ФОТОННЫЙ НЕЙТРАЛИЗАТОР ДЛЯ ИНЖЕКТОРОВ ПУЧКОВ НЕЙТРАЛЬНЫХ ЧАСТИЦ
PHOTON NEUTRALISER FOR NEUTRAL PARTICLE BEAM INJECTORS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
[0001] Описанный в данном тексте объект изобретения относится в целом к инжекторам пучков нейтральных частиц и, в частности, к фотонному нейтрализатору для инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0002] Традиционным подходом к получению пучка нейтральных частиц из пучка отрицательных H-, D- ионов для нагрева или диагностики плазмы при помощи пучка нейтральных частиц является нейтрализация пучка отрицательных ионов в газовой или плазменной мишени для отрыва избыточных электронов. Однако эти подходы имеют существенное ограничение по эффективности. В настоящее время, например, для разработанных инжекторов для нагрева с энергией пучка частиц в 1 МэВ [R. Hemsworth et al., 2009, Nucl. Fusion 49 045006] эффективность нейтрализации в газовой и плазменной мишенях составит соответственно около 60% и 85% [G.I. Dimov et al., 1975, Nucl. Fusion 15, 551], что в значительной степени влияет на общую эффективность инжекторов. Кроме того, применения подобных нейтрализаторов связаны с осложнениями, включая ухудшение вакуумных условий из-за подвода газа и появление в атомном пучке положительных ионов, что может оказаться существенным в некоторых применениях.
2
[0003] Фотоотрыв электрона от имеющих высокую энергию отрицательных ионов является перспективным способом нейтрализации пучка частиц. Этот способ не требует подвода газа или плазмы в камеру нейтрализатора; он не образует положительных ионов и способствует очищению пучка частиц от примесей благодаря наличию отрицательных ионов. Фотоотрыв электрона соответствует следующему процессу: H-+hω=H0+e. Как и большинство отрицательных ионов, ион Н- имеет одно стабильное состояние. Несмотря на это, фотоотрыв возможен и из возбужденного состояния. Сечение фотоотрыва является хорошо известным [смотрите, например, L.M.Branscomb et al., Phys. Rev. Lett. 98, 1028 (1955)]. Сечение фотоотрыва является достаточно большим в широком диапазоне энергий фотона, который практически покрывает весь видимый и ближний ИЧ спектр. Такие фотоны не могут выбить электрон с Н0 или все электроны с Н- и привести к образованию положительных ионов. Данный подход был предложен в 1975 г. Дж.Г. Финком и И.М. Франком [J.H. Fink et al., Photodetachment of electrons from negative ions in a 200 keV deuterium beam source, Lawrence Livermore Natl. Lab. (1975), UCRL-16844]. С того времени было предложено большое количество проектов фотонных нейтрализаторов. Как правило, фотонные нейтрализаторы базировались на оптических резонаторах типа эталонов Фабри-Перо. Такой оптический резонатор требует зеркал с очень высокой отражательной способностью и мощных источников света с узкой линией генерации, а все оптические элементы должны быть очень точно отрегулированы. Например, в схеме, предложенной Ковари [M. Kovari et al., Fusion Engineering and Design 85 (2010) 745-751], требуется отражательная способность зеркал, составляющая не менее 99,96%, общая выходная мощность лазера должна составлять около 800 кВт с выходной интенсивностью, составляющей около 300 Вт/см, а ширина линии излучения лазера должна составлять менее 100 Гц. Достижение сразу всех этих параметров на практике маловероятно.
[0004] Следовательно, необходимо разработать безрезонансный фотонейтрализатор.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] Предложенные в данном тексте варианты реализации изобретения относятся к системам и способам, касающимся безрезонансного фотонейтрализатора для инжекторов пучков нейтральных частиц на основе отрицательных ионов. Описанный в данном тексте безрезонансный фотонейтрализатор базируется на принципе безрезонансного накопления фотонов, при этом траектория фотона становится запутанной и заключенной в определенном объеме пространства, т.е., в фотонной ловушке. Эта ловушка предпочтительно образована двумя гладкими зеркальными поверхностями, обращенными друг к другу, при этом, по меньшей мере одна из поверхностей является вогнутой. В самом простом варианте ловушка предпочтительно имеет эллиптическую форму. Область удержания ловушки представляет собой область вблизи семейства нормалей, которые являются общими для обеих зеркальных поверхностей ловушки. Фотоны с достаточно малыми углами отклонения от ближайшей общей нормали оказываются удерживаемыми. В зависимости от определенных условий форма ловушки может быть сферической, эллиптической, цилиндрической, тороидальной или представлять комбинацию этих вариантов.
