前两天我们提到由于欧姆加热的局限性，要实现等离子体温度的进一步提升，我们需借助中性束注入加热、低杂波电流驱动加热等辅助手段。今天我们来简单了解下中性束注入加热，它以其高加热效率和清晰的物理机制，已成为托卡马克及其他磁约束核聚变装置中广泛采用的加热方式。
中性束注入系统概述
托卡马克中的等离子体由磁场约束的电子和离子组成，它们在磁场中进行高速运动。等离子体的温度反映了粒子运动的剧烈程度。若要提高这一温度，可以通过将高能粒子直接注入托卡马克的约束磁场来实现，这正是中性束注入加热的原理，类似于利用高压蒸汽加热水的过程。然而，由于托卡马克内部存在强磁场，直接注入高能离子并不可行，因为它们会围绕磁力线转动并停留在表面区域。为了避免由此引起的杂质问题，必须采用中性化束流的形式进行注入。中性束注入系统使用的粒子与托卡马克等离子体的离子种类相同，一旦这些高能粒子进入磁场、被离化，便成为等离子体的一部分，显著提升温度。因此，中性束注入加热是当前效率最高、物理机制最为明确的加热手段。
中性束注入加热（Neutral Beam Injection Heating，简称NBIH）涉及将预先加速至高能量的离子束转化为中性粒子束，然后注入等离子体中。这些高能中性粒子与背景等离子体碰撞，转变为高能离子并被捕获，通过库仑碰撞热化，将能量传递给电子和离子，实现等离子体的整体加热。图1展示了中性束注入系统的基本工作原理。
中性束注入系统是一个包含多个子系统的复杂装置，主要包括注入器系统、真空系统、电源系统、连锁保护系统、束诊断系统和控制系统。注入器系统中，强流离子源和中性化室是关键部分，前者负责产生高能粒子，后者则负责将这些粒子中性化。实验中，强流离子源通过大电流气体放电产生初始等离子体，其密度大约为1019 m^-3，温度仅为几个电子伏。这些离子随后被加速至20~200keV，并在中性化室内捕获电子，转变成高能中性粒子。未中性化的高能离子和再电离产生的离子则通过偏转磁铁偏转，进入离子吞食器。最终，中性束通过漂移段注入等离子体。
系统中还包括其他重要设备，如束流限制靶、漂移段、功率测量靶等，它们共同确保了中性束的有效注入和系统的整体性能。
下面分别针对离子源、中性化室、偏转系统、真空系统等对中性束注入系统进行介绍：
离子源
20世纪60年代末，随着聚变研究的推进，强流离子源技术得到了发展。该技术能够产生具有大束流和高功率的离子束，单个源的束流可达数十至数百安培，功率则在几百千瓦至几兆瓦之间。强流离子源主要包括两个部分：一部分是产生大体积、高密度等离子体的放电室；另一部分是大面积多孔（或多缝）的引出系统，其引出面积的尺寸为几十厘米。
中性化室中性化室的作用是将离子源产生的高能离子转化为中性粒子，为此提供所需的电荷转换靶。在核聚变研究中，我们希望从离子源引出的离子束具有尽可能高的质子比例。然而，分子离子和过分子离子仍然存在，它们与原子离子一起被加速电极加速至相同能量。由于分子离子质量较大，速度较小，在进入中性化室后会离解成原子和离子，导致中性原子具有三种不同的能量状态。离子束的中性化效率与粒子碰撞截面紧密相关，气体靶的厚度足够时，中性粒子与带电粒子的比例将达到平衡，与截面之比相等。随着能量的增加，中性粒子的比例会显著下降。因此，当中性束系统的能量需求超过200 keV时，通常会采用负离子源系统以实现更经济的中性化效率。
偏转系统
中性化室产生的离子以及输运过程中再电离产生的离子不能进入托卡马克装置，以免造成束线污染。偏转系统负责处理剩余的带电粒子束，主要由偏转磁铁和离子吞噬器构成。在实验中，偏转磁铁在中性束传播路径上创建一定强度的匀强磁场区域，使得束内未中性化的高能离子在穿过磁场区时偏离中性束通道，并以适当角度击中离子吞噬器。磁场的强度是可调节的，具体取决于实验中离子源产生的高能离子束的能量以及离子吞噬器的位置。
其他设备
束流限制靶用于根据系统要求切除发散的边缘束流，其背面通常配备有水冷系统。漂移段用于维持主真空室与托卡马克真空室之间的压差（通过安装差分泵），减少中性束在输运过程中的电离损失。此外，漂移管道内可安装测量系统，用以检测注入中性束的参数，例如通过功率测量靶来测量中性束的功率和束流密度分布等。
