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1、HT-7托卡马克上的回旋质谱与尘灰诊断托卡马克上的回旋质谱与尘灰诊断答辩人：高伟答辩人：高伟导师：凌必利导师：凌必利论文主要内容n回旋质谱仪的原理n发展与应用n回旋质谱探测器的设计与安装n回旋质谱探测器实验结果及分析n关于尘灰诊断的调研n尘灰诊断实验设计及结果论文的意义n尝试新的诊断方法，丰富尝试新的诊断方法，丰富HT-7托卡马克诊断种类。托卡马克诊断种类。n杂质对核聚变装置的影响：影响等离子体参数的空间分布以及等杂质对核聚变装置的影响：影响等离子体参数的空间分布以及等离子体的总体能量约束时间；使工作元素的离子密度稀化影响聚离子体的总体能量约束时间；使工作元素的离子密度稀化影响聚变反应的功率密
2、度。边界杂质离子的状态与杂质输运和渗透有密变反应的功率密度。边界杂质离子的状态与杂质输运和渗透有密切关系。切关系。n在未来的磁约束装置中（主要指在未来的磁约束装置中（主要指ITER），），放电参数的提高使得沉放电参数的提高使得沉积效应不可忽视。尘灰诊断是对边界沉积研究的一个尝试。积效应不可忽视。尘灰诊断是对边界沉积研究的一个尝试。回旋质谱仪的原理n回旋质谱仪是一种基于速度回旋质谱仪是一种基于速度-动量选择的质谱仪动量选择的质谱仪 n探测到的信号直接反映带电粒子的回旋频率，可以很探测到的信号直接反映带电粒子的回旋频率，可以很容易的得到带电粒子的荷质比容易的得到带电粒子的荷质比 n可以通过荷质比判
3、定带电粒子的质量和种类可以通过荷质比判定带电粒子的质量和种类n可以粗略分析磁场大小可以粗略分析磁场大小n在稍加改造后可以用作减速场能量分析器在稍加改造后可以用作减速场能量分析器左图所示为回旋质谱仪的原理图：左图所示为回旋质谱仪的原理图：主体结构是一由金属壳层和电极围主体结构是一由金属壳层和电极围成的腔体；小孔用以引进离子束；成的腔体；小孔用以引进离子束；均匀磁场均匀磁场B的方向为小孔的法线方向；的方向为小孔的法线方向；射频电场与磁场垂直；收集板处于射频电场与磁场垂直；收集板处于腔体底部正中。腔体底部正中。在图中，收集板长度为在图中，收集板长度为L ；收集板收集板到小孔的垂直距离为到小孔的垂直距
4、离为 ； 是加是加在腔体前后电极上的电压，用以改在腔体前后电极上的电压，用以改善离子在腔体内的约束状况善离子在腔体内的约束状况 。 发生共振的离子作半径不断增大的发生共振的离子作半径不断增大的回旋运动回旋运动 离离子子从从小小孔孔入入射射进进入入腔腔体体，在在磁磁场场的的作作用用下下作作回回旋旋运运动动，如如果果回回旋旋频频率率与与射射频频场场频频率率相相同同，则则离离子子将将从从射射频频场场获获得得能能量量，回回旋半径不断增大，最终会被收集板接收，形成电流信号。旋半径不断增大，最终会被收集板接收，形成电流信号。 设离子在垂直方向的初始速设离子在垂直方向的初始速 度为度为0，当发生共振时，回旋
5、半径，当发生共振时，回旋半径 随时间的变化遵从公式：随时间的变化遵从公式： 共振运动轨迹如图中所示；共振运动轨迹如图中所示； 对于非共振粒子，由于其回旋对于非共振粒子，由于其回旋 频率远离射频场频率，不会发生共频率远离射频场频率，不会发生共 振。振。 离子在离子在X,Y平面内的运动平面内的运动引入扫频电场以分辨不同离子引入扫频电场以分辨不同离子 一般情况下，为了探测到多种一般情况下，为了探测到多种离子，引入扫频电场，不同荷离子，引入扫频电场，不同荷质比的离子依次与射频电场发质比的离子依次与射频电场发生共振。收集板信号可能包含生共振。收集板信号可能包含多个共振离子的共振峰。多个共振离子的共振峰。
6、考察考察频谱上各个共振峰的频率，再频谱上各个共振峰的频率，再根据根据 可以判断离子的荷质比可以判断离子的荷质比q/m，进进而判定离子的原子质量数，确而判定离子的原子质量数，确定离子的种类定离子的种类 。分辨率分辨率分辨率正比于离子在被收集以前的回旋圈数：分辨率正比于离子在被收集以前的回旋圈数：正比于磁场的平方，收集板距小孔的距离，反比于射频场强度和正比于磁场的平方，收集板距小孔的距离，反比于射频场强度和离子的质量。把离子的质量。把 代入上式，得：代入上式，得： 磁场的不均匀性影响分辨率。磁场的不均匀性影响分辨率。电场的不均匀性，中性粒子的密度，离子束自身的电荷效应等也电场的不均匀性，中性粒子的
