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CN111366970B - 一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统 - Google Patents

一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统 Download PDF

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CN111366970B CN201811592955.5A CN201811592955A CN111366970B CN 111366970 B CN111366970 B CN 111366970B CN 201811592955 A CN201811592955 A CN 201811592955A CN 111366970 B CN111366970 B CN 111366970B
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Abstract

本发明属于高温等离子体诊断领域，具体涉及一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，包括剥离腔、分析模块和探测器阵列，剥离腔采用气体剥离，分析模块采用磁场分析，探测器阵列采用有能量分辨能力的半导体探测器；本发明的用于测量聚变等离子体中性粒子质量和能量的中性粒子分析系统，相对于传统中性粒子分析器采用静电场结合磁场分析的方法，采用磁场结合具有能谱测量能力的半导体探测器。通过磁场进行动量分析，通过脉冲幅度分析进行能量分析，不需要使用静电偏转系统，减少了分析模块的尺寸，降低了系统复杂度。

Description

一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统
技术领域
本发明属于高温等离子体诊断领域，具体涉及一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统。
背景技术
在磁约束聚变高温等离子体中，离子和中性粒子(例如H原子)之间的共振电荷交换反应生成的中性粒子，几乎拥有与反应离子相同的能量。中性粒子不带电荷，其飞行轨迹不受磁场影响，有一定几率在下次碰撞之前从等离子体中逃逸出来。探测该反应产生的、从等离子体内部逃逸出的中性粒子，可以分析等离子体内部的离子和中性粒子密度信息。专门测量这种中性粒子能谱的诊断工具，称为中性粒子分析器(NPA)。
在磁约束聚变等离子体研究领域，NPA是高能离子物理分析、离子温度测量、中性粒子密度测量、聚变堆燃料密度比(T/D)测量的关键诊断工具。传统NPA的设计中，为了实现能量分析，一般用强静电场来偏转离子；为了同时实现质量和能量分析，一般用强磁场结合强静电场来偏转离子，探测部分一般在不同的偏转轨道上放置电子倍增管进行计数测量。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，可以对高温等离子体中性粒子诊断，而且兼具质量和能量分辨能力。
本发明的技术方案如下：
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，包括剥离腔、分析模块和探测器阵列，剥离腔采用气体剥离，分析模块采用磁场分析，探测器阵列采用有能量分辨能力的半导体探测器；
探测器阵列固定于主真空壁上，分布在不同的偏转路线上，探测器入射孔对准分析磁铁狭缝；
所述磁铁固定于主真空室器壁上，磁铁两个磁极为平面结构，之间留有细缝，保证磁场的强度足够并使离子顺利通过；
盒体固定于主真空室7器壁；
主真空室通过直管与聚变装置真空室相连，主真空室下方开口与抽气系统相连，第一准直隔板和第二准直隔板固定于主真空室壁上，第一准直隔板位于装置连接直管和剥离腔之间，第二准直隔板位于剥离腔和磁铁之间。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，探测器的信号通过脉冲高度分析实现能量分辨和个数统计，通过磁场的动量分析结合探测器的能量分辨，同时实现质量和能量分辨。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，所述剥离腔包括盒体和两个直管，两个直管分别焊装在盒体前后面上，两个直管的中轴线与主真空室聚变装置的连接管道中轴线重合。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，所述盒体为中空腔体，优选采用304不锈钢材料。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，所述分析模块包括磁铁，采用电磁铁或者永磁体。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，所述探测器阵列优选采用半导体探测器。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，所述主真空室优选采用304不锈钢材料。
一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，第一准直隔板和第二准直隔板在装置连接直管中轴线上均开出直径为2mm左右的小孔。
本发明的有益效果在于：
本发明的用于测量聚变等离子体中性粒子质量和能量的中性粒子分析系统，相对于传统中性粒子分析器采用静电场结合磁场分析的方法，采用磁场结合具有能谱测量能力的半导体探测器。
通过磁场进行动量分析，通过脉冲幅度分析进行能量分析，不需要使用静电偏转系统，减少了分析模块的尺寸，降低了系统复杂度。
一般来说，聚变等离子体中的主要中性粒子成分为H、D、T和He。分析磁铁使动量相等的粒子具有相同的偏转位置，被同一个探测器收集。
在等动量的情况下，H、D、T和He的能量之比为12:6:4:3。
对于差别这样大的能量，脉冲幅度分析方法能够分辨。
附图说明
图1为本发明用于测量聚变等离子体中性粒子能量和动量的中性粒子分析系统示意图；
1-第一准直隔板；2-盒体；3-直管；4-第二准直隔板；5-磁铁；6-探测器阵列；7-主真空室；8-屏蔽结构。
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。
本发明的用于测量聚变等离子体中性粒子质量和动量的中性粒子分析系统，主要功能性部件包括：剥离腔、分析模块和探测器阵列6。剥离腔采用气体剥离，分析模块采用磁场分析，探测器阵列6采用有能量分辨能力的半导体探测器。
探测器阵列6固定于主真空室7壁上，分布在不同的偏转路线上，探测器入射孔对准分析磁铁狭缝。
所述磁铁5固定于主真空室7壁。磁铁5两个磁极为平面结构，之间留有细缝，保证磁场的强度足够并使离子顺利通过。
主真空室7通过直管与聚变装置真空室相连。主真空室7下方开口与抽气系统相连。
第一准直隔板1和第二准直隔板4固定于主真空室壁上，第一准直隔板1位于装置连接直管3和剥离腔之间，第二准直隔板4位于剥离腔和磁铁5之间。
探测器的信号通过脉冲高度分析实现能量分辨和个数统计。通过磁场的动量分析结合探测器的能量分辨，同时实现质量和能量分辨。
所述剥离腔包括盒体2和两个直管3，两个直管3分别焊装在盒体2前后面上，两个直管3的中轴线与主真空室7聚变装置的连接管道中轴线重合。
盒体2固定于主真空室7器壁。
所述盒体2为中空腔体，优选采用304不锈钢材料。
所述分析模块包括磁铁5，采用电磁铁或者永磁体。
所述探测器阵列6优选采用半导体探测器。
所述主真空室7优选采用304不锈钢材料。
第一准直隔板1和第二准直隔板4在装置连接直管中轴线上均开出直径为2mm左右的小孔。

