピングによって発生させられる電子および中性子が高電圧加速器に進入することを防止する。以前の設計では、イオン源は、直接、高電圧加速器に接続され、高電圧加速器をイオン源からのあらゆるガス、帯電粒子、およびセシウム流に曝させる傾向にあり、その逆も同様である。
【００３２】
ＬＥＢＴ内の屈曲磁石は、ビームを加速器軸上に偏向および集束させ、したがって、イオン源の磁場を通した輸送の間、いかなるビームオフセットおよび偏向も補償する。前段および高電圧加速器の軸間のオフセットは、高電圧加速器への共流動粒子の流入を減少させ、高度に加速された粒子（陽イオンおよび中性子）が、前段加速器およびイオン源内に逆流することを防止する。ビーム集束はまた、多開口グリッドシステムと比較して、加速器に流入するビームの均質性を促進する。
【００３３】
中和器は、プラズマ中和器および光子中和器を含む。プラズマ中和器は、壁に高磁界永久磁石を伴う、多カスププラズマ閉じ込めシステムに基づく。光子中和器は、高反射壁を伴う円筒形空洞および高効率レーザを用いたポンピングに基づく光子トラップである。これらの中和器技術は、大型中性ビーム入射器における用途には決して検討されなかった。
【００３４】
例示的実施形態の他のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図および発明を実施するための形態の検討に応じて、当業者に明白である、または明白となるであろう。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
陰イオンベースの中性ビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように適合される、イオン源と、
加速器と、
中和器と、
を備え、前記イオン源、加速器、および中和器は、約５ＭＷの電力を伴う中性ビームを発生させるように適合される、入射器。
（項目２）
陰イオンベースの中性ビーム入射器であって、
陰イオンビームを発生させるように適合される、イオン源と、
加速器と、
中和器と、
を備え、前記イオン源、加速器、および中和器は、約０．５０〜１．０ＭｅＶのエネルギーを伴う中性ビームを発生させるように適合される、入射器。
（項目３）
前記イオン源、加速器、および中和器は、約０．５０〜１．０ＭｅＶのエネルギーを伴う中性ビームを発生させるように適合される、項目１に記載の入射器。
（項目４）
前記イオン源、加速器、および中和器は、約５ＭＷの電力を伴う中性ビームを発生させるように適合される、項目２に記載の入射器。
（項目５）
前記イオン源は、約９Ａの陰イオンビームを発生させるように適合される、項目１から４に記載の入射器。
（項目６）
前記加速器は、前記イオン源と離間関係にある、項目１から４に記載の入射器。
（項目７）
前記加速器は、前段加速器および高エネルギー加速器を含む、項目６に記載の入射器。
（項目８）
前記前段加速器は、前記イオン源内の静電多開口グリッドである、項目７に記載の入射器。
（項目９）
前記イオン源からのイオンは、前記高エネルギー加速器内への入射前に、前記前段加速器によって、１２０ｋＶまで事前加速される、項目７に記載の入射器。
（項目１０）
前記前段加速器と高エネルギー加速器との間に介在する一対の偏向磁石をさらに備え、前記一対の偏向磁石は、前記高エネルギー加速器に進入する前に、前記前段加速器からのビームを軸外にシフトさせる、項目７に記載の入射器。
（項目１１）
前記イオン源は、プラズマボックスおよびプラズマドライバを含む、項目７に記載の入射器。
（項目１２）
前記プラズマボックスおよびプラズマドライバの内壁は、約１５０〜２００℃の高温に維持され、その表面上へのセシウム蓄積を防止する、項目１１に記載の入射器。
（項目１３）
前記プラズマボックスおよびドライバは、流体マニホールドおよび通路を含み、高温流体を循環させる、項目１２に記載の入射器。
（項目１４）
直接、前記加速器のプラズマグリッド上にセシウムを供給するための分配マニホールドをさらに備える、項目７に記載の入射器。
（項目１５）
前記前段加速器は、外部磁石を含み、イオン抽出および事前加速領域内で共抽出された電子を偏向させる、項目７に記載の入射器。
（項目１６）
ポンピングシステムをさらに備え、ガスを事前加速間隙からポンピングする、項目７に記載の入射器。
（項目１７）
前記プラズマグリッドは、流動陽イオンを跳ね返すように正にバイアスされる、項目１４に記載の入射器。
（項目１８）