[0006] В процессе эксплуатации пучки фотонов с заданной угловой расходимостью вдоль и поперек ловушки инжектируются через одно или более небольших отверстий в одном или более из зеркал. Пучки фотонов можно получить при помощи обычных промышленных волоконных лазеров. Для фотонейтрализатора не требуется ни источников лазерного излучения высокого качества для накачки фотонной мишени, ни высокоточной настройки и регулировки оптических элементов.
[0007] Другие системы, способы, отличительные признаки и преимущества примеров вариантов реализации изобретения станут понятны для специалиста в данной области техники после изучения нижеприведенных фигур и детального описания изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0008] Детали примеров вариантов реализации изобретения, включая устройство и эксплуатацию, можно частично почерпнуть, изучая прилагающиеся фигуры, на которых одинаковые позиционные обозначения соответствуют одинаковым частям. Компоненты, приведенные на фигурах, не обязательно соответствуют масштабу, а ударение вместо этого делается на иллюстрировании принципов данного изобретения. Более того, все иллюстрации должны, в первую очередь, соответствовать концепции, где относительные размеры, формы и другие детальные характеристики могут иллюстрироваться скорее схематически, чем буквально или точно.
[0009] ФИГ. 1 иллюстрирует схему безрезонансной фотонной ловушки.
[0010] ФИГ. 2 иллюстрирует схему квазипланарной адиабатической оптической ловушки.
[0011] ФИГ. 3 иллюстрирует схематический вид в перспективе на квазипланарную адиабатическую оптическую ловушку, приведенную на ФИГ. 2.
[0012] ФИГ. 4 иллюстрирует след одного луча в фотонной ловушке с произвольным углом от -3° до 5° в плоскости XY и от -5° до 5° вдоль ловушки, количество отражений равно 4000. Угол раствора краев зеркал составляет около 3°.
[0013] ФИГ. 5 иллюстрирует пример распределения поверхностной интенсивности и ее поперечного сечения в середине ловушки.
[0014] ФИГ. 6 иллюстрирует график, показывающий степень нейтрализации (пунктирная линия) и общую эффективность нейтрализатора (непрерывная кривая) в зависимости от мощности лазерной инжекции.
[0015] ФИГ. 7 иллюстрирует вид в разрезе схемы инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов.
[0016] ФИГ. 8 иллюстрирует изометрическое изображение в сечении инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов, проиллюстрированного на ФИГ. 7.
[0017] Стоит отметить, что в иллюстративных целях элементы фигур, имеющие одинаковую структуру и функции, в общем случае представлены одинаковыми позиционными обозначениями. Также стоит отметить, что фигуры приведены только для того, чтобы выполнять вспомогательную функцию при описании предпочтительных вариантов изобретения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0018] Все раскрытые ниже отличительные признаки и идеи изобретения можно применять в отдельности или совместно с другими отличительными признаками и идеями для реализации безрезонансного фотонейтрализатора для инжекторов пучков нейтральных частиц на основе отрицательных ионов. Описанные в данном тексте типичные примеры вариантов реализации изобретения, в которых использованы многие из этих дополнительных отличительных признаков и идей, как отдельно, так и в комбинации, теперь будут описаны более детально со ссылкой на прилагающиеся чертежи. Это детальное описание приведено просто для того, чтобы ознакомить специалиста в данной области техники с дополнительными деталями практической реализации предпочтительных аспектов настоящих идей, и не ограничивает объема данного изобретения. Следовательно, комбинации отличительных признаков и этапов, раскрытых в нижеприведенном детальном описании, могут быть необязательными для практической реализации изобретения в самом широком смысле, и приведены просто для того, чтобы подробно описать типичные примеры настоящих идей.
[0019] Более того, многие отличительные признаки типичных примеров и соответствующие им пункты формулы изобретения можно комбинировать способами, которые конкретно и непосредственно не указаны, с целью реализации дополнительных целесообразных вариантов осуществления настоящих идей. Вдобавок, специально оговаривается, что все отличительные признаки, раскрытые в описании и/или формуле изобретения, должны быть раскрыты отдельно и независимо друг от друга в контексте настоящего описания изобретения, а также в контексте ограничения заявленного предмета изобретения от набора отличительных признаков в вариантах реализации и/или формуле изобретения. Также специально оговаривается, что все диапазоны величин или показаний для групп значений включают любую возможную промежуточную величину или промежуточное значение в контексте настоящего описания изобретения, а также в контексте ограничения заявленного предмета.
