托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统

摘要

本发明公开了一种托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统，它包括小孔成像探头、真空密封管道、图像传输系统和图像增强与采集系统。本发明的有益效果在于：本发明有效地解决了目前托卡马克等离子体快电子成像测量系统存在的问题，提高测量结果的时空分辨率，同时也能够提高测量精度和可靠性，非常适用于托卡马克等离子体快电子的高时空演化图像测量。

说明书

技术领域

本发明属于一种核测量系统，具体涉及一种托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像测量系统，特别适用于磁约束核聚变装置的快电子成像测量系统。

背景技术

在环向电场加速、射频波加热和电流驱动条件下，在磁约束核聚变等离子体内会有大量的快电子产生，这些快电子可激发磁流体不稳定性，从而导致等离子体约束品质下降。此外，这些快电子在环向电场的加速下进入逃逸区成为逃逸电子，大量逃逸电子产生将导致逃逸电子束的形成，逃逸电子束损失出等离子体轰击装置第一壁时将对装置的安全运行构成极大的威胁。因此，托卡马克等离子体快电子研究是目前的重大课题之一。等离子体快电子测量系统是开展相关物理实验研究的基础。

等离子体内快电子由于库伦碰撞而发生韧致辐射，从而产生出硬X射线辐射。这些硬X射线携带着丰富的快电子信息，例如：快电子的能量分布，快电子运动的螺旋角，快电子群的产生、约束和损失等演化。目前托卡马克等离子体快电子成像测量采用多个硬X射线探测器阵列，对测量数据进行层析反演计算得到快电子图像。目前的快电子成像测量系统存在以下问题：(1)空间分辨率低，这是由于硬X射线探测器阵列由单个的探测器组成，而探测器具有一定的体积，从而限制了测量系统的空间分辨率；(2)时间分辨率低，硬X射线探测器通常采用半导体探测器，其计数率在105cps量级，由于因此受制于探测器计数率，快电子成像的时间分辨率较低；(3)测量精度低，在进行层析反演计算时一些条件进行了假设，得到的快电子图像并不和实际情况完全相符，因此测量结果的精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统，它能够有效地解决目前快电子成像测量系统存在的问题，提高测量结果的时空分辨率，同时也能够提高测量精度和可靠性。

本发明的技术方案如下：托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统，它包括小孔成像探头、真空密封管道、图像传输系统和图像增强与采集系统。

所述的小孔成像探头包括入射孔、屏蔽保护盒、闪烁体屏、石英基板、固定法兰、真空密封法兰和螺栓，所述的入射孔位于屏蔽保护盒前端面的中心，闪烁体屏电镀沉积在石英基板上，闪烁体屏和石英基板通过固定法兰固定，固定法兰的前端和后端分别与屏蔽保护盒和真空密封法兰连接，螺栓将真空密封法兰固定。

所述的入射孔的直径φ5mm，长度10mm；屏蔽保护盒的材料为304无磁不锈钢，厚度10mm，中空圆柱体，内径φ50mm，长度50mm；闪烁体屏为圆形，直径φ50mm，厚度500μm，材料为碘化铯；石英基板为圆形，直径φ51mm，厚度1mm，材料为石英；固定法兰的直径φ50mm，料为304无磁不锈钢；真空密封法兰的直径φ100mm，材料为304无磁不锈钢；螺栓的直径φ8mm，材料为304无磁不锈钢。

所述的图像增强与采集系统包括图像增强器、中继镜和高速可见光相机，图像增强器的前端与光纤束固定后端面相耦合，图像增强器的后端与中继镜相连接，中继镜的后端与高速可见光相机耦合连接。

所述的图像增强器的增益系数10

所述的图像传输系统包括成像镜头、光纤束固定前端面、成像光纤束和光纤束固定后端面，成像镜头通过光纤束固定前端面与成像光纤束相耦合，光纤束固定后端面与成像光纤束的后端相连。

所述的成像镜头的焦距50mm，最大光圈F1.4，镜头滤镜67mm；光纤束固定前端面的直径φ30mm，长度20mm，材料为304无磁不锈钢；成像光纤束的直径φ30mm，长度2m，像素30万；光纤束固定后端面的直径φ30mm，长度20mm，材料为304无磁不锈钢。

所述的真空密封管道包括绝缘对接法兰、真空管道和真空密封固定套筒，绝缘对接法兰的前端与真空密封法兰相连，绝缘对接法兰的后端与真空管道相连，真空管道的后端与真空密封固定套筒相连。

所述的绝缘对接法兰的直径φ80mm，材料为聚四氟乙烯。

所述的真空管道的直径φ80mm，长度150mm，材料为304无磁不锈钢；真空密封固定套筒的直径φ80mm，长度50mm，材料为304无磁不锈钢。

本发明的有益效果在于：本发明有效地解决了目前托卡马克等离子体快电子成像测量系统存在的问题，提高测量结果的时空分辨率，同时也能够提高测量精度和可靠性，非常适用于托卡马克等离子体快电子的高时空演化图像测量。

