核聚变与等离子体物理

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1、核聚变与等离子体物理 Vol.25 N0.4 2005 HT-7 托卡马克回旋质谱探测器边界离子诊断 高伟 凌必利 万宝年 中科院等离子体物理研究所 合肥 230031 本文介绍了回旋质谱探测器的原理、设计、及其在欧姆放电条件下的 HT-7 托卡马克边界离子的诊断实验。探测器安装在限制器附近，通过一小孔引进等离子体，设置前置偏压以分离电子和离子，并使离子减速，进入腔体内部的离子在射频电场和平行磁场的作用下发生回旋共振，考察收集的离子电流信号中的共振峰可得到离子的荷质比、回旋频率等性质。实验中观察到了荷质比为 1、0.5、0.3333、0.1819 的离子共振峰。 关键词： 回旋质谱仪 回旋共振

2、 离子电流 共振峰 1 引言 在磁约束聚变研究中， 等离子体边界诊 断是一个重要的课题。 在目前的磁约束核聚 变研究中， 高质量的放电所观察到的特征多 数由边界效应决定。在未来的核聚变装置 中， 更要考虑边界等离子体对装置及放电状 态的影响，特别是关于第一壁热分布，中心 粒子能量约束性质，引入核燃料的效应，杂 质对中心的渗透， 氦灰的去除等方面。 目前， 已经发展多种诊断方法用于等离子体的常 规边界诊断，如朗缪尔探针，汤姆逊激光散 射，光谱诊断等。并且正在探索更多的诊断 方式用于边界诊断， 回旋质谱仪就是其中的 一种。 回旋质谱仪是一种射频型质谱仪，由 H.Sommer等人于 19511年提出

3、，经过不断 的发展与改进， 已被广泛应用于工业， 医学， 科研等领域。 回旋质谱仪利用离子在互相垂 直的均匀磁场和射频场中的回旋共振探测 离子的荷质比，具有结构简单紧凑，测量结 果精确，测量频谱宽的特点。 在对回旋质谱仪的探索研究中， 由于等 离子体诊断的需要(特别是边界诊断)，不断 有人试图把这一种仪器引入到等离子体诊 断中去，并取得了一定的结果。E.Y.Wang在 PISCES-A装置上探测到He+、H2+ (工作气体 是He )， N2+、 N+的共振峰(工作气体是N2)2； E.M.Hollmann等在PISCES-A上观测到H+、 H2+、H3+的共振峰(工作气体是H2)3； Bon

4、-Woong.Koo等计算了回旋质谱仪腔体 内部射频场的位形和粒子运动轨迹， 并观测到H2-、H-(工作气体是H2)，CF-、F- (工作气 体是CF4)的共振峰4。另外还有一些工作对 把回旋质谱仪应用到等离子体诊断上中作 了一些理论和实验上的分析， 这些工作较好 的验证了用回旋质谱仪诊断等离子体的可 行性。 上述实验都是在等离子体参数较低的 情况下进行的，在高温等离子体中，要考虑 多方面的因素对结果的影响。在Matthews的 文章5里提出用于高温等离子体诊断的质 谱仪必须具有以下特点：抗强磁场；必须适 用于较宽的离子速度谱； 离子速度必须与磁 场平行等。另外，由于高温等离子体实验中 的“严

5、酷”环境，必须考虑到电磁噪声，空 间电位，二次电子等因素的影响。这些因素 决定了用回旋质谱仪进行高温等离子诊断 的技术难度。 在高温等离子体诊断中， 回旋质谱仪主 要用于探测边界杂质离子种类、离子流等。 R.Nachtrieb等曾在Alcator C-Mod应用回旋 质谱仪探测到多种离子共振峰6。本文主要 介绍回旋质谱仪的原理以及在HT-7 托卡马 克上的一些实验结果， 并试图对获得的数据 作出解释， 本文所用的数据都是在欧姆放电 条件下获得。 2 工作原理 回旋质谱仪和其他质谱仪类似， 是利用 不同带电粒子在电磁场中的运动轨道的差 异以获取不同的信号。质谱仪的不同，本质 上来说，是其内部的电

