一种离子束探测器

技术领域

本发明涉及离子束空间分布探测技术领域，特别是涉及一种离子束探测器。

背景技术

磁约束聚变是目前可控核聚变中的主要研究方向，也是解决人类未来能源问题的主要选择之一。随着对核聚变研究的深入，人类对于聚变装置关键参数的要求也在不断提升，其中，如何对磁约束聚变中电磁场的涨落(尤其是芯部等离子体的电磁场涨落)进行直接测量仍然是极大的挑战。

重离子束探针是目前能够测量芯部等离子体电势及涨落的唯一方法。但是传统的重离子探针需要基于加速器系统探测，占地庞大、建造和维护困难，成本高昂，且大型装置上能够设置的真空室窗口尺寸有限，重离子束探针难以应用于大型装置。基于此，技术人员提出了激光离子束轨道探针的概念：将激光加速产生的离子束注入聚变等离子体装置，测量通过等离子体区域后的离子束的时空分布，结合层析反演得到装置中的电磁场分布情况。激光离子加速能极大减少硬件所需要的空间、运行和维护成本。同时因为激光具有灵活的导调性，可深入到真空室内壁处产生离子，克服了测量时需设置大孔径窗口的瓶颈。由于激光加速器离子束有脉冲短、能散宽、多价态的特点，在一维离子诊断中，根据测量离子束出射位置的环向和极向位移，可诊断极向磁场和径向电场的空间分布；在二维离子诊断中，可通过测量出射离子数目随极向位置和到达时刻的分布，诊断电子密度的二维空间分布；结合具有高的时空分辨的离子探测器，还可以实现空间涨落的探测分析。所以离子束探测器是实现激光离子束轨道探针的核心技术之一。

但是，托卡马克装置中环境极端恶劣，芯部等离子体温度几乎可以融化任何已知材料，即使在装置的边缘区域，温度也达到300-500℃，这对于任何传统的粒子探测器而言都是一个极大的挑战，同时，托卡马克装置中存在的各种粒子和X-ray的辐射，传统的计量累积型探测器完全无法使用。此外，托卡马克装置内部及附近米量级范围内均分布有强磁场，这让半导体探测器等电子学探测器也无法使用。因此，对于本领域技术人员而言，研发一套能适应装置恶劣环境，具有较长生存能力和较高的测量能力的离子束探测器是非常关键的。

发明内容

本发明的目的是提供一种离子束探测器，使用光学器件代替电学器件进行信号传输，能够适应装置内恶劣的环境，具有生存能力强和测量能力高的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种离子束探测器，包括：

闪烁体、屏蔽成像装置、信号传输装置和图像探测装置；

所述屏蔽成像装置设置于托卡马克装置的外接管内；所述闪烁体设置于所述屏蔽成像装置的输入端；所述外接管与所述屏蔽成像装置的输出端对应的位置外接法兰；所述法兰上设置有玻璃开窗；所述玻璃开窗与所述信号传输装置的输入端匹配；所述信号传输装置的输入端与所述法兰连接；所述图像探测装置设置在所述信号传输装置的输出端处；

所述闪烁体受到托卡马克装置内含能光子或含能粒子轰击时发出可见光；

所述屏蔽成像装置用于在所述玻璃开窗处生成发光的闪烁体的像；

所述信号传输装置用于接收并传输所述像的光学信号；

所述图像探测装置用于捕获并记录所述光学信号的时空特性。

可选的，所述屏蔽成像装置，具体包括：

可伸缩屏蔽单元、驱动单元和成像单元；

所述成像单元设置于所述可伸缩屏蔽单元内；所述闪烁体设置于所述可伸缩屏蔽单元靠近所述托卡马克装置的一端；所述成像单元用于在所述玻璃开窗处生成发光的闪烁体的像；所述可伸缩屏蔽单元用于屏蔽外界光线；

所述驱动单元通过牵引杆与所述可伸缩屏蔽单元连接；所述驱动单元用于调节所述可伸缩屏蔽单元的长度以调节所述闪烁体的位置。

可选的，所述可伸缩屏蔽单元，具体包括：

n个伸缩管；

第i个所述伸缩管可伸缩的套设在第i-1个所述伸缩管外；其中，i小于或等于n；相邻两个所述伸缩管之间匹配设置有锁紧装置；

所述闪烁体设置于第1个所述伸缩管靠近所述托卡马克装置的一端；

第n个所述伸缩管与所述外接法兰连接；

所述驱动单元通过牵引杆与第1个所述伸缩管连接。

可选的，所述可伸缩屏蔽单元，还包括直角管；所述直角管的第一端与第n个所述伸缩管连接；所述直角管的第二端与所述外接法兰连接。

可选的，所述成像单元，具体包括：

第一凸透镜和第二凸透镜；

所述第一凸透镜设置于第1个所述伸缩管远离所述闪烁体的一端；所述第二凸透镜设置于所述第一凸透镜的输出光路上。

可选的，所述成像单元，具体包括：

平面镜、第一凸透镜和第二凸透镜；

所述第一凸透镜设置于第1个所述伸缩管远离所述闪烁体的一端；所述平面镜设置于所述第一凸透镜的输出光路上；所述平面镜设置于所述直角管处；所述第二凸透镜设置于所述平面镜的输出光路上；

