중성 빔 인젝터를 위한 광자 중화기{PHOTON NEUTRALIZERS FOR NEUTRAL BEAM INJECTORS}
본 발명은 일반적으로 중성 빔 인젝터에 관한 것으로, 특히 음이온에 기초한 중성 빔 인젝터를 위한 광자 중화기에 관한 것이다.
플라즈마 가열 또는 중성 빔 조력 진단을 위한 음이온 H-, D- 빔으로부터 중성 빔을 생성하는 종래의 접근법은 과잉 전자의 분리를 위해 가스 또는 플라즈마 타겟에서 음이온 빔을 중화하는 것이다. 그러나 이 접근법은 효율에 있어서 중대한 제한이 있다. 예를 들면, 현재 1MeV 빔을 갖도록 설계된 가열 인젝터[ R. Hemsworth 등의 2009, Nucl . Fusion 49 045006 ]의 경우에, 가스와 플라즈마 타겟에서의 중화 효율은 각각 약 60%와 85%일 것이고[ GI Dimov 등의 1975, Nucl . Fusion 15, 551 ], 이것은 인젝터의 전체 효율에 상당히 영향을 준다. 또한, 그러한 중화기의 응용은 원자 빔에서의 양이온의 출현 및 가스 퍼핑(gas puffing)에 기인하는 진공 조건의 열화를 비롯한 문제점들과 관련이 있는데, 이는 일부 응용들에서 심각할 수 있다. 고에너지 음이온으로부터 전자의 광분리(photodetachment)는 빔 중화의 매력적인 방법이다. 그러한 방법은 중화기 용기 내로의 가스 또는 플라즈마 퍼핑을 요구하지 않고, 양이온을 생성하지 않으며, 음이온에 기인하는 일부 불순물의 빔 세척을 돕는다. 전자의 광분리는 H - +hω=H 0 +e의 처리에 대응한다. 대부분의 음이온과 유사하게, H- 이온은 단일 안정 상태를 갖는다. 그럼에도 불구하고, 광분리는 여기 상태로부터 가능하다. 광분리 단면은 잘 알려져 있다[ 예를 들면, LM Branscomb 등의 Phys. Rev. Lett . 98, 1028(1955) 참조 }. 광분리 단면은 모든 가시 스펙트럼 및 근적외선 스펙트럼과 실제로 겹치는 넓은 광자 에너지 범위에서 충분히 크다. 그러한 광자는 H0로부터의 전자 또는 H-로부터의 모든 전자를 제거(knock out)하여 양이온을 생성할 수 없다. 이 접근법은 JH Fink 및 AM Frank에 의해 1975년에 제안되었다[ JH Finkk 등의 200keV 중수소 빔 소스에서 음이온으로부터 전자의 광분리 ( Photodetachment of electrons from negative ions in a 200 keV deuterium beam source), 로렌스 리버모어 국립 연구소(1975), UCRL -16844 ]. 그 이후로 광자 중화기에 대한 많은 프로젝트들이 제안되었다. 규칙으로서, 광자 중화기 프로젝트는 패브리 페롯 셀(Fabri-Perot cell)과 유사한 광학 공명기에 기초를 두었다. 그러한 광학 공명기는 반사율이 매우 높은 거울 및 얇은 라인을 가진 강력한 광원을 필요로 하고, 모든 광학 요소들은 매우 정밀하게 조정되어야 한다. 예를 들면, 코바리(Kovari)가 생각한 방식[ M. Kovari 등의 Fusion Engineering and Design 85(2010) 745- 751 ]에서, 거울의 반사율은 99.96% 미만으로 되어서는 안되고, 총 레이저 출력 파워는 출력 세기가 약 300W/㎠인 약 800kW가 되어야 하며, 레이저 대역폭은 100Hz 미만으로 되어야 한다. 상기 파라미터들이 함께 실현될 가능성은 없을 것 같다.
그러므로 비공명 광 중화기를 제공하는 것이 바람직하다.