6、磁场的位形的不同， 回旋质谱仪的工作原理如图 1：在回旋质谱核聚变与等离子体物理 Vol.25 N0.4 2005 仪的内部(即腔体)存在一均匀磁场 B，方向 与小孔法线方向平行，另加一射频场)sin(+tE垂直于磁场。离子从小孔入射进入腔体，在磁场的作用下作回旋运动， 如果回旋频率与射频场频率相同， 离子将从 射频场获得能量，回旋半径不断增大，最终 会被收集板接收，形成电流信号。 在图 1 中，为小孔的中轴到收集板的距离，L 为收集板的长度。Vtrap是为使离子减速， 延长离子在腔体内的滞留时间而加 的电场。 0r设 磁 场 强 度 为 B ， 射 频 电 场 为)sin(+tE，离子进入腔

7、体时径向速度为 0，回旋半径的变化在X,Y轴的投影为7： y=cos)cos()cos(cos)()(2 2222 22BEttBEc ccc c+, x=)cos()sin(cos)()(2222 22+ttBEcccc c, (1) 其 中mqBc/=为 回 旋 频 率 ，)tan(tan1c=。由22yxr+=可见，当靠近c时，离子回旋半径的增大非常显著，这说明离子在c处与射频电场发生共振而获得能量， 回旋半径的增大使离子以渐开轨道运动；回旋频率远离c的离子，初始时可能获得能量，随着|-c|的增大，将失去能量使回旋半径减小。理论 上，当发生共振时，回旋半径的变化遵从公 式 (2) )2/

8、( BEtr =通常情况下，回旋质谱仪的射频电场 的频率是线性变化的(扫频信号)，采集到的 信号构成一个连续的频谱， 随着射频电场的 频率的变化， 不同回旋频率的离子依次产生 共振峰。 考察频谱上各个共振峰的频率可以 判断离子的荷质比 q/m，进而判定离子的质 量数、确定离子的种类。理论上，在磁场均 匀，射频场均匀的情况下，离子质量数的分 辨率为： EmreB mm 202 =(3) 由此可以看出， 分辨率正比于磁场 B 和收集板距中轴的距离， 反比于射频场强度和质量数。在实验中，由于磁场和射频场的不均 匀性，分辨率会降低。高温等离子体中，二 次电子等一些杂散信号也会影响分辨率。 0r应当指出

9、， 输出信号的共振峰并不严格 位于回旋频率，受离子束本身电位的影响， 一般情况下， 观察到的共振频率低于回旋频 率，即6： res c (4) res为观察到的共振频率。 在判断共振峰的位置时，这种偏移是非常不利的，直接影响 对离子荷质比判断的准确性。 由于离子是以一定速度(设为)进入回旋质谱仪腔体， 因此离子在腔体内的有一定的滞留时间限制(ttrap)，超过滞留时间的离子将到达后面的挡板上而不能参与共振。设离子的共振半径增加到所需时间为，则只有满足时，离子才可能0v0rinctincttrapt核聚变与等离子体物理 Vol.25 N0.4 2005 打倒收集板上。根据公式(2)得=inctE

10、Br02，又=trapt 2/12 02/1)2(trapZeVmvLm，所以 Vtrap必须满足EBr022/12 02/1)2(trapZeVmvLm 。在实验中，调节 V的大小是一个重要的步骤。 trap3 设计及布局 本文所论述的回旋质谱探测器的设计 考虑到了 HT-7 托卡马克装置结构及放电状 态下的内部环境。回旋质谱 探测器的外观尺寸为 60mm50mm48mm，图 2 所示为探测器 的结构及引线的剖面图： 最外层为不锈钢外 壳， 用来使回旋质谱仪的内部与外部环境隔离；在外壳前端，开有一个直径为 2mm的 小孔用以引进等离子体； 外壳内部开槽固定 一个厚度为 2mm的陶瓷薄板，所有