前記高エネルギー加速器は、低エネルギービーム輸送ラインを備える遷移ゾーンによって、前記イオン源から離間される、項目７に記載の入射器。
（項目１９）
前記遷移ゾーンは、屈曲磁石、真空ポンプ、およびセシウムトラップを含む、項目１８に記載の入射器。
（項目２０）
前記屈曲磁石は、前記ビームを偏向させ、前記高エネルギー加速器の軸上に集束させる、項目１９に記載の入射器。
（項目２１）
前記加速器に続いて、磁気レンズをさらに備え、前記加速器内への過集束を補償し、準並列ビームを形成する、項目７に記載の入射器。
（項目２２）
前記中和器は、前記壁に高磁界永久磁石を伴う多カスププラズマ閉じ込めシステムに基づく、プラズマ中和器を含む、項目７に記載の入射器。
（項目２３）
前記中和器は、高反射壁を伴う円筒形空洞および高効率レーザを用いたポンピングに基づく、光子中和器を含む、項目７に記載の入射器。
（項目２４）
前記中和器は、高反射壁を伴う円筒形空洞および高効率レーザを用いたポンピングに基づく、光子中和器を含む、項目２２に記載の入射器。
（項目２５）
残留イオンエネルギー復熱器をさらに備える、項目１および２に記載の入射器。
（項目２６）
残留イオンエネルギー復熱器をさらに備える、項目６に記載の入射器。
（項目２７）
残留イオンエネルギー復熱器をさらに備える、項目７に記載の入射器。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
構造および動作を含む、例示的実施形態の詳細は、類似参照番号が類似部品を指す、付随する図の吟味によって、部分的に得られ得る。図中の構成要素は、必ずしも、正確な縮尺ではなく、代わりに、本発明の原理の例証に応じて、強調される。さらに、全ての例証は、概念を伝達することが意図され、相対的サイズ、形状、および他の詳細属性は、文字通りまたは精密にではなく、図式的に図示され得る。
【００３６】
【図１】図１は、陰イオンベースの中性ビーム入射器レイアウトの平面図である。
【００３７】
【図２】図２は、図１に示される陰イオンベースの中性ビーム入射器の断面等角図である。
【００３８】
【図３】図３は、ＩＴＥＲトカマク用の中性子の高電力入射器の平面図である。
【００３９】
【図４】図４は、ＪＥＴ中性ビーム入射器用の周辺多極磁場を伴う放電チャンバの等角裁断図である。
【００４０】
【図５】図５は、入射エネルギーの関数として、Ｍｏ＋Ｃｓ表面と中性Ｈ原子および陽分子Ｈを衝突させることによって形成される陰イオンの積分収率を示す、チャートである。収率は、表面を事前にセシウム被覆するだけと比較して、ＤＣセシウム被覆を利用することによって向上される。
【００４１】
【図６】図６は、ＬＨＤ用の陰イオン源の平面図である。
【００４２】
【図７】図７は、ＬＨＤ源用の多開口イオン光学システムの概略である。
【００４３】
【図８】図８ＡおよびＢは、ＬＨＤ中性ビーム入射器の上面および側面図である。
【００４４】
【図９】図９は、イオン源の断面図である。
【００４５】
【図１０】図１０は、低エネルギー水素原子源の断面図である。
【００４６】
【図１１】図１１は、低エネルギー路内のＨ−イオンの軌道を示す、グラフである。
【００４７】
【図１２】図１２は、加速器の等角図である。
【００４８】
【図１３】図１３は、加速管内のイオン軌道を示す、グラフである。
【００４９】
【図１４】図１４は、四重極レンズのトリプレットの等角図である。
【００５０】
【図１５】図１５は、高エネルギービーム輸送ラインの加速器内のイオン軌道の上面図（ａ）および側面図（ｂ）を示す、グラフである。
【００５１】
【図１６】図１６は、プラズマ標的配列の等角図である。
【００５２】
【図１７】図１７は、復熱器内のイオンビーム減速の２次元計算の結果を示す、グラフである。
【００５３】
類似構造または機能の要素は、概して、図全体を通して、例証目的のために、類似参照番号によって表されることに留意されたい。また、図は、好ましい実施形態の説明を促進するためにのみ意図されることに留意されたい。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