여기에서 제공되는 실시형태는 음이온 기반 중성 빔 인젝터의 비공명 광 중화기의 시스템 및 방법에 관한 것이다. 여기에서 설명하는 비공명 광 중화기는 비공명 광자 누적의 원리에 기초를 두고, 광자 경로는 소정의 공간 영역, 즉 광자 트랩(photon trap)에서 엉키고 포획(trap)된다. 트랩은 바람직하게 서로 대면하는 2개의 매끄러운 경면으로서 형성되고, 그 중 적어도 하나의 경면은 오목형이다. 가장 간단한 형태로, 트랩은 타원형이 바람직하다. 트랩의 감금 영역은 트랩의 양측 경면에 공통인 법선들의 무리(family) 부근에 있는 영역이다. 가장 가까운 공통 법선으로부터 충분히 작은 편향각을 가진 광자들이 감금된다. 특수 조건에 따라서, 트랩의 형상은 구형, 타원형, 원통형, 도넛형 또는 이들의 조합 중의 하나일 수 있다. 동작시에, 트랩을 따라서 및 트랩을 가로 질러 소정 각도 확산을 갖는 광자 빔이 하나 이상의 거울의 하나 이상의 작은 홀을 통해 주입된다. 광자 빔은 표준형의 산업용 파워 섬유 레이저로부터 비롯된 것일 수 있다. 광 중화기는 광자 타겟을 펌핑하는 고품질의 레이저 방사원을 요구하지 않고, 광학 요소의 매우 높은 정밀도 조정 및 정렬을 요구하지도 않는다. 예시적인 실시형태의 다른 시스템, 방법, 특징 및 장점들이 이하의 도면 및 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다.
구조 및 동작을 포함한 예시적인 실시형태의 세부가 첨부 도면을 참조함으로써 부분적으로 획득될 수 있고, 첨부 도면에서 동일한 참조 번호는 동일한 부분을 나타낸다. 도면 내의 각 컴포넌트들은 반드시 정확한 축척으로 된 것이 아니고, 그 대신에 발명의 원리를 설명할 때 강조될 수 있다. 또한, 모든 예시는 개념을 전달하기 위한 것으로 의도되고, 여기에서 상대적 크기, 형상 및 다른 세부 속성은 축어적으로 또는 정밀하게 설명되지 않고 개략적으로 설명될 수 있다.
도 1은 비공명 광자 트랩의 개략도이다.
도 2는 준평면(quasiplanar) 단열(adiabatic) 광학 트랩의 개략도이다.
도 3은 도 2에 도시된 준평면 단열 광학 트랩의 개략적 사시도이다.
도 4는 XY 평면에서 -3° 내지 5°, 및 트랩을 따라 -5° 내지 5°의 임의 각을 가지며, 반사의 회수가 4000회이고 단부 거울의 원추각이 약 3°인 광자 트랩에서 단일 광선의 추적도이다.
도 5는 트랩의 중간에서 표면 세기 분포 및 그 단면 프로파일의 예를 보인 도이다.
도 6은 레이저 주입 파워 대 중화도(점선) 및 전체 중화기 효율(실선)을 보인 챠트이다.
도 7은 음이온 기반 중성 빔 인젝터 레이아웃을 보인 평면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 음이온 기반 중성 빔 인젝터의 단면 등척도이다.
유사한 구조 또는 기능의 요소들은 도면 전체에 걸쳐서 설명 목적으로 동일한 참조 번호로 일반적으로 표시된다는 점에 주목한다. 도면들은 양호한 실시형태의 설명을 쉽게 하기 위한 것으로만 의도된다는 점에 또한 주목한다.
이하에서 설명하는 추가적인 특징 및 교시는 각각 음이온 기반 중성 빔 인젝터의 비공명 광 중화기를 제공하기 위해 별도로 또는 다른 특징 또는 교시와 함께 조합으로 사용될 수 있다. 이러한 추가적인 특징 및 교시의 많은 부분을 별도로 및 조합으로 이용하는, 여기에서 설명하는 실시형태의 대표적인 예들이 첨부 도면과 함께 이제 상세히 설명될 것이다. 이 상세한 설명은 본 발명의 양호한 양태를 실시하기 위한 세부를 당업자에게 교시하는 것으로만 의도되고 발명의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 그러므로 이하의 상세한 설명에서 개시되는 특징 및 단계들의 조합이 최광의의 의미에서 발명을 실시하는데 필요하지 않을 수 있고, 그 대신에 본 발명의 대표적인 예를 특수하게 설명하는 것으로만 의도된다. 