磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统

摘要

本发明公开了一种磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统，它包括损失高能离子探测器、光路系统、真空密封调节、真空密封调节系统和信号采集系统，通过上述系统实现损失高能离子能量和螺旋角的同时测量。本发明的有益效果在于：本发明有效地解决了磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角的测量问题，可同时获得损失快离子能量和螺旋角信息的测量，非常适用于磁约束核聚变装置损失高能粒子测量。

说明书

技术领域

本发明属于一种磁约束核聚变核测量装置，具体涉及一种磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统，特别适用于托卡马克等离子体损失高能粒子能量和螺旋角的精确测量。

背景技术

高能离子损失对于维持磁约束核聚变等离子体的高约束性能和装置的安全稳定运行至关重要。聚变堆内等离子体主要依靠D-T聚变反应产生的高能离子(α粒子)加热，如果大量的α粒子损失出等离子体，聚变堆将不能维持自持运行，从而导致运行终止。高通量的高能离子损失出等离子体将轰击装置第一壁，从而导致第一壁局域热负荷过载，继而将导致壁材料起皱、熔化，甚至损毁，因此对装置的安全运行和使用寿命构成了严重的威胁。此外，当高能离子轰击第一壁时，将会有大量的杂质进入等离子体从而导致等离子体的污染，将极大地降低等离子体品质。因此，高能离子损失测量系统是开展磁约束核聚变高能离子研究的关键诊断。

目前，磁约束核聚变装置的高能离子测量只能提供高能离子损失率信息，或通过中子和伽马诊断间接提供高能离子信息，不能直接测量获得损失高能离子的能量和螺旋角信息。针对目前磁约束核聚变损失高能离子测量系统存在的不足，本发明磁约束核聚变损失高能离子测量系统采用三维高能离子入射窗和离子成像闪烁屏，实现了损失高能离子能量和螺旋角的同时测量，非常有效地解决了磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角的测量问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统，它能够解决磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角的测量问题。

本发明的技术方案如下：磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统，它包括损失高能离子探测器、光路系统、真空密封调节、真空密封调节系统和信号采集系统，通过上述系统实现损失高能离子能量和螺旋角的同时测量。

所述的损失高能离子探测器包括屏蔽保护盒、闪烁体屏和入射窗，闪烁体屏位于屏蔽保护盒的顶端，入射窗位于屏蔽保护盒的侧面。

所述的屏蔽保护盒是一个中空的正方体结构。

所述的光路系统包括转动轴、成像光路、分光器和分光镜，转动轴顶端与高能离子损失探测器的屏蔽保护盒相连接，成像光路位于转动轴内部，分光器与转动轴的后端相连，分光镜位于分光器内部。

所述的真空密封调节系统包括对接法兰、过渡管、真空插板阀、观察窗、真空抽口、支撑平台、真空管道、滚珠丝杠、旋转步进电机和平移步进电机，对接法兰与过渡管连接、过渡管与真空插板阀连接、过渡管与观察窗连接，观察窗和真空管道连接，真空抽口位于观察窗下方，滚珠丝杠位于真空管道下方，旋转步进电机和平移步进电机位于真空管道后部，真空管道的两端通过支架固定在支撑平台上。

所述的信号探测系统包括传像光纤束、光电探测阵列、成像镜头和高速相机，传像光纤束和成像镜头分别与光路系统的分光器相连接，传像光纤束后端与光电探测阵列相连接，成像镜头后端与高速相机相连接。

所述的光路系统包括转动轴、成像光路、分光器和分光镜，转动轴顶端与高能离子损失探测器的屏蔽保护盒相连接，成像光路位于转动轴内部，分光器与转动轴的后端相连，分光镜位于分光器内部，转动轴穿过对接法兰、过渡管、真空插板阀、真空抽口、真空管道和旋转步进电机。

所述的屏蔽保护盒的内支撑材料为304不锈钢，外保护材料为石墨；闪烁体屏的基板为石英玻璃，厚度1mm，闪烁体材料为ZnS(Ag)，厚度10μm，闪烁体屏尺寸25mm×25mm；入射窗的材料为304不锈钢，入射缝尺寸0.8mm×2mm。

所述的转动轴的材料为不锈钢304，长2.0m，外径52mm，内径50mm；成像光路的材料为石英玻璃，外径50mm；分光器的材料为不锈钢304，200mm正方体，厚度2mm；分光镜的材料为石英玻璃，透射和反射分光比例为1:1。

所述的传像光纤束的像素＞1000；成像镜头的焦距50mm，最大光圈F1.4，镜头滤镜67mm；高速相机的像素1280*800，全像素帧频15kfps。

本发明的有益效果在于：本发明有效地解决了磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角的测量问题，可同时获得损失快离子能量和螺旋角信息的测量，非常适用于磁约束核聚变装置损失高能粒子测量。

