HL-3 装置快离子损失探测器研制与实验研究

摘 要：托卡马克等离子体中的快离子损失会降低加热效率，快离子损失探测器（ FILD） 可以同时测量快离子损失的损失率、能量和螺距角，是监测和研究快离子损失现象的重要手段之一。基于中国环流三号（ HL-3） 装置的放电参数，首先通过模拟不同初始螺距角下80 keV 氘离子在HL-3 装置中的运动轨迹确认探头的安装位置。其次，通过模拟不同入射能量、磁场强度、入射角情况下氘离子的运动轨迹确认准直器尺寸。然后，通过模拟氘离子经过设计尺寸准直器后在掺银硫化锌[ ZnS（ Ag） ] 闪烁屏上的横向、纵向最远运动距离，确认闪烁屏尺寸，最后将设计好的基于掺银硫化锌[ ZnS（ Ag） ] 闪烁屏的快离子损失探测器安装在HL-3 装置上进行实验研究。研究结果显示快离子损失探测器能成功测量到快离子损失信号，并监测到环向阿尔芬本征模（ TAE） 诱发的快离子损失。

关键词：快离子损失;能量;螺距角;ZnS（ Ag） ;环向阿尔芬本征模

中图分类号：TL812;TL65 文献标识码：A

约束良好的快离子是磁约束核聚变点火聚变堆的必要条件，大量快离子的反常损失可导致等离子体约束品质下降，甚至使聚变堆无法维持自持运行。此外，强烈或者局域的快离子损失可能会轰击并损坏面向等离子体的装置部件，对等离子体造成杂质污染[1] 。在大型磁约束聚变装置中（例如ITER），快离子的损失可能不容忽视[2] 。因此，聚变等离子体中快离子的损失行为是聚变研究的关键问题。快离子损失探测器（fast ion lossdetector，FILD）因可同时测量快离子能量与螺距角是聚变装置研究快离子的关键诊断装置。目前已经在国内外多个装置中推广，主要包括JET、DⅢ-D、ASDEX Upgrade、EAST、LHD、TFTR、KSTAR[3-9] 等。

1 FILD 的工作原理

FILD 的工作原理类似于磁谱仪，即损失快离子在装置中受到环向磁场作用做拉莫尔回旋运动，运动中某些具有特定回旋半径和螺距角（pitchangle）的快离子通过准直器后打击到闪烁探测器闪烁屏上，使得闪烁屏发光，通过收集快离子在探测器闪烁屏的发光位置和荧光强度获得关于快离子损失的信息[10-12] ，其工作原理如图1 所示。

快离子在闪烁屏的发光点取决于快离子运动的回旋半径（ 能量） 和螺距角[8] 。回旋半径r =mv / Bq ，本质上是离子能量的度量。螺距角定义为θ = arccos（v‖ / v） ，表示速度与磁场方向之间的夹角，其中m 为快离子质量，kg; q 为电荷量，C; B为磁场强度，T; v 是快离子的速度，m / s; v‖ 是快离子速度沿磁场的分量。

2 快离子损失探测器的设计

核工业西南物理研究院（SWIP） 设计和建造的“中国环流三号” （HL-3）装置是核聚变大科学装置，其工程参数列于表1[12-13] 。在HL-3 中使用FILD 探测快离子信息需对探头安放位置、准直器尺寸、闪烁屏材质及尺寸等进行精准化设计以便实验获取准确信息。

2. 1 探头安放位置

FILD 探头的正确安装位置对于确保有效和准确的测量至关重要。探头安放的位置既要靠近等离子体，确保能有效探测到由于等离子体不稳定性导致的快离子损失，又要尽可能的远离等离子体，确保减少对等离子的影响。快离子在磁场中的运动规律服从：