以下に開示される付加的特徴および教示はそれぞれ、別個に、または他の特徴および教示と併せて、利用され、新しい陰イオンベースの中性ビーム入射器を提供することができる。ここで、その実施例が、別個に、および組み合わせての両方において、これらの付加的特徴および教示の多くを利用する、本明細書に説明される実施形態の代表的実施例が、添付の図面を参照して、さらに詳細に説明される。本発明を実施するための形態は、単に、本教示の好ましい側面を実践するためのさらなる詳細を当業者に教示することを意図し、本発明の範囲を限定することを意図しない。したがって、以下の本発明を実施するための形態に開示される特徴およびステップの組み合わせは、広義には、本発明を実践するために必要でなくてもよく、代わりに、特に、本教示の代表的実施例を説明するために単に教示される。
【００５５】
さらに、代表的実施例および従属請求項の種々の特徴は、本教示の付加的有用実施形態を提供するために、具体的かつ明示的に列挙されていない方法で組み合わせられてもよい。加えて、説明および／または請求項に開示される全特徴は、元々の開示の目的のために、かつ実施形態および／または請求項における特徴の組成物から独立して、請求される主題を制限する目的のために、別個に、かつ相互から独立して、開示されることが意図されることをはっきりと留意されたい。また、エンティティ群の全値範囲または指標は、元々の開示の目的のために、かつ請求される主題を制限する目的のために、あらゆる可能性として考えられる中間値または中間エンティティを開示することをはっきりと留意されたい。
【００５６】
本明細書に提供される実施形態は、好ましくは、約５００〜１０００ｋｅＶのエネルギーおよび全体的高エネルギー効率を伴う、新しい陰イオンベースの中性ビーム入射器を対象とする。陰イオンベースの中性ビーム入射器１００の実施形態の好ましい配列は、図１および２に図示される。描写されるように、入射器１００は、イオン源１１０と、ゲート弁１２０と、低エネルギービームラインを偏向させるための偏向磁石１３０と、絶縁体支持体１４０と、高エネルギー加速器１５０と、ゲート弁１６０と、中和器管（図式的に示される）１７０と、分離磁石（図式的に示される）１８０と、ゲート弁１９０と、ポンピングパネル２００および２０２と、真空タンク２１０（以下に論じられる真空容器２５０の一部である）、低温吸着ポンプ２２０と、四重極レンズのトリプレット２３０とを含む。入射器１００は、記載されるように、イオン源１１０と、加速器１５０と、中和器１７０とを備え、約０．５０〜１．０ＭｅＶのエネルギーを伴う約５ＭＷ中性ビームを発生させる。イオン源１１０は、真空タンク２１０の内側に位置し、９Ａ陰イオンビームを発生させる。真空タンク２１０は、接地に対して−８８０ｋＶまでバイアスされ、ＳＦ６ガスで充填されたより大きい直径のタンク２４０の内側の絶縁支持体１４０上に設置される。イオン源によって発生させられるイオンは、プラズマからイオンビームを抽出し、要求されるビームエネルギーのある割合に加速するために使用される、イオン源１１０内の静電多開口グリッド前段加速器１１１（図９参照）によって、高エネルギー加速器１５０内への入射前に、１２０ｋｅＶまで事前加速される。イオン源１１０からの１２０ｋｅＶビームは、高エネルギー加速器１５０に進入する前に、ビームを軸外にシフトさせる、一対の偏向磁石１３０を通して通過する。偏向磁石１３０間に示されるポンピングパネル２０２は、隔壁およびセシウムトラップを含む。
【００５７】
イオン源１１０のガス効率は、約３０％であると仮定される。９〜１０Ａの投射される陰イオンビーム電流は、イオン源１１０内の６〜７ｌ・Ｔｏｒｒ／ｓガスパフに対応する。イオン源１１０から流動する中性ガスは、約２×１０−４Ｔｏｒｒの前段加速器１１１内で平均圧力まで蓄積する。本圧力では、中性ガスは、前段加速器１１１の内側でイオンビームの約１０％のストリッピング損失を生じさせる。偏向磁石１３０間には、一次陰イオンビームから生じる中性粒子のためのダンプ（図示せず）が、存在する。また、高エネルギー加速器１５０から逆流する陽イオンのためのダンプ（図示せず）も存在する。ポンピングパネル２００からの差動ポンピングを伴う、低エネルギービーム輸送ライン領域２０５が、事前加速直後、高エネルギー加速器１５０に到達する前に、ガス圧力を約１０−６Ｔｏｒｒまで低下させるために使用される。これは、付加的な約５％ビーム損失をもたらすが、低事前加速エネルギーにおいて生じるため、電力損失は、比較的に小さい。高エネルギー加速器１５０内の電荷交換損失は、１０−６Ｔｏｒｒ背景圧力において１％を下回る。
【００５８】
１ＭｅＶのフルエネルギーまで加速後、ビームは、中和器１７０に進入し、部分的に、中性ビームに変換される。残りのイオン種は、磁石１８０によって分離され、静電エネルギーコンバータ（図示せず）内に指向される。中性ビームは、ゲート弁１９０を通して通過し、プラズマチャンバ２７０に進入する。