[0020] Предложенные в данном тексте варианты реализации изобретения относятся к безрезонансному фотонейтрализатору для инжекторов пучков нейтральных частиц на основе отрицательных ионов. Детальное описание инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов приведено в заявке на патент Российской Федерации №2012137795 и заявке PCT №PCT/US2013/058093, которые включены в данный текст посредством ссылки.
[0021] Описанный в данном тексте безрезонансный фотонейтрализатор базируется на принципе безрезонансного накопления фотонов, при этом траектория фотона становится запутанной и заключенной в определенном объеме пространства, т.е., в фотонной ловушке. Эта ловушка предпочтительно образована двумя гладкими зеркальными поверхностями, обращенными друг к другу, при этом, по меньшей мере одна из поверхностей является вогнутой. В самом простом варианте ловушка предпочтительно имеет эллиптическую форму. Область удержания ловушки представляет собой область вблизи семейства нормалей, которые являются общими для обеих зеркальных поверхностей ловушки. Фотоны с достаточно малыми углами отклонения от ближайшей общей нормали оказываются удерживаемыми. В зависимости от определенных условий форма ловушки может быть сферической, эллиптической, цилиндрической, тороидальной или представлять комбинацию этих вариантов.
[0022] В процессе эксплуатации пучки фотонов с заданной угловой расходимостью вдоль и поперек ловушки инжектируются через одно или более небольших отверстий в одном или более из зеркал. Пучки фотонов можно получить при помощи обычных промышленных волоконных лазеров. Для фотонейтрализатора не требуется ни источников лазерного излучения высокого качества для накачки фотонной мишени, ни высокоточной настройки и регулировки оптических элементов.
[0023] Если обратиться к фигурам, вариант реализации безрезонансной фотонной ловушки 10 приведен на ФИГ. 1. Как показано на двумерном изображении, ловушка 10 содержит нижнее плоское зеркало 20 и верхнее вогнутое зеркало 30. Фотон γ с небольшим углом относительно вертикальных осей в пределах ловушки 10 будет приобретать с каждым отражением от верхнего зеркала 30 некоторое приращение горизонтальной составляющей импульса относительно осей ловушки 10. Положение фотона γ после n-го отражения определяется значением абсциссы точки отражения xn, с высотой F(xn), углом ϕ относительно вертикали и скоростью фотона βn. Горизонтальное движение описывается следующей системой уравнений:
<img file="00000001.jpg" he="7" wi="52" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(1)
<img file="00000002.jpg" he="10" wi="34" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(2)
[0024] Для исследования стабильности объединяют линеаризованные варианты уравнений (1) и (2) и получают следующие уравнения:
<img file="00000003.jpg" he="6" wi="31" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(3)
<img file="00000004.jpg" he="10" wi="38" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(4)
[0025] Комбинируя уравнения (3) и (4) получают следующее линейное рекуррентное соотношение:
<img file="00000005.jpg" he="20" wi="56" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
(5)
где R является радиусом кривизны верхнего зеркала 30. Уравнение (5) представляет собой вариант конечно-разностной схемы для колебательной системы с шагом, равным единичному интервалу времени, и с частотой собственных колебаний . Решение можно представить в форме , где q является комплексным числом. Тогда, для q, определяемого как:
<img file="00000008.jpg" he="13" wi="53" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
(6)
условием стабильности является , из которого локализация фотонов в геометрической оптике, учитывая то, что величина  не является отрицательной, определяется как
<img file="00000011.jpg" he="6" wi="30" img-content="undefined" img-format="jpg" />
Радиус кривизны верхнего зеркала 30 оказывает влияние на локализацию и устойчивость фотонного ансамбля. Рекуррентные системы (1) и (2) дают возможность получить интеграл движения:
<img file="00000012.jpg" he="19" wi="45" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
(8)
В случае достаточно малой кривизны верхнего зеркала 30 и малых интервалов, таких как
<img file="00000013.jpg" he="11" wi="53" img-content="undefined" img-format="jpg" />,
Интегральные суммы (8) приближенно преобразуются в
или в стандартный адиабатический инвариант
<img file="00000015.jpg" he="6" wi="32" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(10)
Уравнение (10) определяет область, заполненную фотонами.