7、密度，离子束自身的电荷效应等也会影响分辨率。会影响分辨率。分辨率反比于射频电场，可以选用较小的电场，这是回旋质谱仪分辨率反比于射频电场，可以选用较小的电场，这是回旋质谱仪的一个优点。的一个优点。 频率的偏移和滞留时间的要求频率的偏移和滞留时间的要求回旋质谱仪输出信号的共振峰并不严格位于回旋频率。受离子束回旋质谱仪输出信号的共振峰并不严格位于回旋频率。受离子束本身的电荷效应影响，观察到的共振频率稍低于回旋频率，即：本身的电荷效应影响，观察到的共振频率稍低于回旋频率，即： ， 是观察到的共振频率。是观察到的共振频率。对束缚电场的要求对束缚电场的要求 由于粒子是以一定的速度（设为由于粒子是以一定的速
8、度（设为 ）进入回旋质谱仪腔体的，进入回旋质谱仪腔体的，因此在腔体内有一定的滞留时间，超过滞留时间的粒子将将到达因此在腔体内有一定的滞留时间，超过滞留时间的粒子将将到达背后的挡板而不能参与共振，如果粒子的回旋半径增加到背后的挡板而不能参与共振，如果粒子的回旋半径增加到 的时的时间为间为 ，则必须满足，则必须满足 ，又，又 ， 即束缚电场满足即束缚电场满足增加滞留时间也可以通过增加腔体和收集板的长度满足增加滞留时间也可以通过增加腔体和收集板的长度满足。分析离子温度分析离子温度n减速场能量分析器的结构如右图，减速场能量分析器的结构如右图，是由三个栅网构成的偏压电极构是由三个栅网构成的偏压电极构成。
9、等离子体由小孔进入，经过成。等离子体由小孔进入，经过电场电场V1,V2,V3的作用，离子被收的作用，离子被收集板接收形成电流信号。集板接收形成电流信号。V1,V3的为固定的电压，的为固定的电压，V2为可调电压，为可调电压，考察收集电流信号随考察收集电流信号随V2的变化可的变化可以得到离子温度。以得到离子温度。n由结构可知，回旋质谱仪在一定由结构可知，回旋质谱仪在一定条件下可以作为减速场能量分析条件下可以作为减速场能量分析器。器。n假定离子的速度满足假定离子的速度满足Maxwell分布，那么当一束离子经过减速电分布，那么当一束离子经过减速电场时，其离子数目的变化满足：场时，其离子数目的变化满足：
10、n对于从一定大小的小孔（有效面积为对于从一定大小的小孔（有效面积为S)，平均流速为平均流速为 的离子束，的离子束，假设栅网透过滤为假设栅网透过滤为 ，则收集板上的电流信号信号满足：，则收集板上的电流信号信号满足：n可以通过拟合和画图的方法求出离子温度可以通过拟合和画图的方法求出离子温度回旋质谱仪的发展和应用回旋质谱仪的发展和应用n回旋质谱仪于回旋质谱仪于1956年由美国国标局年由美国国标局H.Sommer, H.A.Thomas等等提出用于测定轻离子的荷质比提出用于测定轻离子的荷质比。验证了回旋质谱仪的高精度验证了回旋质谱仪的高精度。回旋质谱仪的优点和应用回旋质谱仪的优点和应用n只需一个收集板
11、就可以收集不同只需一个收集板就可以收集不同带电粒子带电粒子n只需提供一个较小的射频电只需提供一个较小的射频电场和稳定的磁场就可以获得场和稳定的磁场就可以获得较好的分辨率较好的分辨率n灵敏度较高，探测效率高。灵敏度较高，探测效率高。n结构简单紧凑，可以制成较结构简单紧凑，可以制成较小尺寸。小尺寸。 右图为测定大分子的原子右图为测定大分子的原子量的傅立叶离子回旋共振质量的傅立叶离子回旋共振质谱仪谱仪n基于回旋质谱仪原理研制的各种基于回旋质谱仪原理研制的各种仪器主要应用于科研，医疗，仪器主要应用于科研，医疗，生物，化学领域。生物，化学领域。回旋质谱仪在等离子体诊断中的实践v由于回旋质谱仪的各种优点，
12、不断有人试图把这一装置应用到等离子由于回旋质谱仪的各种优点，不断有人试图把这一装置应用到等离子诊断当中。这项工作首先从验证其可行性开始。诊断当中。这项工作首先从验证其可行性开始。 实验人员用回旋质实验人员用回旋质谱探测器探测较低参数等离子体的离子共振峰。谱探测器探测较低参数等离子体的离子共振峰。v验证了共振峰与质量的关系，工作点的选择（外加电压大小），压强验证了共振峰与质量的关系，工作点的选择（外加电压大小），压强及密度、磁场均匀度电流信号的影响，及密度、磁场均匀度电流信号的影响， 研究了内部电磁场形态的影研究了内部电磁场形态的影响，等离子体电势，离子束自身的径向发散造成的影响等。响，等离子体