【００５９】
真空容器２５０は、２つの区画に分割される。一方の区画は、第１の真空タンク２１０内に前段加速器１１１および低エネルギービームライン２０５を含有する。別の区画は、第２の真空タンク２５５内に高エネルギービームライン２６５、中和器１７０、および帯電粒子エネルギーコンバータ／復熱器を格納する。真空容器２５０の区画は、内側に高エネルギー加速器管１５０を伴うチャンバ２６０を通して、接続される。
【００６０】
第１の真空タンク２１０は、前段加速器１１１および低エネルギービームライン２０５の真空境界であって、より大きい直径のタンクまたは外側容器２４０は、高電圧絶縁のために、ＳＦ６ガスで加圧される。真空タンク２１０および２５５は、磁石１３０、低温吸着ポンプ２２０等の内部機器のための支持構造として作用する。内部耐熱構成要素からの熱の除去は、第１の真空タンク２１０の場合、絶縁破壊させる必要があり、−８８０ｋＶまでバイアスされる、冷却管を用いて達成されるであろう。
（イオン源）
【００６１】
イオン源１１０の概略図は、図９に示される。イオン源は、静電多開口前段加速器グリッド１１１と、セラミック絶縁体１１２と、ＲＦ型プラズマドライバ１１３と、永久磁石１１４と、プラズマボックス１１５と、水冷却剤チャネルおよびマニホールド１１６と、ガス弁１１７とを含む。イオン源１１０では、プラズマ前段加速器グリッド１１１のセシウム被覆されたモリブデン表面が、永久磁石１１４によって提供される磁気多極バケツ型閉じ込めを伴う、プラズマ拡張体積（図９の「ＰＥ」と標識された括弧によって示される、ドライバ１１３とグリッド１１１との間の体積）内で使用され、プラズマドライバ１１３によって形成される陽イオンおよび中性原子を陰イオンに変換する。
【００６２】
プラズマ前段加速器グリッド１１１への電子の収集のための正のバイアス電圧が、陰イオン発生のための最適化された条件に印加される。プラズマ前段加速器グリッド１１１内の開口１１１Ｂの幾何学的成形が、Ｈ−イオンを抽出グリッドの開口１１１Ｂ内に集束させるために使用される。外部永久磁石１１４によって発生させられる小規模横断磁気フィルタが、プラズマボックス１１５のドライバ領域またはプラズマエミッタ領域ＰＥからプラズマボックス１１５の抽出領域ＥＲに拡散される電子の温度を低下させるために使用される。プラズマ内の電子は、外部永久磁石１１４によって発生させられる小規模横断磁気フィルタ場によって、抽出領域ＥＲから反射される。イオンは、イオン源１１０内の静電多開口前段加速器プラズマグリッド１１１によって、高エネルギー加速器１５０内への入射前に、１２０ｋｅＶまで加速される。高エネルギーに加速する前は、イオンビームは、直径約３５ｃｍである。イオン源１１０は、したがって、前段加速器プラズマグリッド１１１内の３３％透過率を仮定して、開口１１１Ｂ内に２６ｍＡ／ｃｍ２を発生させる必要がある。
【００６３】
プラズマボックス１１５に供給するプラズマは、好ましくは、円筒形水冷銅チャンバ（直径７００ｍｍ×長さ１７０ｍｍ）である、プラズマボックスの後方フランジ１１５Ａ上に設置されるプラズマドライバ１１３のアレイによって発生させられる。プラズマボックス１１５の開放端は、抽出および加速システムの前段加速器プラズマグリッド１１１によって封入される。
【００６４】
陰イオンは、セシウムの薄層で被覆される、プラズマグリッド１１１の表面上に発生させられると仮定される。セシウムは、セシウム供給システム（図９には図示せず）を使用することによって、プラズマボックス１１５内に導入される。
【００６５】
イオン源１１０は、永久磁石１１４によって囲繞され、一次電子およびプラズマ閉じ込めのためのラインカスプ構成を形成する。プラズマボックス１１５の円筒形壁上の磁石列１１４Ａは、同様にラインカスプ構成にある、磁石１１４Ｂの行によって、後方フランジ１１５Ａに接続される。プラズマグリッド１１１の平面近傍の磁気フィルタは、プラズマボックス１１５をプラズマエミッタＰＥおよび抽出領域ＥＲに分割する。フィルタ磁石１１４Ｃは、プラズマグリッド１１１に隣接するフランジ１１１Ａに設置され、イオンドライバ１１３から流入するエネルギー性一次電子が、抽出領域ＥＲに到達することを防止する役割を果たす、横断磁場（中心においてＢ＝１０７Ｇ）を提供する。しかしながら、陽イオンおよび低エネルギー電子は、フィルタを横断して、抽出領域ＥＲ内に拡散することができる。
【００６６】