附图说明

图1为本发明所提供的磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统示意图。

图中：1屏蔽保护盒，2闪烁体屏，3入射窗，4转动轴，5对接法兰，6过渡管，7真空插板阀，8观察窗，9真空抽口，10支撑平台，11真空管道，12成像光路，13滚珠丝杠，14旋转步进电机，15平移步进电机，16传像光纤束，17光电探测阵列，18分光器，19分光镜，20成像镜头，21高速相机。

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。

目前的磁约束核聚变损失高能离子测量只能提供高能离子损失率信息，或通过中子和伽马诊断间接提供高能离子信息，而不能直接测量损失高能离子的能量和螺旋角。

为解决上述问题，本发明提供了磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角测量系统，它包括损失高能离子探测器、光路系统、真空密封调节、真空密封调节系统和信号采集系统，通过上述系统实现损失高能离子能量和螺旋角的同时测量。

如图1所示，损失高能离子探测器能够实现对损失高能离子的入射控制和成像转换，具体包括屏蔽保护盒1、闪烁体屏2和入射窗3。屏蔽保护盒1是一个中空的正方体结构，闪烁体屏2位于屏蔽保护盒1的顶端，入射窗3位于屏蔽保护盒1的侧面。其中，屏蔽保护盒1包括外保护和内支撑，内支撑材料为304不锈钢，外保护材料为石墨；闪烁体屏2的基板为石英玻璃，厚度1mm，闪烁体材料为ZnS(Ag)，厚度10μm，闪烁体屏尺寸25mm×25mm；入射窗3的材料为304不锈钢，入射缝尺寸0.8mm×2mm。

损失高能离子探测器安装在光路系统的转动轴4顶端。

如图1所示，光路系统包括：转动轴4、成像光路12、分光器18和分光镜19。转动轴4顶端与高能离子损失探测器的屏蔽保护盒1相连接，成像光路12位于转动轴4内部，分光器18与转动轴4的后端相连，分光镜19位于分光器18内部。其中，转动轴4的材料为不锈钢304，长2.0m，外径52mm，内径50mm；成像光路12的材料为石英玻璃，外径50mm；分光器18的材料为不锈钢304，200mm正方体，厚度2mm；分光镜19的材料为石英玻璃，透射和反射分光比例为1:1。

如图1所示，真空密封调节系统用于实现对装置真空室内损失高能离子探头的精确定位调节以及与磁约束核聚变装置真空对接。具体包括：对接法兰5、过渡管6、真空插板阀7、观察窗8、真空抽口9、支撑平台10、真空管道11、滚珠丝杠13、旋转步进电机14和平移步进电机15。对接法兰5与过渡管6连接、过渡管6与真空插板阀7连接、过渡管6与观察窗8连接，观察窗8和真空管道11连接，真空抽口9位于观察窗8下方，滚珠丝杠13位于真空管道11下方。旋转步进电机14和平移步进电机15位于真空管道11后部。真空管道11的两端通过支架固定在支撑平台10上。光路系统中的转动轴4依次穿过对接法兰5、过渡管6、真空插板阀7、真空抽口9、真空管道11和旋转步进电机14。其中，对接法兰5的材料为不锈钢304，φ100mm；过渡管6的材料为不锈钢304，φ100mm，长度100mm；真空插板阀7的材料为不锈钢304，φ100mm；观察窗8的的材料为石英玻璃，φ100mm，厚度5mm；真空抽口9的材料为不锈钢304，φ25mm；支撑平台10的材料为不锈钢304，长1.5m，宽0.4m；真空管道11的材料为不锈钢304，φ80mm，长度1500mm；滚珠丝杠的材料为不锈钢304，长1m，φ10mm，螺距1mm；旋转步进电机，型号TELESKY TB6600，输出力矩1.2Nm。

信号探测系统与真空密封调节系统的真空管道11后端相连接。

如图1所示，信号探测系统包括：传像光纤束16、光电探测阵列17、成像镜头20和高速相机21。传像光纤束16和成像镜头20分别与光路系统的分光器18相连接，传像光纤束16后端与光电探测阵列17相连接，成像镜头20后端与高速相机21相连接。其中，传像光纤束16，50mm×50mm，像素＞1000；光电探测阵列17，10×10，端面50mm×50mm；成像镜头20，焦距50mm，最大光圈F1.4，镜头滤镜67mm；高速相机21，像素1280*800，全像素帧频15kfps。

本发明可以实现磁约束核聚变高能损失离子能量和螺旋角的同时测量，其原理是：高能损失离子由入射窗3进入屏蔽保护盒1，沿着磁力线轰击闪烁体屏2产生可见光光斑，光斑在闪烁体屏的位置反应了高能损失离子的能量和螺旋角。光斑图像经成像光路12进入分光器18，分光镜19把图像分为两路，一路经传像光纤束16被光电探测阵列17探测得到高能离子损失率演化；另一路进入成像镜头20被高速相机21探测得到高能离子损失图像。本发明有效地解决了磁约束核聚变损失高能离子能量和螺旋角同时测量的难题，非常适用于磁约束核聚变高能离子的损失测量。