HL-3 裝置快離子損失探測器研制與實驗研究

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，是監測和研究快離子損失現象的重要手段之一。基于中國環流三號（ HL-3） 裝置的放電參數，首先通過模擬不同初始螺距角下80 keV 氘離子在HL-3 裝置中的運動軌跡確認探頭的安裝位置。其次，通過模擬不同入射能量、磁場強度、入射角情況下氘離子的運動軌跡確認準直器尺寸。然后，通過模擬氘離子經過設計尺寸準直器后在摻銀硫化鋅[ ZnS（ Ag） ] 閃爍屏上的橫向、縱向最遠運動距離，確認閃爍屏尺寸，最后將設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 裝置上進行實驗研究。研究結果顯示快離子損失探測器能成功測量到快離子損失信號，并監測到環向阿爾芬本征模（ TAE） 誘發的快離子損失。

關鍵詞：快離子損失;能量;螺距角;ZnS（ Ag） ;環向阿爾芬本征模

中圖分類號：TL812;TL65 文獻標識碼：A

約束良好的快離子是磁約束核聚變點火聚變堆的必要條件，大量快離子的反常損失可導致等離子體約束品質下降，甚至使聚變堆無法維持自持運行。此外，強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鍵問題。快離子損失探測器（fast ion lossdetector，FILD）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鍵診斷裝置。目前已經在國內外多個裝置中推廣，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向磁場作用做拉莫爾回旋運動，運動中某些具有特定回旋半徑和螺距角（pitchangle）的快離子通過準直器后打擊到閃爍探測器閃爍屏上，使得閃爍屏發光，通過收集快離子在探測器閃爍屏的發光位置和熒光強度獲得關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光點取決于快離子運動的回旋半徑（ 能量） 和螺距角[8] 。回旋半徑r =mv / Bq ，本質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 為快離子質量，kg; q 為電荷量，C; B為磁場強度，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計

核工業西南物理研究院（SWIP） 設計和建造的“中國環流三號” （HL-3）裝置是核聚變大科學裝置，其工程參數列于表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、準直器尺寸、閃爍屏材質及尺寸等進行精準化設計以便實驗獲取準確信息。

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確的測量至關重要。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定性導致的快離子損失，又要盡可能的遠離等離子體，確保減少對等離子的影響。快離子在磁場中的運動規律服從：