더욱이, 대표적인 예 및 종속 청구항의 각종 특징들은 본 발명의 추가적인 유용한 실시형태를 제공하기 위해 구체적으로 및 명시적으로 열거되지 않은 방법으로 결합될 수 있다. 또한, 상세한 설명 및/또는 특허 청구범위에서 개시된 모든 특징들은 최초 공개의 목적으로, 및 실시형태 및/또는 특허 청구범위에서 특징들의 구성에 독립적인 청구된 주제의 제한 목적으로 서로 분리하여 독립적으로 개시된다는 점에 주목한다. 또한, 엔티티들의 그룹의 모든 값의 범위 또는 표시는 최초 공개의 목적으로, 및 청구된 주제를 제한하는 목적으로 모든 가능한 중간 값 또는 중간 엔티티를 나타낸다는 점에 주목한다. 여기에서 제공되는 실시형태들은 음이온 기반 중성 빔 인젝터의 새로운 비공명 광 중화기에 관한 것이다. 음이온 기반 중성 빔 인젝터의 상세한 설명은 러시아 특허 출원 제2012137795호 및 PCT 출원 제PCT/US2013/058093호에 개시되어 있고, 상기 특허 출원들의 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다. 여기에서 설명하는 비공명 광 중화기는 비공명 광자 누적의 원리에 기초를 두고, 광자 경로는 소정 공간 영역, 즉 광자 트랩에서 엉키고 포획된다. 트랩은 바람직하게 서로 대면하는 2개의 매끄러운 경면으로서 형성되고, 그 중 적어도 하나의 경면은 오목형이다. 가장 간단한 형태로, 트랩은 타원형이 바람직하다. 트랩의 감금 영역은 트랩의 양측 경면에 공통인 법선들의 무리 부근에 있는 영역이다. 가장 가까운 공통 법선으로부터 충분히 작은 편향각을 가진 광자들이 감금된다. 특수 조건에 따라서, 트랩의 형상은 구형, 타원형, 원통형, 도넛형 또는 이들의 조합 중의 하나일 수 있다. 동작시에, 트랩을 따라서 및 트랩을 가로 질러 소정 각도 확산을 갖는 광자 빔이 하나 이상의 거울의 하나 이상의 작은 홀을 통해 주입된다. 광자 빔은 표준형의 산업용 파워 섬유 레이저로부터 비롯된 것일 수 있다. 광 중화기는 광자 타겟을 펌핑하는 고품질의 레이저 방사원을 요구하지 않고, 광학 요소의 매우 높은 정밀도 조정 및 정렬을 요구하지도 않는다. 도면으로 돌아가서, 비공명 광자 트랩(10)의 실시형태가 도 1에 도시되어 있다. 2차원의 경우로 도시된 것처럼, 트랩(10)은 하부 평면 거울(20) 및 상부 오목 거울(30)을 포함한다. 트랩(10) 내에서 수직축에 대하여 작은 각도를 갖는 광자(γ)는 트랩(10)의 중앙축에 대하여 약간의 수평 운동량 차이를 갖고서 상부 거울(30)로부터의 각각의 반사에 의해 발현될 것이다. n번째 반사 후의 광자(γ)의 위치는 반사점의 가로 좌표(x n ), 높이(F(x n )), 수직으로부터의 각도(φ) 및 광자 속도(β n )에 의해 규정된다. 수평 운동은 하기 수학식으로 설명된다.
안전성 조사를 위해, 수학식 1 및 수학식 2의 선형화 버전들이 결합되어 하기의 수학식이 얻어진다.
수학식 3과 수학식 4를 결합하면 하기의 선형 회귀 관계식이 얻어진다.
여기에서 R은 상부 거울(30)의 곡률 반경이다. 수학식 (5)는 단위 시간 스텝 및 고유 진동수( )를 가진 발진 시스템의 유한 차 방식(finite-difference scheme)의 일 유형이다. 그 해는 xn =A·q n 의 형태로 표현될 수 있고, 여기에서 q는 복소수이다. 그 다음에 q가 다음과 같이 정의된다.
안정성 조건은 |q|≤1이고, 이로부터 값 (F(0)/R)의 비 음성화(non-negativity)를 고려할 때 지오메트릭 옵틱의 광자 감금은 다음과 같이 결정된다
상부 거울(30)의 곡률 반경은 광자 감금에 영향을 준다. 회귀 시스템(수학식 1 및 수학식 2)은 운동의 적분의 생성을 가능하게 한다.
