HT-7托卡马克上的回旋质谱与尘灰诊断

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1、HT-7托卡马克上的回旋质谱与尘灰诊断答辩人：高伟导师：凌必利论文主要内容回旋质谱仪的原理发展与应用回旋质谱探测器的设计与安装回旋质谱探测器实验结果及分析关于尘灰诊断的调研尘灰诊断实验设计及结果论文的意义尝试新的诊断方法，丰富HT-7托卡马克诊断种类。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。在未来的磁约束装置中（主要指ITER），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。回旋质谱仪的原理回旋质谱仪

2、是一种基于速度-动量选择的质谱仪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可以通过荷质比判定带电粒子的质量和种类可以粗略分析磁场大小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：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；均匀磁场B的方向为小孔的法线方向；射频电场与磁场垂直；收集板处于腔体底部正中。在图中，收集板长度为L；收集板到小孔的垂直距离为；是加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。发生共振的离子作半径不断增大的回旋运动离子从小孔入射进入腔体，在磁场的作用下作回旋运动，如

3、果回旋频率与射频场频率相同，则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。设离子在垂直方向的初始速度为0，当发生共振时，回旋半径随时间的变化遵从公式：共振运动轨迹如图中所示；对于非共振粒子，由于其回旋频率远离射频场频率，不会发生共振。离子在X,Y平面内的运动引入扫频电场以分辨不同离子一般情况下，为了探测到多种离子，引入扫频电场，不同荷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多个共振离子的共振峰。考察频谱上各个共振峰的频率，再根据可以判断离子的荷质比q/m，进而判定离子的原子质量数，确定离子的种类。分辨率分辨率正比于离

4、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离子的质量。把代入上式，得：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，这是回旋质谱仪的一个优点。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。对束缚电场的要求由于粒子是以一定的速度（设为）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背后的挡

5、板而不能参与共振，如果粒子的回旋半径增加到的时间为，则必须满足，又，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。分析离子温度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成。等离子体由小孔进入，经过电场V1,V2,V3的作用，离子被收集板接收形成电流信号。V1,V3的为固定的电压，V2为可调电压，考察收集电流信号随V2的变化可以得到离子温度。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器。假定离子的速度满足Maxwell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：对于从一定大小的小孔（有效面积为S)，平

6、均流速为的离子束，假设栅网透过滤为，则收集板上的电流信号信号满足：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于1956年由美国国标局H.Sommer,H.A.Thomas等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。回旋质谱仪的优点和应用只需一个收集板就可以收集不同带电粒子只需提供一个较小的射频电场和稳定的磁场就可以获得较好的分辨率灵敏度较高，探测效率高。结构简单紧凑，可以制成较小尺寸。右图为测定大分子的原子量的傅立叶离子回旋共振质谱仪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，生物，化学领域。回旋质谱仪在等离子体

7、诊断中的实践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。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。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，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。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。实验中观察到了不同离子的共振峰，验证了用

8、回旋质朴仪诊断等离子体成分的可行性。T