田中俊

(棗莊學院 光電工程學院，山東 棗莊 277160)

1 引言

中性束注入(Neutral Beam Injection，簡稱NBI)加熱是托卡馬克(TOKAMAK)裝置中必不可少的輔助加熱方法之一，其具有加熱原理簡單、注入功率高、技術相對成熟等優(yōu)點.中性束注入建立在強流離子源的基礎上，隨著NBI的發(fā)展，要求離子源可產生強流、高密度、均勻的等離子體，并可準穩(wěn)態(tài)運行.為了獲得強束流的離子束，需要大面積的多電極引出系統(tǒng).對于正離子源，一般束能量在100KeV以下，因為再高的能量會導致中性化效率急劇的降低.其多電極系統(tǒng)包括三電極、四電極和更高電極.一般使用三電極和四電極，電極級數(shù)增加會因為總長度的過長使電荷交換損失和電極負載過大.一般而言，三電極系統(tǒng)多用于束能量小于60KeV的情況，四電極系統(tǒng)多用于束能量大于60KeV的情況.對于四電極引出系統(tǒng)的研究有很多方法，本文利用離子透鏡的原理淺析它的工作過程.

2 離子光學與離子透鏡

離子光學(Ion Optics)研究離子在電磁場中運動和離子束在電磁場中聚焦、成像、偏轉等規(guī)律的學科.它源于電子光學理論.離子光學同普通光學有許多相似之處.例如凸透鏡可使一束平行光線聚焦到一個點上;而某些軸對稱的電磁場(稱為靜電透鏡:離子透鏡或電子透鏡)也可以使平行的離子束(電子束)聚集到一點.在離子光學器件和儀器中，除采用離子透鏡外，還常應用垂直于離子束運動方向的電場和磁場使離子束偏轉.

為了分析、研究或設計離子光學系統(tǒng)，必須精確地求解電磁場并計算出離子軌跡 ，通常采用計算機求解.在離子光學器件和儀器中，若離子束被限制在離軸很近的范圍內，離子軌跡與軸的交角很小(即滿足傍軸條件)時，離子透鏡所成的像是理想像或稱高斯像.實際軌跡不可能完全滿足傍軸條件，因此實際形成的像總是和理想高斯像有一定的差別.3強流離子源四電極孔引出系統(tǒng)中的離子透鏡

離子透鏡可由電場構成，也可由磁場構成.離子源四電極引出系統(tǒng)中的電極形成的非均勻電場形成了若干離子透鏡.

圖1為強流離子源四電極引出系統(tǒng)結構示意圖.其中第一電極A1是等離子體電極(Source Grid)，第二電極A2為梯度電極(Gradient Grid)，第三電極A3為抑制極(Suppres－sor Grid)，第四電極A4為地電極(Exit Grid).對于正離子源而言，A1，A2為正高壓且A1＞A2，A3為負高壓，A4為地電位.

圖1 離子源四電極引出系統(tǒng)

圖2 離子源四電極引出系統(tǒng)中的離子透鏡

得多.這樣，離子在前半?yún)^(qū)受到的拉向軸線的作用大于在后半?yún)^(qū)受到離開軸線的作用，因此總效果是使離子向軸線靠攏，達到相當于凸透鏡一樣的會聚作用.調節(jié)A1和A2之間的電壓可以改變電極間的電場分布，可以調節(jié)離子源引出系統(tǒng)離子束的會聚與發(fā)散以及束散角.

4 四電極引出系統(tǒng)的離子透鏡分析

圖3 離子透鏡工作原理

A12=A1－A2電壓比Г=A12/A23

A23=A2－A3=A2+︱A3︱ 縱橫比 S=r1/d1

A34=A3－A4=A3間距比f=d2/d1

A4=0 電場強度比=Г/f

其中，r1，r2，r3，r4，分別為離子束在第一、二、三、四電極孔處的半徑;d1為第一、二電極間隙間距;d2為第二、三電極間隙間距;d3為第三、四電極間隙間距;Г為電壓比，即第二、三電極間電壓與第一、二電極間電壓之比;f為間隙間距比，即第二、三電極間隙間距與第一、二電極間隙間距之比.Г/f為電場強度比，即第二、三電極間電場強度與第一、二電極間電場強度比.設A1處的場強為E1，A2處的場強為E2，根據(jù)德維桑－凱耳皮克透鏡焦距公式，可以推出在A1－A2電極間形成的離子透鏡焦距為:

由德拜屏蔽效應可知，離子發(fā)射面處的場強由等離子體 －鞘層方程確定，它不受外場的影響.根據(jù)塞爾夫計算結果分析，它近似正比于引出流密度.我們把離子發(fā)射面設想為一個有彈性的薄膜，等離子體從其一側對薄膜施加向外的“壓力”，此壓力隨引出流密度增加而增加;在另一側，薄膜則受外界對他施加的向內的“壓力”，此壓力取決于引出流密度、引出電壓等因素.

圖4 離子發(fā)射面隨引出電壓的調節(jié)示意圖

與電子槍相比，電子槍只引出電子，當然對于離子源而言，一般引出多種成分的離子.離子源內一般存在一定的氣流，它在引出空間內產生的許多效應(如電離、電荷轉換、擊穿等)，因而離子源內不容易達到較高的引出場強，因此表現(xiàn)得離子透鏡不如電子槍內明顯，而且離子束到達引出和加速孔要受到膜孔透鏡作用.我們研究離子源引出系統(tǒng)要考慮它的整個離子光學系統(tǒng).

［1］Dietrich J.A Linear Ion Optics Model for Extraction from a Plasma Ion Source.Nuclear Instruments and methods in Physics Research，1987.A262:163.

［2］董謙.寬形束離子源離子光學系統(tǒng)的一些問題［J］.真空電子技術，1987，(03).

［3］王耿介.四電極和五電極離子注入機的離子光學［J］.核聚變與等離子體物理，1995，(04).

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［6］Ian Brown.The Physics and Technology of Ion SourcesSecond Edition，2004.