하기 수학식 9와 같이,
상부 거울(30)의 곡률이 충분히 작고 스텝이 작은 경우에, 적분 합(수학식 8)은 하기 수학식 으로 또는 표준 단열 불변량, 즉
으로 근사적으로 변환된다. 수학식 10은 광자에 의해 채워지는 영역을 결정한다. 상기 추정은 음이온 빔에 대한 효과적인 광자 중화기의 설계를 가능하게 한다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 트랩(10)의 적당한 3차원 지오메트리는 4개의 컴포넌트로 이루어진 긴 아치 집합체이다. 도 2에 도시된 것처럼, 트랩(10)은 바람직하게, 트랩(10) 바닥에 있는 평면 또는 평판 형상의 바닥 또는 하부 거울(20)과, 원통 형상의 중앙 거울(32) 및 원추 형상이고 중앙 거울(32)의 단부에 결합되는 1쌍의 외부 거울(34)을 포함한 상부 거울 집합체(30)를 포함한다. 도시된 것처럼, 이온 빔(H - )은 광자 트랩을 따라 지나간다. 그 크기는 국제 핵융합 실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)의 빔 인젝터의 단일 중화기 채널의 특성 규모(characteristic scale)로부터 취해진다. 이하에서는 ITER NBI에 대한 광자 중화기의 수치 시뮬레이션의 결과를 제공한다. 이 시뮬레이션은 제막스(ZEMAX) 코드를 이용하여 실행되었다. 도 4는 XY 평면에서 -3° 내지 3°, 및 트랩(10)을 따라 -5° 내지 5°의 임의 각을 가진, 도 2에 주어진 트랩 시스템(10)에서 하나의 광선 추적을 보인 도이다. 도 4에서 제시된 궤적은 4000회의 반사를 포함하고, 그후 광선이 트랩 시스템 내에서 유지된다. 공명 장치[ M. Kovari , B. Crowley. Fusion Eng . Des. 2010, v.85 p. 745- 751 ]에서, 거울 반사율(r 2 =0.9996)하에서의 저장 효율은 약 P/P in ≒500이다. 더 낮은 거울 반사율(r 2 =0.999)을 갖는 경우에, 결정된 저장 효율은 수학식 11과 같다.
손실은 주로 공동 내측의 다수의 표면 및 회절과 관련되는 경향이 있다[ JH Fink의 음이온 및 빔의 생성과 중화(Production and Neutralization of Negative Ions and Beams): 3차 국제 심포지움 , 브룩해븐 1983, AIP, 뉴욕, 1984 547-560페이지 ]. 트랩(10) 내측의 수평면을 통한 방사 에너지 플럭스(flux)의 분포가 도 5에 도시되어 있고, 여기에서 모든 표면의 반사 계수는 0.999와 같고 입력 방사 파워는 1W와 같다. 트랩(10)의 공동에서의 계산된 누적 파워는 722와트와 같다. 계산 손실을 고려해서(제막스 코드는 그러한 손실을 모니터링 및 평가한다), 누적 파워 값은 248와트만큼 증가되어야 한다. 그러므로 저장 효율은 거의 가능한 최대값에 도달한다(수학식 11). 따라서, 준평면 시스템은 주어진 크기를 가진 감금 영역의 생성을 지오메트릭 옵틱스 내에서 허용한다. 단부의 원추 거울(34) 및 주 원통형 거울(32, 20)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 파열된 표면을 형성한다는 점에 주목한다. 파열된 표면은 이것이 불안정 영역을 형성하기 때문에 광자의 세로 감금에 부정적 영향을 주는 경향이 있다(수학식 7 참조). 그러나 광자 수명 시간 중에 광선에 의한 이러한 경계의 교차 수는 총 반사수에 비하여 크지 않고, 따라서 광자는 세로 각을 충분히 증가시키는 시간을 갖지 않고 트랩(10)의 단부를 통해 트랩을 떠난다. 트랩 내로의 방사선 주입 및 소스 옵틱 셀을 펌핑하기 위해, 트랩(10)을 따라서 및 트랩(10)을 가로질러 소정 각도 확산을 가진 광자 빔이 하나 이상의 거울의 하나 이상의 작은 홀을 통해 주입될 수 있다. 예를 들면, 이것은 이테르븀 섬유 레이저(λ=1070nm, 50kW 이상의 총 파워)를 이용함으로써 가능하다[ http://www.ipgphotonics.com/Collateral/Documents/English-US/HP_Brochure.pdf ]. 이 직렬 레이저는 충분한 파워를 갖고 그 방사 라인은 거의 최적이다. 필요한 각도 확산을 가진 방사선 빔은 특수한 단열 원추 또는 포물선 성형기(shaper)에 의해 섬유 레이저 방사선으로부터 준비될 수 있다. 예를 들면, 섬유로부터 15° 및 φ300μ의 확산을 가진 방사선은 5° 및 φ1mm로 변환될 수 있고, 이것은 여기에서 설명하는 중화기 트랩(10)에 대하여 충분하다. 광자 중화 효율 중화도는 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
여기에서 d는 중화 영역의 폭이고, E 0 는 광자 에너지이며, V는 이온의 속도이다. P는 P=P 0 /(1-r 2 )으로서 규정되는 총 누적 파워이고, 여기에서 P 0 는 옵틱 펌핑 파워이다. 전체 효율 η l 을 갖는 레이저에 의한 D 플럭스(D-flux)의 중화 효율은 수학식 13과 같이 결정될 수 있다.