11、的偏压 板、收集板都固定在陶瓷板上；在靠近小孔 4mm处固定一开有直径 1mm小孔的钽片， 然后依次为极板 1、极板 2、极板 3、后接收 板， 各板距小孔分别是 8mm、 12mm、 36mm、40mm， 各板长宽都是 22mmmm， 厚度 为 2mm；极板 1 和极板 2 中间分别开有直 径 8mm的通孔，极板内置栅网，栅网的网格为2025. 025. 0mm2， 通过率约为 70%； 在 极板 2 与极板 3 之间， 与两极板垂直方向有 两个射频板固定于陶瓷板上， 射频板尺寸为 28mm20mm，两板间距为 18mm。这样， 极板 2、极板 3 与两射频板构成共振腔，腔 的尺寸为 28m

12、m18mm20mm；收集板处 于共振腔中央，高度为 6mm。 在腔体内，磁场方向为小孔轴线方向， 射频电场垂直于纸面方向。极板 1、极板 2、 极板 3 上分别加电压V1、V2、V3；其中V1为 负压， 用以分离等离子体束中的正负带电粒 子，使电子(和少量的负离子)减速而被排斥 在极板 2 的栅网之外；V2为正，以使离子减 速，以较小的速率进入到共振腔；V3为正， 进一步使离子减速， 增加离子在腔体内的滞 留时间。其中V1、V2的调节降低了高温离子 带来的不利影响，如二次电子等，将电子排 除在腔体外是为了降低其对腔体内的收集 信号的影响； 钽片上的小孔进一步使引进的 等离子体束化；栅网削弱进入

13、腔体的离子 流，减少了杂乱信号，增加分辨率。 图 1 回旋质谱仪的原理图 回旋质谱探测器在托卡马克上的位置 如图 3 所示，探测器安装在一诊断窗口上， 通过榫子固定在磁力传送杆的顶端， 并通过 调节磁力传送杆控制探测器伸到托卡马克 真空室的深度。一般情况下，为了避免探测 器被高温等离子体烧坏， 探测器只伸入到限 制器所在环面附近。传送杆可以转动，便于 调节小孔方向使之与等离子体电流方向保 持平行，由于等离子体电流与磁场方向平 行， 这样也保证了进入探测器内部的离子初 速与磁场方向平行。 图 2 回旋质谱仪探测器的结构及引线示意图核聚变与等离子体物理 Vol.25 N0.4 2005 在用回旋质

14、谱仪探测器诊断等离子体 的实验过程中， 一般直接采用托卡马克的纵 场作为探测器内部的磁场。 这样做的优点是 省去了再设计产生磁场的设备， 使探测器的 结构紧凑，缺点是磁场的均匀性难以考察， 方向与大小都不能精确控制， 这样就降低了 实验精度。 4 探测边界离子种类 本实验主要工作为：验证V1、V2、V3的 大小，获得并分析离子电流信号，考察射频 场对离子电流信号的影响。 实验中电流信号 的数量级为 10-8A。 本文所描述的回旋质谱探测器实验都 是在欧姆放电条件下进行的，工作气体是 D2， 典型的放电参数是： 放电时间为 1s左右， 电流约为 120KA，纵场电流在 4200A左右， 环 电

15、压 1.6-1.7V ， 等 离 子 体 中 心 密 度 1.31019e/m3。 4.1 偏压V1、V2、V3的选择 实验中，首先选定偏压V1、V2、V3的大 小为回旋质谱仪创造一个工作平台。 具体过 程为： (1)在其它极板和收集板未加电压的情 况下，改变V1大小，考察后收集板输出信号 的波动程度，以确定V1，选择信号波动幅度 最小时的电压作为V1。容易得出，信号的波 动幅度描述了离子与电子分离的程度。(2) 固定上一步骤选定的V1，调节V2的大小，观 察信号变化，以选定V2大小。一般选取电流 信号最小时的V2， 这种情况下离子全部滞留 在腔体内部。 例如，一个可行的V1、V2的选择方案选定V1=197.5V、V2=197V。图 4 所示为 V1=197.5V时，后收集板的