所述平面镜的数量与所述直角管的数量相等。

可选的，所述闪烁体靠近所述托卡马克装置的一面设置有铝膜；所述铝膜用于遮挡所述托卡马克装置内的光线。

可选的，所述探测器，还包括：暗箱；

所述信号传输装置的输出端和所述图像探测装置均设置在所述暗箱内。

可选的，所述伸缩管的数量为5个。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种离子束探测器，包括闪烁体、屏蔽成像装置、信号传输装置和图像探测装置；屏蔽成像装置设置于托卡马克装置的外接管内；闪烁体设置于屏蔽成像装置的输入端；外接管与屏蔽成像装置的输出端对应的位置外接法兰；法兰上设置有玻璃开窗；玻璃开窗与信号传输装置的输入端匹配；信号传输装置的输入端与法兰连接；图像探测装置设置在信号传输装置的输出端处；闪烁体受到托卡马克装置内含能光子或含能粒子轰击时发出可见光；屏蔽成像装置用于在玻璃开窗处生成发光的闪烁体的像；信号传输装置用于接收并传输像的光学信号；图像探测装置用于捕获并记录光学信号的时空特性。本发明提出的探测器通过使用光学器件代替电学器件将等离子体产生的信号出传输至图像探测装置，图像探测装置获取信号的时空特性，进而对信号进行分析，减小了高温、强磁场和辐射对装置寿命和测量精度的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中离子束探测器的结构示意图；

图2为本发明实施例中可伸缩屏蔽单元的第一结构示意图；

图3为本发明实施例中可伸缩屏蔽单元的第二结构示意图；

图4为本发明实施例中锁紧装置的剖面图；

图5为本发明实施例中离子束探测器对HL-2A托卡马克装置曝光10秒后的测量结果图；

图6为本发明实施例中X射线轰击闪烁体后的测量结果图。

附图说明：1-托卡马克装置；2-等离子区域；3-闪烁体；4-可伸缩屏蔽单元；5-成像单元；6-信号传输装置；7-图像探测装置；8-暗箱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种离子束探测器，使用光学器件代替电学器件进行信号传输，能够适应装置内恶劣的环境，具有生存能力强和测量能力高的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

图1为本发明实施例中离子束探测器的结构示意图，如图1所示，本发明提供了一种离子束探测器，包括：闪烁体3、屏蔽成像装置、信号传输装置6和图像探测装置7。

屏蔽成像装置设置于托卡马克装置1的外接管内；闪烁体3设置于屏蔽成像装置的输入端；外接管与屏蔽成像装置的输出端对应的位置外接法兰；法兰上设置有玻璃开窗；玻璃开窗与信号传输装置6的输入端匹配；信号传输装置6的输入端与法兰连接；图像探测装置7设置在信号传输装置6的输出端处。

闪烁体3受到托卡马克装置1内含能光子或含能粒子轰击时发出可见光；闪烁体3靠近托卡马克装置1的一面设置有铝膜；铝膜用于遮挡托卡马克装置1内的光线。铝膜厚度为μm量级，此外，闪烁体3的材质为熔点达到621℃的固体CsI(碘化铯)。

屏蔽成像装置用于在玻璃开窗处生成发光的闪烁体3的像。

屏蔽成像装置，具体包括：可伸缩屏蔽单元4、驱动单元和成像单元5。

成像单元5设置于可伸缩屏蔽单元4内；闪烁体3设置于可伸缩屏蔽单元4靠近托卡马克装置1的一端；成像单元5用于在玻璃开窗处生成发光的闪烁体3的像；可伸缩屏蔽单元4用于屏蔽外界光线；驱动单元通过牵引杆与可伸缩屏蔽单元4连接；驱动单元用于调节可伸缩屏蔽单元4的长度以调节闪烁体3的位置。

图2为本发明实施例中可伸缩屏蔽单元的第一结构示意图，此时可伸缩屏蔽单元处于最长状态；图3为本发明实施例中可伸缩屏蔽单元的第二结构示意图，此时可伸缩屏蔽单元处于最短状态。如图2-3所示，可伸缩屏蔽单元4，具体包括：n个伸缩管；第i个伸缩管可伸缩的套设在第i-1个伸缩管外；其中，i小于或等于n；相邻两个伸缩管之间匹配设置有锁紧装置；闪烁体3设置于第1个伸缩管靠近托卡马克装置1的一端；第n个伸缩管与外接法兰连接；驱动单元通过牵引杆与第1个伸缩管连接。具体的，伸缩管的数量为5个。

图2-3中，b为牵引杆，c1-c5为第1-5个伸缩管，d为可伸缩屏蔽单元所在真空腔内壁，e为反光镜，f为第二凸透镜，h为遮光板,g为牵引杆与电动平移台(驱动单元)连接处的真空壁。