附图说明

图1为本发明所提供的托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统示意图。

图中：1入射孔，2屏蔽保护盒，3闪烁体屏，4石英基板，5固定法兰，6真空密封法兰，7螺栓，8绝缘对接法兰，9真空管道，10成像镜头，11光纤束固定前端面，12真空密封固定套筒，13成像光纤束，14光纤束固定后端面，15图像增强器，16中继镜，17高速可见光相机。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

目前的托卡马克等离子体快电子成像测量系统主要存在三个问题：空间分辨率低、时间分辨率低和测量精度低。为解决上述问题，本发明提供了托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统。

如图1所示，托卡马克等离子体内快电子高时空分辨成像系统包括：入射孔1、屏蔽保护盒2、闪烁体屏3、石英基板4、固定法兰5、真空密封法兰6、螺栓7、绝缘对接法兰8、真空管道9、成像镜头10、光纤束固定前端面11、真空密封固定套筒12、成像光纤束13、光纤束固定后端面14、图像增强器15、中继镜16和高速可见光相机17。通过小孔成像探头、真空密封管道、图像传输系统、图像增强与采集系统实现了托卡马克等离子体内快电子的高时空分辨成像测量。

如图1所示，小孔成像探头能够实现对快电子韧致辐射出的硬X射线图像转换为可见光图像，具体包括：入射孔1、屏蔽保护盒2、闪烁体屏3、石英基板4、固定法兰5、真空密封法兰6和螺栓7。入射孔1位于屏蔽保护盒2前端面的中心，闪烁体屏3电镀沉积在石英基板4上，闪烁体屏3和石英基板4被固定法兰5固定，固定法兰5的前端和后端分别与屏蔽保护盒2和真空密封法兰6连接，螺栓7位于真空密封法兰6用于固定和真空密封。

其中，入射孔1的直径φ5mm，长度10mm；屏蔽保护盒2的材料为304无磁不锈钢，厚度10mm，中空圆柱体，内径φ50mm，长度50mm；闪烁体屏3为圆形，直径φ50mm，厚度500μm，材料为碘化铯；石英基板4为圆形，直径φ51mm，厚度1mm，材料为石英；固定法兰5的直径φ50mm，料为304无磁不锈钢；真空密封法兰6的直径φ100mm，材料为304无磁不锈钢；螺栓7的直径φ8mm，材料为304无磁不锈钢。

小孔成像探头后端真空管道同轴相连。

如图1所示，真空密封管道用于快电子成像系统与装置的对接和绝缘，以及成像光路图像的传输，具体包括：绝缘对接法兰8、真空管道9和真空密封固定套筒12。绝缘对接法兰8的前端与真空密封法兰6相连，绝缘对接法兰8的后端与真空管道9相连，真空管道9的后端与真空密封固定套筒12相连。

绝缘对接法兰8的直径φ80mm，材料为聚四氟乙烯；真空管道9的直径φ80mm，长度150mm，材料为304无磁不锈钢；真空密封固定套筒12的直径φ80mm，长度50mm，材料为304无磁不锈钢。

真空管道后端与图像传输系统相连。

如图1所示，图像传输系统实现闪烁体屏产生的可见光图像的传输，具体包括：成像镜头10、光纤束固定前端面11、成像光纤束13和光纤束固定后端面14。成像镜头10通过光纤束固定前端面11与成像光纤束13相耦合，光纤束固定后端面14与成像光纤束13的后端相连。

其中，成像镜头10的焦距50mm，最大光圈F1.4，镜头滤镜67mm；光纤束固定前端面11的直径φ30mm，长度20mm，材料为304无磁不锈钢；成像光纤束13的直径φ30mm，长度2m，像素30万；光纤束固定后端面14的直径φ30mm，长度20mm，材料为304无磁不锈钢。

图像传输系统后端与图像增强与采集系统相连。

如图1所示，图像增强与采集系统实现快电子图像的增强和采集，具体包括：图像增强器15、中继镜16和高速可见光相机17。图像增强器15前端与光纤束固定后端面14相耦合，后端与中继镜16相连接，中继镜16的后端与高速可见光相机17耦合连接。

其中，图像增强器15的增益系数10

本发明实现磁约束核聚变等离子体内快电子的高时空分辨成像，其原理是：等离子体内快电子发射的X射线经入射孔1小孔成像透射至闪烁体屏3，闪烁体屏把X射线转化为可见光，然后经成像镜头10和成像光纤束13进入图像增强器15，图像增强后进入高速可见光相机17获得等离子体内快电子高时空分辨图像。本发明有效地解决了目前托卡马克等离子体快电子成像测量系统存在的问题，非常适用于托卡马克等离子体快电子的高时空演化测量。