NBI负离子束源加速系统出射电子研究取得进展

   近期，负离子源课题组在NBI负离子束源加速系统出射电子研究方面取得新进展，相关研究成果以“Study on stray electrons ejecting from a long-pulse negative ion source for fusion”为题发表于Plasma Physics and Controlled Fusion期刊。

   目前，由课题组自主设计的单驱动负离子源已经实现了4A（140A/m2）、52keV、105的负氢离子束引出。但在长脉冲束引出实验中发现真空室内的气体压力逐渐升高，低温泵的温度也随之升高。此外，经过几次长脉冲束引出后，真空室壁上存在热沉积。为找到原因，通过数值模拟分析了单驱动负离子源中的粒子轨迹，并提出了保护低温泵和真空室免受粒子轰击的解决方案。

   负离子源加速系统的功能是将负离子引出和加速、并形成具有良好聚集性能的负离子束。但负离子在引出与加速过程中，与背景气体碰撞后极易失去最外层的电子，产生杂散电子。这些杂散电子被电场加速，并从加速系统出射，给下游的其他部件造成严重的粒子轰击和热负荷。模拟结果表明出射电子的热沉积位置与红外热成像结果吻合。因此，出射的高能杂散电子是导致低温泵抽气效果下降和真空室壁温度升高的原因。

   为避免出射电子直接轰击低温泵和真空室，课题组设计了五块电子靶进行防护。为减小对抽气效果的影响，一块电子靶水平放置，其余四块电子靶均沿水平方向旋转了45°。模拟结果表明，放置电子靶后，真空室和低温泵的热负荷降低了73.1%，这说明电子靶有明显的防护效果。

   上述研究工作得到了聚变堆主机关键系统综合研究设施（CRAFT）项目和国家自然科学基金项目的资助。

   论文链接：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6587/ad3c1e

图1 单驱动负离子源

图2 (a) 共引出电子和杂散电子轨迹；(b) 出射电子功率沉积

图3 (a) 放置电子靶后的电子轨迹；(b) 电子功率沉积；(c) 电子靶的功率沉积和电子靶的温升