Claims (6)

1.一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，包括剥离腔、分析模块和探测器阵列，剥离腔采用气体剥离，分析模块采用磁场分析，探测器阵列采用有能量分辨能力的半导体探测器；
其特征在于：探测器阵列固定于主真空室室壁上，分布在不同的偏转路线上，探测器入射孔对准分析磁铁狭缝；
所述磁铁固定于主真空室室壁上，磁铁两个磁极为平面结构，之间留有细缝，保证磁场的强度足够并使离子顺利通过；
盒体固定于主真空室室壁；
主真空室通过直管与聚变装置真空室相连，主真空室下方开口与抽气系统相连，第一准直隔板和第二准直隔板固定于主真空室室壁上，第一准直隔板位于装置连接直管和剥离腔之间，第二准直隔板位于剥离腔和磁铁之间；
所述剥离腔包括盒体和两个直管，两个直管分别焊装在盒体前后面上，两个直管的中轴线与主真空室聚变装置的连接管道中轴线重合；
所述分析模块包括磁铁，采用电磁铁或者永磁体。
2.如权利要求1所述的一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，其特征在于：探测器的信号通过脉冲高度分析实现能量分辨和个数统计，通过磁场的动量分析结合探测器的能量分辨，同时实现质量和能量分辨。
3.如权利要求1所述的一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，其特征在于：所述盒体为中空腔体，采用304不锈钢材料。
4.如权利要求1所述的一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，其特征在于：所述探测器阵列采用半导体探测器。
5.如权利要求1所述的一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，其特征在于：所述主真空室采用304不锈钢材料。
6.如权利要求1所述的一种兼具质量和能量分辨能力的中性粒子分析系统，其特征在于：第一准直隔板和第二准直隔板在装置连接直管中轴线上均开出直径为2mm左右的小孔。
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