HL-3 裝置快離子損失探測器研制與實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：托卡馬克等離子體中的快離子損失會降低加熱效率，快離子損失探測器（ FILD） 可以同時測量快離子損失的損失率、能量和螺距角，是監(jiān)測和研究快離子損失現(xiàn)象的重要手段之一?；谥袊h(huán)流三號（ HL-3） 裝置的放電參數(shù)，首先通過模擬不同初始螺距角下80 keV 氘離子在HL-3 裝置中的運(yùn)動軌跡確認(rèn)探頭的安裝位置。其次，通過模擬不同入射能量、磁場強(qiáng)度、入射角情況下氘離子的運(yùn)動軌跡確認(rèn)準(zhǔn)直器尺寸。然后，通過模擬氘離子經(jīng)過設(shè)計尺寸準(zhǔn)直器后在摻銀硫化鋅[ ZnS（ Ag） ] 閃爍屏上的橫向、縱向最遠(yuǎn)運(yùn)動距離，確認(rèn)閃爍屏尺寸，最后將設(shè)計好的基于摻銀硫化鋅[ ZnS（ Ag） ] 閃爍屏的快離子損失探測器安裝在HL-3 裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果顯示快離子損失探測器能成功測量到快離子損失信號，并監(jiān)測到環(huán)向阿爾芬本征模（ TAE） 誘發(fā)的快離子損失。

關(guān)鍵詞：快離子損失;能量;螺距角;ZnS（ Ag） ;環(huán)向阿爾芬本征模

中圖分類號：TL812;TL65 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

約束良好的快離子是磁約束核聚變點(diǎn)火聚變堆的必要條件，大量快離子的反常損失可導(dǎo)致等離子體約束品質(zhì)下降，甚至使聚變堆無法維持自持運(yùn)行。此外，強(qiáng)烈或者局域的快離子損失可能會轟擊并損壞面向等離子體的裝置部件，對等離子體造成雜質(zhì)污染[1] 。在大型磁約束聚變裝置中（例如ITER），快離子的損失可能不容忽視[2] 。因此，聚變等離子體中快離子的損失行為是聚變研究的關(guān)鍵問題?？祀x子損失探測器（fast ion lossdetector，F(xiàn)ILD）因可同時測量快離子能量與螺距角是聚變裝置研究快離子的關(guān)鍵診斷裝置。目前已經(jīng)在國內(nèi)外多個裝置中推廣，主要包括JET、DⅢ-D、ASDEX Upgrade、EAST、LHD、TFTR、KSTAR[3-9] 等。

1 FILD 的工作原理

FILD 的工作原理類似于磁譜儀，即損失快離子在裝置中受到環(huán)向磁場作用做拉莫爾回旋運(yùn)動，運(yùn)動中某些具有特定回旋半徑和螺距角（pitchangle）的快離子通過準(zhǔn)直器后打擊到閃爍探測器閃爍屏上，使得閃爍屏發(fā)光，通過收集快離子在探測器閃爍屏的發(fā)光位置和熒光強(qiáng)度獲得關(guān)于快離子損失的信息[10-12] ，其工作原理如圖1 所示。

快離子在閃爍屏的發(fā)光點(diǎn)取決于快離子運(yùn)動的回旋半徑（ 能量） 和螺距角[8] ?；匦霃絩 =mv / Bq ，本質(zhì)上是離子能量的度量。螺距角定義為θ = arccos（v‖ / v） ，表示速度與磁場方向之間的夾角，其中m 為快離子質(zhì)量，kg; q 為電荷量，C; B為磁場強(qiáng)度，T; v 是快離子的速度，m / s; v‖ 是快離子速度沿磁場的分量。

2 快離子損失探測器的設(shè)計

核工業(yè)西南物理研究院（SWIP） 設(shè)計和建造的“中國環(huán)流三號” （HL-3）裝置是核聚變大科學(xué)裝置，其工程參數(shù)列于表1[12-13] 。在HL-3 中使用FILD 探測快離子信息需對探頭安放位置、準(zhǔn)直器尺寸、閃爍屏材質(zhì)及尺寸等進(jìn)行精準(zhǔn)化設(shè)計以便實(shí)驗(yàn)獲取準(zhǔn)確信息。

2. 1 探頭安放位置

FILD 探頭的正確安裝位置對于確保有效和準(zhǔn)確的測量至關(guān)重要。探頭安放的位置既要靠近等離子體，確保能有效探測到由于等離子體不穩(wěn)定性導(dǎo)致的快離子損失，又要盡可能的遠(yuǎn)離等離子體，確保減少對等離子的影響?？祀x子在磁場中的運(yùn)動規(guī)律服從：