[0026] Эти расчеты дают возможность разработать эффективный фотонный нейтрализатор для пучков отрицательных ионов. Если обратиться к ФИГ. 2 и 3, целесообразной трехмерной геометрией ловушки 10 является длинная арочная сборная конструкция из четырех компонентов. Как показано на ФИГ. 2, ловушка 10 содержит плоское зеркало 20 на дне ловушки 10 и верхний блок зеркал 30, состоящий из центрального зеркала 32, имеющего цилиндрическую форму, и пары внешних зеркал 34, которые имеют коническую форму и соединены с концами центрального зеркала 32. Как показано, ионный пучок Н- проходит вдоль фотонной ловушки. Размеры соответствуют характеристическим параметрам одиночного канала нейтрализатора инжектора пучка частиц для Международного термоядерного экспериментального реактора (МТЭР).
[0027] Далее приведены результаты численного моделирования фотонного нейтрализатора для МТЭР. Данное моделирование проводили с использованием кода ZEMAX. На ФИГ. 4 показан след одного луча в системе ловушки 10, приведенной на ФИГ. 2, с произвольным углом от -3° до 3° в плоскости XY и от -5° до 5° вдоль ловушки 10.
[0028] Траектория, приведенная на ФИГ. 4, содержит 4000 отражений, после которых луч остается в системе ловушки. В резонансном устройстве [M. Kovari, B. Crowley. Fusion Eng. Des. 2010, v. 85 p. 745-751] эффективность удержания при отражательной способности зеркала r2=0,9996 составляет около . В описанном в данном тексте случае при более низкой отражательной способности зеркала r2=0,999 определяемая эффективность удержания составляет:
<img file="00000017.jpg" he="9" wi="31" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(11)
[0029] Потери в резонансных схемах связаны, главным образом, с большим количеством поверхностей внутри резонатора и с дифракцией. [J.H. Fink, Production and Neutralization of Negative Ions and Beams: 3rd Int. Symposium, Brookhaven 1983, AIP, New York, 1984, pp. 547-560]
[0030] Распределение потока энергии излучения в горизонтальной плоскости внутри ловушки 10 показано на ФИГ. 5, где коэффициент отражения всех поверхностей равен 0,999, а входная мощность излучения равна 1 Вт. Рассчитанная накопленная мощность в полости ловушки 10 равна 722 ватта. Принимая во внимание потери при расчетах (код Zemax отслеживает и учитывает такие потери), величина накопленной мощности должна быть увеличена на 248 ватт. Следовательно, эффективность удержания практически достигает максимальной возможной величины (11). Таким образом, квазипланарные системы в приближении геометрической оптики обеспечивают удержание фотонов в некоторой области с заданным размером.
[0031] Стоит отметить, что конечные конические зеркала 34 и главные цилиндрические зеркала 32 и 20 образуют ломаную поверхность, как показано на ФИГ. 2 и 3. Изломы поверхности оказывают негативное влияние на продольное удержание фотонов, потому что они приводят к образованию области нестабильности (смотрите (7)). Однако количество пересечений этих границ лучом на протяжении времени, равного времени жизни фотона, невелико по сравнению с общим количеством отражений и, таким образом, фотон не имеет времени для того, чтобы существенно увеличить продольный угол и выйти из ловушки через концы ловушки 10.
ИНЖЕКЦИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ В ЛОВУШКУ И ЕГО ИСТОЧНИКИ
[0032] Для того чтобы накачать оптическую ячейку, пучки фотонов с заданным угловым расхождением вдоль и поперек ловушки 10 можно инжектировать через одно или более небольших отверстий в одном или более зеркалах. Например, это можно осуществить при помощи иттербиевого волоконного лазера (λ=1070 нм, общая мощность около 50 кВт) [http://www.ipgphotonics.com/Collateral/Documents/English-US/HP_Brochure.pdf]. Эти серийные лазеры обладают достаточной мощностью, а их линия генерации является практически оптимальной.
[0033] Пучок излучения с необходимым угловым расхождением можно получить из излучения волоконного лазера при помощи специальных адиабатических конических или параболических формирователей. Например, излучение волоконного лазера с расхождением в 15o и ∅300μ можно преобразовать в 5o и ∅1 мм, что является достаточным для описанной в данном тексте ловушки 10 нейтрализатора.