13、电势，离子束自身的径向发散造成的影响等。v为了适应等离子体内的特殊环境，研究人员对回旋质谱仪作了大量的为了适应等离子体内的特殊环境，研究人员对回旋质谱仪作了大量的改进，如设置前置偏压以调节等离子体的组分（去除电子），设置抽改进，如设置前置偏压以调节等离子体的组分（去除电子），设置抽气系统以降低压强，腔体内加上适当的减速电场以增加粒子的滞留时气系统以降低压强，腔体内加上适当的减速电场以增加粒子的滞留时间。间。v 实验中观察到了不同离子的共振峰，验证了用回旋质朴仪诊断等离实验中观察到了不同离子的共振峰，验证了用回旋质朴仪诊断等离子体成分的可行性。子体成分的可行性。nT.Mieno等观察到的等观察到
14、的CF4等离等离子体中各共振峰随随电压的子体中各共振峰随随电压的变化变化n共振峰幅度随束缚电场的变共振峰幅度随束缚电场的变化图化图唯一用于高温等离子体诊断的实例唯一用于高温等离子体诊断的实例回旋质谱仪于回旋质谱仪于2002年年 首次用于首次用于 tokamak 边界诊断，装置为边界诊断，装置为 Alcator-C-mod.参数参数 为为B=5.1T, Ip=1.0MA, , 中心温度中心温度 是是 。 探测到质荷比在探测到质荷比在 1M/Z0.6MJ20MJ 脉冲长度1cm/year 碳沉积150m in 2h20m 50m/day 氚注入0.2g/pulse 120g/pulse TFTR石
15、墨瓦上的沉积石墨瓦上的沉积 NSTX沉积物的电镜成像沉积物的电镜成像关于沉积的诊断关于沉积的诊断主要考察两种方法主要考察两种方法1 考察杂质在样品上的积累效应，主要手段是在装置内考察杂质在样品上的积累效应，主要手段是在装置内部安装基片，应用表面分析技术分析杂质的成分，部安装基片，应用表面分析技术分析杂质的成分，厚度。厚度。2 对沉积的监控，探测厚度变化，杂质的通量等。石英对沉积的监控，探测厚度变化，杂质的通量等。石英晶体微平衡法，静电探测器等。晶体微平衡法，静电探测器等。石英晶体微平衡法石英晶体微平衡法n利用压电晶体的连接物的质量利用压电晶体的连接物的质量m与振荡频率变化的关系可以求与振荡频率
16、变化的关系可以求出沉积层的质量变化。出沉积层的质量变化。n在在NSTX装置上的实验结果。装置上的实验结果。n类似试验曾在类似试验曾在JET,ASDEX,TEXTOR进行过进行过。尘灰诊断的设计和实验结果尘灰诊断的设计和实验结果实验结果实验结果n信号是在长脉冲放电情况下获得的，其它放电没有获信号是在长脉冲放电情况下获得的，其它放电没有获得类似信号。得类似信号。n信号产生放电末期，与碳爆发周期相一致。信号产生放电末期，与碳爆发周期相一致。n结果有待进一步分析。结果有待进一步分析。总结总结n本论文主要介绍了回旋质谱诊断和尘灰诊断的调研，本论文主要介绍了回旋质谱诊断和尘灰诊断的调研，设计，与实验结果。
17、设计，与实验结果。n回旋质谱探测器部分的主题内容为工作点的调试和获回旋质谱探测器部分的主题内容为工作点的调试和获得初步的边界离子种类。得初步的边界离子种类。n尘灰诊断主要调研了对沉积研究对于尘灰诊断主要调研了对沉积研究对于ITER的意义，并的意义，并给除了在给除了在HT-7托卡马克上的初步结果。托卡马克上的初步结果。n两者都是较新的诊断，由于经验和条件限制，所取得两者都是较新的诊断，由于经验和条件限制，所取得的结果较为粗略。的结果较为粗略。发表文章发表文章 1 高伟高伟 ，凌必利，万宝年，凌必利，万宝年， HT-7托卡马克回旋质谱探测器边界托卡马克回旋质谱探测器边界离子诊断离子诊断 , 核聚变与等离子体物理，核聚变与等离子体物理，2005 第第3期期 2 Ling Bili, Wang Enyao, Gao Wei, et al, Ions measurement at the edge of HT-7 tokamak. Plasma Science and Technology ， Vol.7, No.2, 2005 谢谢大家！谢谢大家！
