辅助加热手段之——中性束注入

　　在磁约束核聚变实验中，由于欧姆加热的局限性，要进一步提高等离子体的温度, 必须采用中性束注入加热、波加热等辅助加热手段，其中，中性束注入是目前加热效率最高、物理机制最清楚的加热手段，在托克马克以及其它类型的磁约束核聚变装置中得到了广泛的应用。

　　一、中性束注入系统介绍

　　托卡马克等离子体是磁场约束下的电子和离子，并在磁场约束下做高速的运动。等离子体温度是其粒子运动剧烈程度的一种宏观反映。那么要提高等离子体的温度，我们将高能的粒子直接放入到托卡马克约束磁场中不就可以实现了吗？是的，中性束注入加热就是这样的一种方法。它与我们生活中所见到的利用高压水蒸气烧开水的过程类似。加热过程中，将高能离子直接注入到本底等离子体中去是不可能的，因为托卡马克中有很强的磁场，高能离子一进入磁场就会因围绕磁力线转动而停留在很浅的表面区域。由于磁场的不均匀性，这些离子与磁面间有一定的偏离，其中大部分离子会很快碰壁而损失，从而引起很多杂质，所以必须以中性化束流的形式实现注入。由于中性束注入系统采用的粒子一般是与托卡马克等粒子体的离子种类相同。因此，中性束注入系统的高能粒子一旦进入托卡马克的约束磁场，并被离化，它就成为等离子体的一部分，将为等离子体温度的增加提供显著的作用。因此来说，中性束注入加热是加热效率最高、物理机制最清楚的加热手段。

　　将事先加速到很高能量的离子束变成高能中性粒子束，然后再注入到等离子体中，高能中性粒子通过跟背景等离子体碰撞变成高能离子而被捕获，再经过库仑碰撞而热化，同时将能量传递给电子和离子，从而达到给等离子体整体加热的目的，这个过程就称为中性束注入加热（Neutral Beam Injection Heating，简称NBIH）。图1是中性束注入系统的工作基本原理图。

　　图1 中性束注入系统工作原理图

　　中性束注入系统是一个复杂而分散的托卡马克注入加热装置，包括注入器系统、真空系统、电源系统、连锁保护系统、束诊断系统和控制系统等。其中，注入器系统由强流离子源、中性化室、偏转磁铁、离子吞食器、束流限制靶、漂移段、功率测量靶和真空室组成。对注入器来说，最重要的是产生高能粒子的离子源和将高能粒子中性化的中性化室。实验中，强流离子源利用大电流气体放电产生初始等离子体，温度一般只有几个电子伏，密度大约10¹⁹m^-3。初始等离子体中的离子经过精心设计的电极结构而得到加速(20~200keV)。加速后的高能离子再经过中性化室，从中性化室气体中捕获电子而变成高能中性粒子。从中性化室出来的粒子流中除了高能中性粒子外还有部分尚未捕获电子的高能离子和再电离产生的高能离子，这些离子经过偏转磁铁时发生偏转，进入离子吞食器。从真空室出来的中性束经过漂移段后注入等离子体。

　　下面分别针对离子源、中性化室、偏转系统、真空系统等对NBI系统进行介绍:

　　1、离子源

　　20世纪60年代末，强流离子源技术在聚变研究的推动下逐渐发展起来，其特点是引出离子束的束流和功率都很大，每个源的引出束流为几十至几百安培，功率为几百千瓦至几兆瓦。强流离子源主要由两部分组成：一是产生稳定而均匀的大体积高密度等离子体的放电室；二是大面积多孔(或多缝)引出系统，其引出面积的线度为几十厘米。

　　2、中性化室

　　中性化室是将来自离子源的高能离子转换成中性粒子的装置，其任务是提供符合要求的电荷转换靶。核聚变研究希望从离子源中引出的离子束的质子比尽可能高。但分子离子和过分子离子依然存在，这些分子离子和原子离子一起通过加速电极加速而获得相同的能量。离子的质量越大，速度便越小。这些速度较小的分子离子进入中性化室后便会离解成原子和离子。这样一来，中性原子有三种不同的能量。

　　离子束中性化的过程是粒子碰撞的过程，则中性化效率与粒子的碰撞截面密切相关。只要气体靶足够厚，粒子束内的中性粒子成份与带电粒子成份之比将会达到平衡，两者之比就等于这个过程的截面之比，因此，随着能量的升高，中性粒子所占比例明显下降。为了具有更经济的中性化效率，当中性束系统所需要的能量大于200 keV后，一般采用负离子源系统。

　　3、偏转系统

　　从中性化室出来的离子，以及输运中再电离产生的离子是不允许进入托卡马克装置的，同时也不能将离子偏转到装置上，以免造成对束线的污染。偏转系统是对剩余带电粒子束的处理系统，主要由偏转磁铁和离子吞噬器组成。实验中，偏转磁铁在中性化束的传播路径上产生一定强度的匀强磁场区，使得束线内未被中性化的高能离子在穿过匀强磁场区的过程中偏离中性束通道，并以合适的角度打到离子吞噬器上。磁场强度大小是可调的，具体强度大小由实验过程中离子源产生的高能离子束能量大小和离子吞噬器的位置决定。