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФОТОННОЙ НЕЙТРАЛИЗАЦИИ
[0034] Степень нейтрализации можно представить в виде
<img file="00000018.jpg" he="12" wi="36" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(12)
где d - ширина области нейтрализации, E0 - энергия фотона, V - скорость ионов. P - общая накопленная мощность, определяемая как , где P0 - это мощность оптической накачки, r2 - отражательная способность зеркал. Эффективность нейтрализации потока D- лазером с общей эффективностью ηl можно определить как
<img file="00000020.jpg" he="14" wi="27" img-content="undefined" img-format="jpg" />
(13)
где P_ - общая мощность пучка отрицательных ионов. Эффективность увеличивается с ростом мощности пучка частиц D-. Эффективность (13) и степень нейтрализации (12) приведены на ФИГ. 6. Данная кривая была рассчитана для одноканального газового нейтрализатора в инжекторах МТЭР, в котором проходится значение в 10 МВт. Таким образом, в подобном подходе можно достичь практически 100% нейтрализации с очень высокой энергетической эффективностью, составляющей около 90%. Для сравнения, инжектор пучка нейтральных частиц МТЭР характеризуется 58% нейтрализации [R. Hemsworth et al. // Nucl. Fusion. 2009, v. 49, 045006] и, соответственно, такой же эффективностью. Полная эффективность инжектора, принимая во внимание питание ускорителя и потери при переносе, была оценена Крыловым [A. Krylov, R.S. Hemsworth. Fusion Eng. Des. 2006, v.81, p. 2239-2248].
[0035] Предпочтительный вариант конструкции в примере варианта реализации инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов 100 проиллюстрирован на ФИГ. 7 и 8. Как показано, инжектор 100 содержит источник ионов 110, вакуумный шибер 120, магниты 130 для отклонения низкоэнергичной фракции пучка, изолятор-опору 140, ускоритель высокой энергии 150, шибер 160, трубу нейтрализатора (показана схематически) 170, разделяющий магнит (показан схематически) 180, задвижку 190, системы откачки 200 и 202, вакуумную камеру 210 (которая является частью вакуумного резервуара 250, который обсуждается ниже), криосорбционные насосы 220 и тройку четырехугольных линз 230. Инжектор 100, как было отмечено, содержит источник ионов 110, ускоритель 150 и нейтрализатор 170 для генерации 5 МВт пучка нейтральных частиц с энергией, составляющей от около 0,50 до 1,0 МэВ. Источник ионов 110 расположен внутри вакуумной камеры 210 и генерирует 9 А пучок отрицательных ионов. На вакуумную камеру 210 подается напряжение -880 кВ относительно земли, и она установлена на изолированных опорах 140 внутри камеры большего диаметра 240 заполненной газом SF6. Ионы, которые производит источник ионов, предварительно ускоряются до 120 кэВ перед инжекцией в ускоритель высокой энергии 150 при помощи электростатического предускорителя на основе многоапертурной сетки 111 в источнике ионов 110, который применяется для вытягивания ионов из плазмы и ускорения их до определенной части необходимой энергии пучка. 120 кэВ пучок частиц из источника ионов 110 проходит через пару отклоняющих магнитов 130, которые дают возможность пучку сместиться с оси перед тем, как попасть в ускоритель высокой энергии 150. Системы откачки 202, изображенные между отклоняющими магнитами 130, содержат перегородку и цезиевую ловушку.
[0036] Более детальное описание инжектора пучка нейтральных частиц на основе отрицательных ионов приведено в заявке на патент Российской Федерации № 2012137795 и заявке PCT №PCT/US2013/058093, которые включены в данный текст посредством ссылки.
[0037] Предполагается, что приведенные в данном тексте примеры вариантов реализации изобретения являются просто иллюстративными примерами и не являются ограничивающими в каком-либо смысле.
[0038] В вышеприведенном описании изобретение было описано с отсылкой на отдельные варианты его реализации. При этом должно быть очевидным, что в него могут быть внесены различные модификации и изменения без отступления от общей сущности и объема изобретения. Например, читатель должен понимать, что определенный порядок и комбинация действий, приведенные на схемах технологического процесса, описанных в данном тексте, являются исключительно иллюстративными, если не указано иное, а изобретение может быть реализовано с применением отличных или дополнительных действий или отличной комбинации или порядка действий. В качестве другого примера любой отличительный признак одного из вариантов реализации может быть совмещен с другими отличительными признаками, приведенными в других вариантах реализации. Отличительные признаки и процессы, известные специалистам в данной области техники, можно включить при необходимости. Вдобавок и, как очевидно, отличительные признаки можно при необходимости добавлять или убирать. Соответственно, данное изобретение не должно ничем ограничиваться за исключением прилагаемой формулы изобретения и соответствующих ей эквивалентов.