電極抽出および事前加速システム１１１は、５つの電極１１１Ｃ、１１１Ｄ、１１１Ｅ、１１１Ｆ、および１１１Ｇを備え、それぞれ、それを通して直交に形成され、陰イオンビームを提供するために使用される、１４２個の孔または開口１１１Ｂを有する。抽出開口１１１Ｂはそれぞれ、１４２個の抽出開口の総イオン抽出面積が約３６１ｃｍ２であるように、直径１８ｍｍである。陰イオン電流密度は、２５ｍＡ／ｃｍ２であって、９Ａイオンビームを発生させるように要求される。フィルタ磁石１１４Ｃの磁場は、静電抽出器と前段加速器グリッド１１１との間の間隙内に延在され、抽出電極１１１Ｃ、１１１Ｄ、および１１１Ｅ内の開口１１１Ｂの内側表面における溝上に共抽出された電子を偏向させる。磁気フィルタ磁石１１４Ｃの磁場は、付加的磁石１１４Ｄの磁場とともに、陰イオンと共抽出された電子の偏向および遮断を提供する。付加的磁石１１４Ｄは、抽出電極１１１Ｃ、１１１Ｄ、および１１１Ｅを備える抽出グリッドから下流に位置する、加速器グリッドの加速器電極１１１Ｆおよび１１１Ｇのホルダ間に設置された磁石のアレイを含む。陰イオンを１２０ｋｅＶのエネルギーに加速する、第３のグリッド電極１１１Ｅは、接地されたグリッド電極１１１Ｄから正にバイアスされ、前段加速器グリッドに進入する流動陽イオンを反射させる。
【００６７】
プラズマドライバ１１３は、２つの代替、すなわち、ＲＦプラズマドライバおよびアーク放電原子ドライバを含む。ＢＩＮＰ開発アーク放電アークプラズマ発生器が、原子ドライバ内で使用される。アーク放電プラズマ発生器の特徴は、指向されたプラズマジェットの形成から成る。拡張ジェット内のイオンは、衝突せずに、約５〜２０ｅＶの両極性プラズマ電位利得エネルギーの降下による加速のため、移動する。プラズマジェットは、コンバータ（図１０の３２０参照）の傾斜モリブデンまたはタンタル表面上に指向されることができ、ジェットの中性化および反射の結果、水素原子流が、発生させられる。水素原子のエネルギーは、プラズマボックス１１５に対するコンバータの負のバイアスによって、初期５〜２０ｅＶを上回って増加されることができる。そのようなコンバータを用いた原子の集中的流れを得る実験が、Ｂｕｄｋｅｒ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅにおいて１９８２〜１９８４年に行われた。
【００６８】
図１０では、低エネルギー原子３００源の発展した配列が、示され、ガス弁３１０と、カソードインサート３１２と、ヒータへのフィードスルー３１４と、冷却水マニホールド３１６と、ＬａＢ６電子エミッタ３１８と、イオン−原子コンバータ３２０とを含む。実験では、２０〜２５Ａの等価電流および２０ｅＶ〜８０ｅＶの範囲内で変動するエネルギーを伴う、水素原子流が、５０％を上回る効率で発生させられた。
【００６９】
そのような源は、陰イオン源内で使用され、プラズマグリッド１１１のセシウム被覆された表面上の陰イオンの効率的生成のために最適化されたエネルギーを伴う原子を供給することができる。
（低エネルギービーム輸送ライン）
【００７０】
低エネルギービーム輸送ライン２０５に沿ったその通路上のイオン源１１０によって生成され、１２０ｋｅＶのエネルギーまで事前加速されるＨ−イオンは、イオン源１１０の周辺磁場および２つの特殊な楔形状の屈曲磁石１３０の磁場による偏差を用いて、４４０ｍｍだけその運動方向に垂直に変位される。低エネルギービーム輸送ライン２０５内の陰イオンビームの本変位（図１１に図示されるように）は、イオン源１１０および高エネルギー加速器領域１５０を分離するために提供される。本変位は、加速管１５０内の残留水素上のＨ−ビームのストリッピングから発生する、高速原子の侵入を回避し、イオン源１１０から加速管１５０へのセシウムおよび水素流を減少させ、また、加速管１５０からイオン源１１０への二次イオン束の抑制のために使用される。図１１では、低エネルギービーム輸送ライン内のＨ−イオンの計算された軌道が、示される。
（高エネルギービームダクト）
【００７１】
低エネルギービームラインから流出する低エネルギービームは、図１２に示される従来の静電多開口加速器１５０に進入する。
【００７２】
空間電荷寄与を考慮した９А陰イオンビーム加速の計算の結果は、図１３に示される。イオンは、１２０ｋｅＶエネルギーから１ＭｅＶまで加速される。管１５０上の加速電位は、８８０ｋＶであって、電極間の電位ステップは、１１０ｋＶである。
【００７３】
計算は、電子放電の可能性として考えられる発生のゾーン内の電極上の最適化された加速管１５０内において、磁界強度が、５０ｋＶ／ｃｍを超えないことを示す。