여기에서 P_는 음이온 빔 파워이다. 효율은 D 빔 파워의 성장에 따라 증가한다. 효율(수학식 13) 및 중화도(수학식 12)는 도 6에 나타내었다. 이 곡선은 10MW 파트가 통과되는 ITER 인젝터의 단일 채널 가스 중화기에 대하여 계산된 것이다. 따라서, 그러한 접근법으로 거의 100% 중화가 약 90%의 매우 높은 에너지 효율로 달성될 수 있다. 비교하자면, ITER 중성 빔 인젝터는 58%의 중화[ R. Hemsworth 등의 Nucl . Fusion. 2009, v.49, 045006 ] 및 이와 대응하게 동일한 효율을 갖는다. 가속기 공급 및 전송 손실을 감안한 전체 인젝터 효율은 크리로브(Krylov)에 의해 추정되었다[ A. Krylov , RS . Hemsworth . Fusion Eng . Des. 2006, v.81, p. 2239-2248 ]. 음이온 기반 중성 빔 인젝터(100)의 예시적인 실시형태의 양호한 배열이 도 7 및 도 8에 나타난다. 도시된 것처럼, 인젝터(100)는 이온 소스(110), 게이트 밸브(120), 저 에너지 빔 라인을 편향시키는 편향 자석(130), 절연체-지지체(140), 고에너지 가속기(150), 게이트 밸브(160), 중화기 튜브(개략적으로 도시됨)(170), 분리 자석(개략적으로 도시됨)(180), 게이트 밸브(190), 펌핑 패널(200, 202), 진공 탱크(210)(뒤에서 설명하는 진공 용기(250)의 일부임), 저온 흡수 펌프(220) 및 삼중의 사중극 렌즈(230)를 포함한다. 도시된 것처럼, 인젝터(100)는 이온 소스(110), 가속기(150) 및 약 0.50-1.0MeV의 에너지를 가진 약 5MW 중성 빔을 생성하는 중화기(170)를 포함한다. 이온 소스(110)는 진공 탱크(210) 내에 위치되고 9A 음이온 빔을 생성한다. 진공 탱크(210)는 접지에 비하여 -880kV로 바이어스되고 SF 6 가스로 채워진 대직경 탱크(240) 내에서 절연 지지체(140) 위에 설치된다. 이온 소스에 의해 생성된 이온들은 플라즈마로부터 이온 빔을 추출하고 필요한 빔 에너지의 일부를 가속하기 위해 사용되는 이온 소스(110)의 정전 다중 개구 그리드 사전 가속기(111)에 의해 고에너지 가속기(150)에 주입되기 전에 120keV로 미리 가속된다. 이온 소스(110)로부터의 120keV 빔은 1쌍의 편향 자석(130)을 통과하고, 상기 편향 자석(130)은 고에너지 가속기(150)에 진입하기 전에 빔을 축으로부터 편이시킬 수 있다. 편향 자석(130) 사이에 도시된 펌핑 패널(202)은 파티션 및 세슘 트랩을 포함한다. 음이온 기반 중성 빔 인젝터에 관한 더 자세한 설명은 러시아 특허 출원 제2012137795호 및 PCT 출원 제PCT/US2013/058093호에 개시되어 있고, 상기 특허 출원들의 내용은 인용에 의해 본원에 통합된다. 그러나 여기에서 제공된 예시적인 실시형태는 단지 예시적인 예로서 의도되고 어떻게든 제한되지 않는다. 지금까지 본 발명을 그 구체적인 실시형태와 관련하여 설명하였다. 그러나 발명의 넓은 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 상기 실시형태에 대하여 각종 수정 및 변화가 이루어질 수 있다는 것은 명백하다. 예를 들면, 독자는 여기에서 설명한 처리 흐름도에 나타난 처리 동작들의 구체적인 순서 및 조합이 다른 식으로 설명되지 않는 한 단지 예를 든 것이고, 본 발명은 다른 또는 추가적인 처리 동작을 이용해서, 또는 처리 동작의 다른 조합 또는 순서를 이용해서 수행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 예로서, 일 실시형태의 각 특징은 다른 실시형태에서 나타낸 다른 특징과 혼합 및 정합될 수 있다. 당업자에게 공지된 특징 및 처리는 희망에 따라 유사하게 통합될 수 있다. 추가로 및 명백하게, 특징들은 희망에 따라 추가 또는 제거될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허 청구범위 및 그 균등물에 따르는 경우를 제외하고 제한되지 않는다. |
