在磁約束核聚變實驗中，由于歐姆加熱的局限性，要進一步提高等離子體的溫度, 必須采用中性束注入加熱、波加熱等輔助加熱手段，其中，中性束注入是目前加熱效率最高、物理機制最清楚的加熱手段，在托克馬克以及其它類型的磁約束核聚變裝置中得到了廣泛的應用。

　　一、中性束注入系統介紹

　　托卡馬克等離子體是磁場約束下的電子和離子，并在磁場約束下做高速的運動。等離子體溫度是其粒子運動劇烈程度的一種宏觀反映。那么要提高等離子體的溫度，我們將高能的粒子直接放入到托卡馬克約束磁場中不就可以實現了嗎？是的，中性束注入加熱就是這樣的一種方法。它與我們生活中所見到的利用高壓水蒸氣燒開水的過程類似。加熱過程中，將高能離子直接注入到本底等離子體中去是不可能的，因為托卡馬克中有很強的磁場，高能離子一進入磁場就會因圍繞磁力線轉動而停留在很淺的表面區域。由于磁場的不均勻性，這些離子與磁面間有一定的偏離，其中大部分離子會很快碰壁而損失，從而引起很多雜質，所以必須以中性化束流的形式實現注入。由于中性束注入系統采用的粒子一般是與托卡馬克等粒子體的離子種類相同。因此，中性束注入系統的高能粒子一旦進入托卡馬克的約束磁場，并被離化，它就成為等離子體的一部分，將為等離子體溫度的增加提供顯著的作用。因此來說，中性束注入加熱是加熱效率最高、物理機制最清楚的加熱手段。

　　將事先加速到很高能量的離子束變成高能中性粒子束，然后再注入到等離子體中，高能中性粒子通過跟背景等離子體碰撞變成高能離子而被捕獲，再經過庫侖碰撞而熱化，同時將能量傳遞給電子和離子，從而達到給等離子體整體加熱的目的，這個過程就稱為中性束注入加熱（Neutral Beam Injection Heating，簡稱NBIH）。圖1是中性束注入系統的工作基本原理圖。

　　　　

　　圖1 中性束注入系統工作原理圖

　　中性束注入系統是一個復雜而分散的托卡馬克注入加熱裝置，包括注入器系統、真空系統、電源系統、連鎖保護系統、束診斷系統和控制系統等。其中，注入器系統由強流離子源、中性化室、偏轉磁鐵、離子吞食器、束流限制靶、漂移段、功率測量靶和真空室組成。對注入器來說，最重要的是產生高能粒子的離子源和將高能粒子中性化的中性化室。實驗中，強流離子源利用大電流氣體放電產生初始等離子體，溫度一般只有幾個電子伏，密度大約10¹⁹m^-3。初始等離子體中的離子經過精心設計的電極結構而得到加速(20~200keV)。加速后的高能離子再經過中性化室，從中性化室氣體中捕獲電子而變成高能中性粒子。從中性化室出來的粒子流中除了高能中性粒子外還有部分尚未捕獲電子的高能離子和再電離產生的高能離子，這些離子經過偏轉磁鐵時發生偏轉，進入離子吞食器。從真空室出來的中性束經過漂移段后注入等離子體。

　　下面分別針對離子源、中性化室、偏轉系統、真空系統等對NBI系統進行介紹:

　　1、離子源

　　20世紀60年代末，強流離子源技術在聚變研究的推動下逐漸發展起來，其特點是引出離子束的束流和功率都很大，每個源的引出束流為幾十至幾百安培，功率為幾百千瓦至幾兆瓦。強流離子源主要由兩部分組成：一是產生穩定而均勻的大體積高密度等離子體的放電室；二是大面積多孔(或多縫)引出系統，其引出面積的線度為幾十厘米。

　　2、中性化室

　　中性化室是將來自離子源的高能離子轉換成中性粒子的裝置，其任務是提供符合要求的電荷轉換靶。核聚變研究希望從離子源中引出的離子束的質子比盡可能高。但分子離子和過分子離子依然存在，這些分子離子和原子離子一起通過加速電極加速而獲得相同的能量。離子的質量越大，速度便越小。這些速度較小的分子離子進入中性化室后便會離解成原子和離子。這樣一來，中性原子有三種不同的能量。

　　離子束中性化的過程是粒子碰撞的過程，則中性化效率與粒子的碰撞截面密切相關。只要氣體靶足夠厚，粒子束內的中性粒子成份與帶電粒子成份之比將會達到平衡，兩者之比就等于這個過程的截面之比，因此，隨著能量的升高，中性粒子所占比例明顯下降。為了具有更經濟的中性化效率，當中性束系統所需要的能量大于200 keV后，一般采用負離子源系統。

　　3、偏轉系統

　　從中性化室出來的離子，以及輸運中再電離產生的離子是不允許進入托卡馬克裝置的，同時也不能將離子偏轉到裝置上，以免造成對束線的污染。偏轉系統是對剩余帶電粒子束的處理系統，主要由偏轉磁鐵和離子吞噬器組成。實驗中，偏轉磁鐵在中性化束的傳播路徑上產生一定強度的勻強磁場區，使得束線內未被中性化的高能離子在穿過勻強磁場區的過程中偏離中性束通道，并以合適的角度打到離子吞噬器上。磁場強度大小是可調的，具體強度大小由實驗過程中離子源產生的高能離子束能量大小和離子吞噬器的位置決定。