【００７４】
加速後、ビームは、加速管１５０の出口上のわずかなビーム焦点外れを補償し、出口ポート上に好ましいサイズを伴うビームを形成するために使用される、産業用の従来の四重極レンズ２３１、２３２、および２３３（図１４）のトリプレット２３０を通して進む。トリプレット２３０は、高エネルギービーム輸送ライン２６５の真空タンク２５５の内側に設置される。四重極レンズ２３１、２３２、および２３３はそれぞれ、全ての現代の従来の粒子加速器に見出されるように、通常磁気集束場を発生させる、従来の一式の四重極電磁石を含む。
【００７５】
加速管１５０、四重極レンズ２３０、および高エネルギービーム輸送ライン２６５内の１２ｅＶの横断温度を伴う、９Ａ陰イオンビームの計算された軌道は、図１５に示される。計算は、その集束点を越えるビームに従う。
【００７６】
半径方向プロファイルの半分の高さにおける１２．５ｍの距離での中和器後の６Ａ等価電流を伴う中性ビームの計算された直径は、１４０ｍｍであって、ビーム電流の９５％は、１８０ｍｍの直径円周内にある。
（中性化）
【００７７】
ビームシステムのために選択された光脱離中和器１７０は、イオンビームの９５％を上回るストリッピングを達成することができる。中和器１７０は、キセノンランプのアレイおよび高反射壁を伴う円筒形光トラップを備え、要求される光子密度を提供する。０．９９を上回る反射率を伴う冷却鏡が、約７０ｋＷ／ｃｍ２の壁上の電力束を収容するために使用される。代替では、従来の技術を使用するプラズマ中和器が、代わりに、使用され得るが、効率の低下を若干犠牲にする。なお、予測されるように、エネルギー回収システムが＞９５％効率を有する場合、プラズマセルの約８５％の中性化効率は、かなり十分である。
【００７８】
プラズマ中和器プラズマは、壁に、永久磁石１７２のアレイによって発生させられる多極磁場を伴う、円筒形チャンバ１７５内に閉じ込められる。閉じ込めデバイスの一般的図は、図１６に示される。中和器１７０は、冷却水マニホールド１７１と、永久磁石１７２と、カソードアセンブリ１７３と、ＬａＢ６カソード１７４とを含む。
【００７９】
円筒形チャンバ１７５は、１．５〜２ｍの長さであって、ビームが通過するために、端部に開口部を有する。プラズマは、閉じ込めチャンバ１７５の中心に設置された、いくつかのカソードアセンブリ１７３を使用することによって生成される。作業ガスは、デバイス１７０の中心近傍に供給される。そのようなプラズマ中和器１７０のプロトタイプを用いた実験では、壁の多極磁場１７２による電子の閉じ込めは、十分に良好であって、プラズマイオンよりかなり良好であることが観察された。イオンおよび電子損失を均一にするために、イオンが電場によって効果的に閉じ込められるように、多量の負電位がプラズマ内で発生する。
【００８０】
合理的に長いプラズマ閉じ込めは、中和器１７０内に約１０１３ｃｍ−３プラズマ密度を持続させるために要求される比較的に低電力の放電をもたらす。
（エネルギー回復）
【００８１】
我々の条件下で高電力効率の達成のための客観的理由がある。第１に、これらとして、イオンビームの比較的に小さい電流および低エネルギー拡散が挙げられる。本明細書に説明される方式では、プラズマまたは蒸気−金属標的を使用する場合、イオンの残留電流は、中和器後、約３Ａであることが予期され得る。正または負の電荷のいずれかを伴う、これらの拒否されたイオン流は、偏向磁石１８０を介して、それぞれ、陽および陰イオンに対して１つずつの２つのエネルギー復熱器に迂回されるであろう。典型的には、空間電荷補償を伴わない、復熱器の内側の直接コンバータ内に１ＭｅＶエネルギーおよび３Ａを伴う、これらの残留する拒否されたイオンビームの減速の数値シミュレーションが、実施された。直接コンバータは、残留する拒否されたイオンビーム内に含有されるエネルギーの実質的部分を直接電気に変換し、熱サイクル内に組み込むための高品質の熱として、エネルギーの残りを供給する。直接コンバータは、静電多開口減速器の設計に従い、それによって、帯電電極の連続区画は、縦方向破壊場を発生させ、イオンの運動エネルギーを吸収する。
【００８２】
図１７は、コンバータ内のイオンビーム減速の２次元計算の結果を示す。提示される計算から、１ＭｅＶエネルギーを伴うイオンビームの３０ｋｅＶエネルギーへの減速は、かなり実行可能であって、したがって、９６〜９７％の回復係数の値が、求められ得ることが分かる。
【００８３】