功率测量靶一般采用热测靶的形式，用于监测中性束的特性。EAST中性束注入系统的研究成果主要集中于中性束加热、电流驱动和等离子体旋转这三个关键领域。该系统旨在支持等离子体加料、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（包括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）的协同效应，以及等离子体参数诊断等方面的研究。
为了满足EAST实验的需求，EAST-中性束注入系统的建设目标分为两个阶段：首期是研制一套束能量50～80 keV可调、束脉宽10～100秒可调、中性束功率2～4 MW的NBI系统，目的是在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；第二阶段则是在总结首套中性束注入设计与运行经验的基础上，研制一套性能更优、具备1~100HZ调制能力的中性束注入系统，以实现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的目标。
中性束在等离子体中的传播
中性原子在刚注入到等离子体时，不受磁场的影响，沿直线向中心区域渗透。这些中性原子在前进过程中与等离子体中的粒子碰撞，转变为离子并被捕获，其运动轨迹取决于粒子的能量、注入角度及被捕获的位置。我们希望尽可能多的粒子能在等离子体中心区域被捕获。中性束在等离子体中的传播过程中，需要适度的吸收：过强可能导致仅加热等离子体边界区域，过弱则可能使中性束穿透等离子体，撞击器壁，引起溅射和杂质产生，这些情况都应避免。
中性束在等离子体中的吸收主要通过三种原子过程实现：电荷交换、离子引起的电离和电子引起的电离。以H表示原子种类，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，这些过程可以表示为：
- 电荷交换：Hb+Hp→Hb++Hp−
- 离子引起电离：Hb+Hp+→Hb++Hp
- 电子引起电离：Hb+Hp−→Hb++2e−
中性粒子一旦在等离子体中被电离，就会通过库仑碰撞将能量传递给等离子体中的粒子，实现加热。如果注入速度足够高，且中性束速度超过电子温度的十多倍，则主要加热电子；如果中性束速度小于这个值，则能量主要传递给离子。在使用中性束注入加热时，等离子体中的磁场必须足够强，以约束由高能中性粒子转变而成的高能离子。
中性束注入技术的进展
中性束注入技术在不同规模的托卡马克装置上实施的实验均取得了积极成果。在一些大型托卡马克装置中，通过中性束注入，离子已被加热至超过点火所需温度的范畴，如TFTR和JT-60U装置中离子能量达到40 keV以上。此外，中性束加热展示出了超过90%的高总效率，证明了其作为一种非常有效的加热方法。
中性束注入自70年代中期以来，在核聚变研究中扮演了重要角色。在未采用中性束注入辅助加热的情况下，托卡马克等离子体的离子温度鲜有超过1 keV的记录。然而，1978年在PLT装置上，通过注入能量为39 keV、功率2.5 MW、脉冲宽度150 ms的高能中性粒子束，首次实现了离子温度提升至7.1 keV。1986年，在TFTR托卡马克上使用功率达15 MW、能量为120 keV的强流中性粒子束进行辅助加热，成功进行了具有良好约束性能的放电实验，其中心区域的离子温度升高到了20 keV。到了1988年，TFTR装置上的中性束功率从15 MW增加到30 MW，进一步将中心离子温度推高至32 keV。
尽管已有显著成就，但在聚变堆环境下，对中性粒子束的能量要求需超过300 keV。正离子源的中性化效率随着粒子能量的增加而显著降低，这限制了正离子源中性束注入加热方法的应用。相对地，负离子源的中性化效率并不会因粒子能量的增加而大幅下降，因此，开发高功率负离子源成为实现适用于聚变堆条件的中性束注入加热技术的关键。
参考链接：
- http://www.ipp.ac.cn/kxcb/hjbzs/201412/t20141218_272722.html