　　4、其它設備

　　束流限制靶根據系統要求削掉發散的邊緣束流，通常靶背面會裝有水冷系統。

　　漂移段一般是用來保持主真空室和托卡馬克真空室的壓差（安裝差分泵），以減小中性束在輸運過程中的電離損失。同時可在漂移管道內安裝測量系統，檢測注入中性束參數，比如說通過放置功率測量靶測量中性束的功率及束流密度分布等。

　　功率測量靶一般采用熱測靶的形式。

　　　　

　　圖2 EAST-NBI組成示意圖

　　EAST中性束注入系統所關聯的研究主要集中在中性束加熱、電流驅動和等離子體的旋轉三個重要的方面，建成后的EAST中性束注入系統將為等離子體加料、MHD不穩定性、等離子體約束改善、高能離子行為、中性束與射頻波(離子回旋共振頻段波、離子伯恩斯坦波、電子回旋共振波、低混雜波)協同效應及等離子體參數診斷等方面的研究提供支持。基于EAST相關科學研究對中性束注入的要求，擬訂了EAST-NBIS的建設目標：首期研制一套束能量50～80 keV可調、束脈寬10～100 s可調、中性束功率2～4 MW的NBI，以滿足EAST實驗第二階段將等離子體的離子溫度從3 keV提高到5 keV的要求；二期在總結第一套NBI設計與運行經驗的基礎上，通過性能優化研究，再研制一套束能量50～80 keV可調、束脈寬10～100 s可調、中性束功率2～4 MW、綜合性能更優的NBI（具備1~100HZ調制能力），以滿足EAST實驗第三階段將等離子體的離子溫度從5 keV提高到8 keV的要求。

　　

圖3 EAST中性束注入系統布局圖

　　二、中性束在等離子體中的傳播

　　剛注入到等離子體中的中性原子不受磁場影響，沿直線向中心區域滲透。在前進過程中，跟等離子體中的粒子發生碰撞成為離子而被捕獲，其運動軌道跟這些粒子的能量、注入角度、以及被捕獲的位置有關,希望有盡可能多的粒子捕獲在等離子體中心區域。中性束在等離子體中傳播時，如果吸收過分強烈，其結果是僅加熱等離子體邊界區域；如果吸收過分微弱，則中性束會穿透等離子體，撞擊對面的器壁，引起濺射，產生雜質，這都是應該盡量避免的。

　　中性束在等離子體中的吸收主要是通過三種原子過程實現的，即電荷交換，離子引起的電離和電子引起的電離。我們用H表示原子的種類。下標b表示注入的中性束粒子，下標p表示等離子體中的粒子，上述三種原子過程可以表示為：

　　電荷交換： 

　　離子引起電離： 

　　電子引起電離： 

　　中性粒子進入等離子體中，一旦被電離，便通過庫侖碰撞將能量交給等離子體中的粒子，從而達到加熱等離子體的目的。在注入速度足夠高的情況下，如果中性束的速度大于電子溫度十多倍，這時以加熱電子為主。如果中性束的速度小于這個值，能量主要交給離子。在采用中性注入加熱時，等離子體中的磁場必須要足夠強以便能約束住這些由高能中性粒子變成的高能離子。

　　

圖4 束與等離子體作用過程相關截面

　　三、中性束注入的發展

　　中性束注入實驗在各種尺寸的托卡馬克裝置上都取得了較好的結果，其中在幾個大型托卡馬克中，已將離子加熱到超過點火要求的溫度范圍，TFTR和JT-60U中達到40 keV以上，而且中性束加熱的總效率可以超過90％以上，因此是很有效的加熱方法。

　　中性束注入是目前比較成熟的一種輔助加熱手段，在核聚變研究的進程中發揮了很大作用。直到70年代中期，未采用中性束注入輔助加熱的托卡馬克等離子體的離子溫度不超過lkeV，1978年，在PLT裝置上注入能量39keV，功率2.5MW，脈沖寬度150ms的高能中性粒子束，第一次將離子溫度提高到7.1keV。尤其是在1986年，TFTR托卡馬克上采用功率15MW，能量120keV的強流中性粒子束作輔助加熱，實現了具有良好約束性能的放電實驗，等離子體中心區域的離子溫度達到了20keV。1988年在TFTR上將中性束功率從15MW提高到30MW，結果使中心離子溫度的最大值進一步提高到32keV。

    然而，在聚變堆情況下對注入中性粒子束的能量要求大于300keV，但是正離子源的中性化效率隨粒子能量的增加而急劇下降，所以正離子源引出的中性束注入加熱方法有很大的局限性。由于負離子源的中性化效率不會隨粒子能量增加而明顯下降，故研制大功率負離子源是適合于聚變堆條件下的中性束注入加熱技術的關鍵。