陰イオンに基づく高電力中性ビーム入射器の以前の開発の試みは、これまで、重要な課題を呈し、約１ＭｅＶおよび数ＭＷの電力の安定定常状態動作を伴う入射器の達成を妨害すると分析されてきた。それらの最も重要であるもの中でも、以下が挙げられる。
・セシウム層の制御ならびに損失および再堆積（温度制御等）
・抽出のための陰イオンの表面発生の最適化
・共流動電子の分離
・内部磁場によるプラズマグリッドにおけるイオン電流プロファイルの非均一性
・低イオン電流密度
・加速器が、複雑であって、たくさんの新しい技術が、依然として、開発中である（低電圧保持容量、大型の絶縁体等）
・逆流陽イオン
・高度中和器技術（プラズマ、光子）が、関連条件において実証されていない
・エネルギー変換が、十分に開発されていない
・ダクト内のビームブロック
【００８４】
本明細書に提供される問題の革新的解決策は、接続されるシステム、すなわち、陰イオン源、抽出／加速、中和器、エネルギーコンバータ等に従って、群化されることができる。
（１．０  陰イオン源１１０）
【００８５】
１．１．プラズマボックス１１５およびプラズマドライバ１１３の内壁が、高温（１５０〜２００℃）に留まり、その表面上へのセシウム蓄積を防止する。高温は、
−脱離／スパッタリングによる非制御セシウム放出を防止し、イオン光学システム（グリッド１１１）内へのその侵入を減少させ、
−壁におけるセシウム層内の水素原子の吸収および再結合を減少させ、
−セシウムの消耗および毒作用を減少させる。
これを達成するために、高温流体が、全構成要素を通して循環される。表面の温度は、能動的フィードバック制御を介して、さらに安定化される、すなわち、熱が、ＣＷ動作および過渡状態の間、除去または添加のいずれかが行われる。本アプローチとは対照的に、全ての他の既存および計画ビーム入射器は、冷却剤管と高温電極体との間に水冷および断熱を伴う、受動的システムを使用する。
【００８６】
１．２．セシウムが、プラズマにではなく、直接、プラズマグリッド１１１の表面上の分配マニホールドを通して供給される。分配マニホールドを通してセシウムを供給することは、
−全ビームオン時間の間、制御および分配されたセシウム供給を提供し、
−典型的には、プラズマによるブロックのためのセシウム不足を防止し、
−長パルスの間、その蓄積およびブロック解除後のプラズマからのセシウム放出を減少させる。
対照的に、既存のイオン源は、直接、放電チャンバ内にセシウムを供給する。
（２．０  前段加速器（１００−ｋｅＶ）１１１）
【００８７】
２．１．イオン抽出および事前加速領域内で共抽出された電子を偏向させるために使用される磁場は、以前の設計において採用されるようなグリッド体内に埋め込まれた磁石によってではなく、外部磁石によって発生させられる。
−グリッド間の高電圧間隙内の磁場ラインは、負にバイアスされたグリッドに向かって、すなわち、抽出間隙内のプラズマグリッドに向かって、および事前加速間隙内の抽出グリッドに向かって、あらゆる場所で凹状化される。負にバイアスされたグリッドに向かっての磁場ラインの凹状化は、埋め込まれた磁石を伴う構成では生じ得るように、高電圧間隙内の局所Ｐｅｎｎｉｎｇトラップの出現および共抽出された電子の捕捉／拡大を防止する。
−埋め込まれた「低温」ＮＩＢ磁石を伴わない、イオン光学システム（ＩＯＳ）の電極（グリッド１１１）は、高温（１５０〜２００℃）まで加熱され、高温（１００〜１５０℃）液体を使用することによって、長パルスの間、熱の除去を可能にし得る。
−埋め込まれた磁石の不在は、グリッドの放出開口間の空間を節約し、より効率的な電極加熱／冷却チャネルの導入を可能にする。
対照的に、以前の設計は、グリッド体内に埋め込まれた磁石を利用する。これは、高電圧間隙内に静的磁電気トラップの形成につながり、共抽出された電子を捕捉および拡大する。これは、抽出されたビーム電流の有意な減少を生じさせ得る。また、高温動作を防止するだけではなく、長パルス動作のために重要である、適切な加熱／冷却性能をもたらす。
【００８８】
２．２．イオン光学システム（グリッド１１１）の電極は全て、常時、高温（１５０〜２００℃）に持続され、その表面におけるセシウム蓄積を防止し、抽出および事前加速間隙の高電圧強度を増加させる。対照的に、従来の設計では、電極は、水によって冷却される。電極は、冷却剤管と電極体との間に断熱が存在し、能動的フィードバックが存在しないため、高温を有する。
【００８９】
２．３．始動時のグリッド１１１の初期ウオームアップおよびビームオン相の間の熱除去は、制御可能温度を伴う高温液体をグリッド１１１の内側の内部チャネルを通して流動させることによって行われる。
