大功率RF负离子源提高射频效率与离子源结构优化研究

High-power RF-driven negative ion source has been recognized as the best choice for neutral beam injection (NBI) system of ITER and other future large fusion experimental devices. It becomes a hotspot in the fusion field and will be of great significances for CFETR (China Fusion Engineering Test Reactor). The RF-driven negative ion source is still far away from meeting the requirements of ITER NBI. It faces lots of challenges, among which the low beam production efficiency (i.e. negative ion density per unit RF power) severely hinders the long-term and steady source operation. Much higher power are demanded to produce specific negative ion current. This project, which bases itself on the principles of RF-driven negative ion source, will propose an analysis about the causes of that low efficiency. It mainly focuses on how to enhance the beam production. A small experimental prototype will be developed. Experimental and theoretical studies are taken as the main methods, with numerical simulation as a supplement, the mechanisms of plasma ignition and transport will be discussed. Furthermore, investigations about the relations between H- or e current and several main factors (RF power coupling modes, driven frequency, magnetic filter and source structure) will be implemented. On the basis of that, an overall optimization scheme for RF driven mode, magnetic filter and expansion chamber will be given. The source performance as well as the operating reliability could then be improved.

射频（RF）激发的大功率强流负离子源已被公认为ITER及未来大型核聚变实验装置中性束注入（NBI）系统的最佳选择，是国际聚变领域研究的热点，对中国聚变工程实验堆的建设具有重要意义。目前NBI射频负离子源技术还存在许多困难，距离ITER的要求尚有较大差距，其中由于射频效率（即单位RF功率产出的负离子束流密度）低下造成的RF功率过高，已成为限制离子源长期稳定可靠运行的严重阻碍。本项目从RF离子源的工作原理出发，分析了可能导致离子源效率下降的因素。以提高射频效率为主要目标，建立小型实验样机，以实验研究和理论分析为主，结合数值模拟，研究等离子体激发与传输的机理，探索RF功率耦合方式、RF频率、过滤磁场、离子源结构等对负离子引出束流和电子电流的影响规律，提出了RF离子源激发方式、过滤磁场和扩展腔结构三位一体的综合优化思想，探讨离子源结构的优化方案，以改善离子源性能，提高其工作可靠性。

本项目针对核聚变装置NBI系统大功率RF负氢离子源，建立一个小型的实验离子源样机，以实验研究和理论分析为主，结合数值模拟，研究RF激发方式、RF频率、扩展腔结构、过滤磁场等对等离子体分布、负离子束流引出以及电子电流引出的影响规律，探寻负离子源结构的优化方法，提高RF负离子源射频效率，降低RF系统的成本，提高其工作可靠性。.主要研究内容：（1）等离子体RF激发方式对负离子源射频效率的影响；（2）RF工作频率对等离子体激发效率与RF负离子源射频效率的影响；（3）过滤磁场与扩展腔结构对等离子体输运特性的影响机制研究，探索高效率的NBI射频负离子源创新方案。.重要结果和科学意义：.（1）提出了离子-离子反鞘层模型解释负氢离子的产生机制，首次揭示了在强负离子发射时存在一个稳定的离子-离子反鞘层。（2）给出了法拉第屏蔽射频场的半解析模型，给出了射频功率穿过法拉第屏蔽的耦合图像。（3）搭建了两台负离子源实验装置。直径分别为300mm的大激励器，和100mm的小激励器。开展了实验参数对等离子体激发影响的实验研究。（4）对三种激励器结构：单圆形、双圆形和跑道型，进行了功率耦合效率因数进行评估。（5）计算了激发态氢分子主量子数为3和4的非解离电离截面，补充了氢分子电离反应的基础数据。（6）对过滤磁场的PIC-MCC模拟研究和实验研究，为过滤磁场的设计提供指导。