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1、HT-7装置回旋质谱探测器边界离子诊断第25卷第4期2005年l2月核聚变与等离子体物理NuclearFusionandPlasmaPhysicsVo1.25.'l{DeC.2005文章编号:0254—6O86(2OO5)04—0283—07HT.7装置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)摘要:介绍了回旋质谱探测器的原理和设计及其在HT-7装置欧姆放电下对边缘等离子体中离子的诊断实验.探测器安装在限制器附近.通过一小孔引进等离子体;设置的前置偏压使电子和离子分离
2、.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;通过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,回旋频率等参数.实验中观察到荷质比为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;离子电流;共振峰中图分类号:TI.65+7文献标识码:A1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
3、壁热分布,中心粒子能量约束性质,引入核燃料的效应,杂质对中心的渗透以及氦灰的去除等方面.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,汤姆逊激光散射和光谱诊断等,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Sommer等人…于1951年提出,经过不断的发展与改进,已被广泛应用于工业,医学和科研等领域.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.把回旋质谱仪引入到
4、等离子体诊断中,特别是边界诊断中,已取得了一定的结果.王恩耀在PI.SC~S.A装置上探测到He,l{2(工作气体是He),N2,N的共振峰(工作气体是N2);Hollmann等在PISCES.A上观测到H,H2,l{3的共振峰(工作气体是l{2)b;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一(工作气体是H2),CF,F.(工作气体是cF4)的共振峰].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.
5、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.Nach~eb等曾在AlcatorC.Mod应用回旋质谱仪探测
6、到多种离子共振峰.我们主要介绍回旋质谱仪的原理以及在mI_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,本文中所用的数据都是在欧姆放电条件下获得.收稿B期:2005—01—05;修订B期:2005—05—23作者简介:高伟(198o-.),男.现为中科院等离子体物理研究所硕士,研究方向为等离子体物理.核聚变与等离子体物理第25卷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,是其内部的电磁场的位形的不同,回旋质谱仪的工作原理如图1
7、.在回旋质谱仪的内部(即腔体)存在一均匀磁场日,方向与小孔法线方向平行,另外加一射频场Esin(cot+,1)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,r0为小孔的中轴到收集板的距离,L为收集板的长度.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.设磁场强度为日,射频电场为Esin(cot+,1),离子进入腔体时径向速度为0,回旋半径的变化在,Y轴的投影为J:y=[cos(川
8、一譬cos(一蔚Ecos,l=画南[一厂乏——i_—二—:sin(.l+y)一.cos(l+,1)]图1回旋质谱仪的原理图其中,=qB/m为回旋频率,y=一tan(tan,1).由r=√+y2可见,当靠近时,离子回旋半径的增大非常显着,这说明离子在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.的离子,初始时可