【００９０】
２．４．ガスが、加えて、ビームラインに沿ったガス圧を低下させ、陰イオンストリッピングおよび間隙内の二次粒子の発生／拡大を抑制するために、事前加速間隙から、グリッドホルダ内の側空間および大開口部を通して、ポンプアウトされる。
【００９１】
２．５．正にバイアスされるグリッド１１１の含有は、逆流陽イオンを跳ね返すために使用される。
（３．０  高電圧（１ＭｅＶ）加速器１５０）
【００９２】
３．１．高電圧加速器１５０は、直接、イオン源に連結されず、屈曲磁石１３０、真空ポンプ、およびセシウムトラップを伴う、遷移ゾーン（低エネルギービーム輸送ライン−ＬＥＢＴ２０５）によって、イオン減から離間される。遷移ゾーンは、
−ビームから、電子、光子、および中性子を含む、共流動粒子の大部分を遮断および除去し、
−イオン源１１０から発生するガスをポンプアウトし、高電圧加速器１５０に到達することを防止し、
−セシウムが、イオン源１１０から流出し、高電圧加速器１５０に侵入することを防止し、
−陰イオンストリッピングによって発生させられる電子および中性子が、高電圧加速器１５０に進入することを防止する。
以前の設計では、イオン源は、直接、高電圧加速器に接続される。これは、高電圧加速器をイオン源からのあらゆるガス、帯電粒子、およびセシウム流に曝し、その逆も同様である。このような強い干渉は、高電圧加速器の電圧保持容量を減少させる。
【００９３】
３．２．ＬＥＢＴ２０５内の屈曲磁石１３０は、ビームを加速器軸上に偏向および集束させる。屈曲磁石１３０は、
−イオン源１１０の磁場を通した輸送の間、いかなるビームオフセットおよび偏向も補償し、
−前段および高電圧加速器１１１および１５０の軸間のオフセットは、高電圧加速器１５０への共流動粒子の流入を減少させ、高度に加速された粒子（陽イオンおよび中性子）が前段加速器１１１およびイオン源１１０内に逆流することを防止する。
対照的に、以前のシステムは、加速段階間に物理的分離を有しておらず、したがって、本明細書の特徴である軸方向オフセットを可能にしない。
【００９４】
３．３．低エネルギービームライン２０５の磁石は、単一開口加速器１５０の入口内にビームを集束させる。
−ビーム集束は、多開口グリッドシステムと比較して、加速器１５０に進入するビームの均質性を促進する。
【００９５】
３．４．単一開口加速器の適用は、
−システム整合およびビーム集束を単純化し、
−高エネルギー加速器１５０からのガスポンピングおよび二次粒子除去を促進し、
−高エネルギー加速器１５０の電極上へのビーム損失を減少させる。
【００９６】
３．５．磁気レンズ２３０が、加速後、加速器１５０内への過集束を補償し、準並列ビームを形成するために使用される。
【００９７】
従来の設計では、加速器自体を除き、ビーム集束および偏向のための手段は存在しない。
（４．０  中和器１７０）
【００９８】
４．１壁に高磁界永久磁石を伴う、多カスププラズマ閉じ込めシステムに基づく、プラズマ中和器は、
−中性化効率を増加させ、
−全体的中性ビーム入射器損失を最小限にする。
これらの技術は、大規模中性ビーム入射器における用途に対して決して検討されなかった。
【００９９】
４．２光子中和器−高反射壁を伴う円筒形空洞および高効率レーザを用いたポンピングに基づく、光子トラップは、
−中性化効率をさらに増加させ、
−全体的中性ビーム入射器損失をさらに最小限にする。
これらの技術は、大規模中性ビーム入射器における用途に対して決して検討されなかった。
（５．０  復熱器）
【０１００】
５．１残留イオンエネルギー復熱器の適用は、
−入射器の全体的効率を増加させる。
対照的に、回復は、従来の設計では、全く予想されない。
【０１０１】
参考文献
【化１】
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【０１０２】
本発明は、種々の修正および代替形態をとることができるが、その具体的実施例は、図面に示され、本明細書に詳細に説明される。全参考文献は、その全体として、具体的に本明細書に組み込まれる。しかしながら、本発明は、開示される特定の形態または方法に限定されず、対照的に、本発明は、添付の請求項の精神および範囲内にある全修正、均等物、および代替を網羅することを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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