如图2-3所示，c1前端通过两个并列的半月形固定板与b连接，c1与b随着电动平移台一起运动，当b收缩，真空部分变短，闪烁体3向背离托卡马克装置的方向运动，c1进入c2内部，c2进入c3内部，c3进入c4内部，直至c4进入c5内部，c5内部设置有垫片，垫片用于保护设置在收缩管内的镜片，最终可伸缩屏蔽单元变成图3所示状态，探测器的可探测距离从c5到c1+c2+c3+c4+c5连续可变。

图4为本发明实施例中锁紧装置的剖面图；其中，ci和ci-1分别表示第i个伸缩管和第i-1个伸缩管。如图4所示，每一个伸缩管上均设置有卡扣凸槽或凹槽，具体的，第i-1个伸缩管与第i个伸缩管相邻的一端设置有向外径方向凸出的环状凸台，凸台最大直径处与第i个伸缩管的内径相同，第i个伸缩管与第i-1个伸缩管相邻的一端设置有向内径方向凸出的环状凸台，环状凸台的最小直径处与第i-1个伸缩管的外径相同。H表示伸缩管伸缩时第i-1个伸缩管的环状凸台与第i个伸缩管的环状凸台中间的间隙。当可伸缩屏蔽单元伸长时，H不断变小，当H消失时带动下一伸缩管继续伸长。对应的，探测器的探测距离变化导致成像距离发生变化，

成像单元5，具体包括：第一凸透镜和第二凸透镜；第一凸透镜设置于第1个伸缩管远离闪烁体3的一端；第二凸透镜设置于第一凸透镜的输出光路上。

本发明提供的离子束探测器还包括遮光板，遮光板固定在法兰处，遮光板用于遮挡真空腔内壁多次反射的光。

信号传输装置6用于接收并传输像的光学信号；具体的，信号传输装置6为光纤阵列。光纤阵列前后位置根据探测距离变化调节。

图像探测装置7用于捕获并记录光学信号的时空特性。图像探测装置7为超快相机。

此外，本发明提供的离子束探测器还包括暗箱8；信号传输装置6的输出端和图像探测装置7均设置在暗箱8内。

具体的，本发明提供的离子束探测器需要配合加速器系统使用，将离子束注入托卡马克装置1中，计算离子束穿过托卡马克装置1中等离子区域2的后的位置，在该位置安装用于放置探测器的外接管(安装时将可伸缩屏蔽单元4缩至最短，方便安装)，驱动单元将闪烁体送到等离子区域的边缘进行探测，当离子束轰击在闪烁体3上时，闪烁体3发出和离子束数目成正比的中心波长为550nm的可见光。可伸缩屏蔽单元4内的成像单元，将闪烁体3发光成像到外接管外接法兰的玻璃开窗处；在外法兰处安装有光纤阵列(信号传输装置)，玻璃开窗的发光位置对应光纤阵列的发光通道，光纤阵列将成像后的光信号传输到距离托卡马克装置几米之外的暗箱8内，暗箱8中的超快相机对光信号的时空特性进行实时记录。

本发明各管道之间通过机械设计严密贴合在一起，防止托卡马克装置内等离子体的光通过管道间隙进入成像光路。闪烁体发出的光线经过成像单元后传输到法兰的玻璃开窗处，法兰处的遮光片除了遮挡真空腔内壁多次反射的光，还可以固定可伸缩屏蔽单元；此外，本发明非真空部分也做了光屏蔽处理，光纤阵列可以实现无外部光源干扰的光传输，在光纤阵列输出端利用暗箱遮挡实验室背景光(如灯光、腔体玻璃法兰漏光等)。可见，本发明闪烁体发出的光信号从发出到被超快相机记录的传输过程，均利用不透光材料屏蔽，最大限度地遮挡了可造成探测干扰的背景光(包括腔室内部的等离子体发出的光、成像单元和光纤阵列耦合处的真空腔内壁的散射光、实验室内部灯光和装置法兰漏光等)。

实施例二

本实施例与实施例一的不同点在于，本实施例提供的可伸缩屏蔽单元，还包括直角管；直角管的第一端与第n个伸缩管连接；直角管的第二端与外接法兰连接。本实施例中，成像单元具体包括平面镜、第一凸透镜和第二凸透镜；第一凸透镜设置于第1个伸缩管远离闪烁体的一端；平面镜设置于第一凸透镜的输出光路上；平面镜设置于直角管处；第二凸透镜设置于平面镜的输出光路上；平面镜的数量与直角管的数量相等。

图5为本发明实施例中离子束探测器对HL-2A托卡马克装置曝光10秒后的测量结果图；图6为本发明实施例中X射线轰击闪烁体后的测量结果图。如图5-6所示，离子束探测器整体遮光效果良好，全区域无明显光信号。可见本发明能适应托卡马克装置内强背景光、强磁场、高温、高辐射等复杂环境。此外，本发明适用于其他强背景光和成像系统探测实验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。