　　4、其它设备

　　束流限制靶根据系统要求削掉发散的边缘束流，通常靶背面会装有水冷系统。

　　漂移段一般是用来保持主真空室和托卡马克真空室的压差（安装差分泵），以减小中性束在输运过程中的电离损失。同时可在漂移管道内安装测量系统，检测注入中性束参数，比如说通过放置功率测量靶测量中性束的功率及束流密度分布等。

　　功率测量靶一般采用热测靶的形式。

　　图2 EAST-NBI组成示意图

　　EAST中性束注入系统所关联的研究主要集中在中性束加热、电流驱动和等离子体的旋转三个重要的方面，建成后的EAST中性束注入系统将为等离子体加料、MHD不稳定性、等离子体约束改善、高能离子行为、中性束与射频波(离子回旋共振频段波、离子伯恩斯坦波、电子回旋共振波、低混杂波)协同效应及等离子体参数诊断等方面的研究提供支持。基于EAST相关科学研究对中性束注入的要求，拟订了EAST-NBIS的建设目标：首期研制一套束能量50～80 keV可调、束脉宽10～100 s可调、中性束功率2～4 MW的NBI，以满足EAST实验第二阶段将等离子体的离子温度从3 keV提高到5 keV的要求；二期在总结第一套NBI设计与运行经验的基础上，通过性能优化研究，再研制一套束能量50～80 keV可调、束脉宽10～100 s可调、中性束功率2～4 MW、综合性能更优的NBI（具备1~100HZ调制能力），以满足EAST实验第三阶段将等离子体的离子温度从5 keV提高到8 keV的要求。

图3 EAST中性束注入系统布局图

　　二、中性束在等离子体中的传播

　　刚注入到等离子体中的中性原子不受磁场影响，沿直线向中心区域渗透。在前进过程中，跟等离子体中的粒子发生碰撞成为离子而被捕获，其运动轨道跟这些粒子的能量、注入角度、以及被捕获的位置有关,希望有尽可能多的粒子捕获在等离子体中心区域。中性束在等离子体中传播时，如果吸收过分强烈，其结果是仅加热等离子体边界区域；如果吸收过分微弱，则中性束会穿透等离子体，撞击对面的器壁，引起溅射，产生杂质，这都是应该尽量避免的。

　　中性束在等离子体中的吸收主要是通过三种原子过程实现的，即电荷交换，离子引起的电离和电子引起的电离。我们用H表示原子的种类。下标b表示注入的中性束粒子，下标p表示等离子体中的粒子，上述三种原子过程可以表示为：

　　电荷交换： 

　　离子引起电离： 

　　电子引起电离： 

　　中性粒子进入等离子体中，一旦被电离，便通过库仑碰撞将能量交给等离子体中的粒子，从而达到加热等离子体的目的。在注入速度足够高的情况下，如果中性束的速度大于电子温度十多倍，这时以加热电子为主。如果中性束的速度小于这个值，能量主要交给离子。在采用中性注入加热时，等离子体中的磁场必须要足够强以便能约束住这些由高能中性粒子变成的高能离子。

图4 束与等离子体作用过程相关截面

　　三、中性束注入的发展

　　中性束注入实验在各种尺寸的托卡马克装置上都取得了较好的结果，其中在几个大型托卡马克中，已将离子加热到超过点火要求的温度范围，TFTR和JT-60U中达到40 keV以上，而且中性束加热的总效率可以超过90％以上，因此是很有效的加热方法。

　　中性束注入是目前比较成熟的一种辅助加热手段，在核聚变研究的进程中发挥了很大作用。直到70年代中期，未采用中性束注入辅助加热的托卡马克等离子体的离子温度不超过lkeV，1978年，在PLT装置上注入能量39keV，功率2.5MW，脉冲宽度150ms的高能中性粒子束，第一次将离子温度提高到7.1keV。尤其是在1986年，TFTR托卡马克上采用功率15MW，能量120keV的强流中性粒子束作辅助加热，实现了具有良好约束性能的放电实验，等离子体中心区域的离子温度达到了20keV。1988年在TFTR上将中性束功率从15MW提高到30MW，结果使中心离子温度的最大值进一步提高到32keV。

    然而，在聚变堆情况下对注入中性粒子束的能量要求大于300keV，但是正离子源的中性化效率随粒子能量的增加而急剧下降，所以正离子源引出的中性束注入加热方法有很大的局限性。由于负离子源的中性化效率不会随粒子能量增加而明显下降，故研制大功率负离子源是适合于聚变堆条件下的中性束注入加热技术的关键。