[发明专利]一种用于托卡马克装置上的低能中性粒子分析仪的双探测器结构

说明书

本发明提供一种用于托卡马克装置上的低能中性粒子分析仪的双探测器结构，包括电子倍增管A和前级靶A、电子倍增管B和前级靶B以及一个脉冲高压电源。两个前级靶在飞行管道轴线上下方前后放置，并与飞行管道轴线成一定夹角，经定狭缝在等离子体表面投影形成不同极向观测区域，对应电子倍增管的轴线与飞行管道轴线垂直且经过前级靶中心。通过脉冲高压电源给前级靶加载脉冲负高压，在开门时间内输出电压为0，关门时间内输出比电子倍增管第一极低400V～450V的负高压。本发明可提高诊断极向空间分辨能力，增大能量测量范围的上限，并提高eV量级中性粒子信噪比。

技术领域

本发明属于高温等离子体诊断技术领域，具体涉及一种用于托卡马克装置上的低能中性粒子分析仪(Low Energy Neutral Particle Analyzer,LENPA)的双探测器结构。

背景技术

在托卡马克装置中最常见的用于诊断中性粒子的设备是中性粒子分析仪，适用于测量能量在keV量级的粒子，而等离子体边界区域产生的中性粒子能量一般没有这么高，因此需要采用基于飞行时间的LENPA，可以准确测量能量低于300eV的中性粒子，飞行时间分析法的基本原理是测量粒子在给定距离里的飞行时间，从而获得粒子的飞行速度、能量及其分布。LENPA的主要结构包括一套斩波器系统(电机、带有极小狭缝的转盘)，飞行管道，探测器以及数据采集系统，真空泵组及真空检测系统，高压电源及控制系统等。首先，从托卡马克装置中出射的中性粒子被斩波器变成脉宽1～2μs左右的脉冲，飞行一定距离后，被探测器接收，变成倍增的电流信号，再经过前置放大器转变为电压信号，最后被高速采集设备收集并获得入射粒子的通量。分别记录中性粒子通过斩波器转盘和到达探测器的时刻即得到飞行时间；再结合固定的飞行距离可获得入射粒子的速度、能量及其分布。

目前世界上在运行的主流核聚变实验装置上，LENPA的探测器部分使用单个电子倍增管直接面对等离子体接受中性粒子入射，如EAST、IFRC等。这种探测器结构带来的好处是简单可靠，但是缺点也很多。第一，光子入射带来的干扰没有被缓解，电子倍增管可能饱和，导致无法探测飞行时间短的能量较高的中性粒子，限制对中性粒子能量测量上限；第二，类似小孔成像原理，电子倍增管入射窗口通过狭缝在等离子体上的投影区域即为LENPA的观测区域，单个电子倍增管测得的中性粒子能谱是观测区域内的平均值，无法同时得到不同极向位置的中性粒子能谱，空间分辨能力较差；第三，对于一些能量在eV量级的中性粒子，其信号水平很低，很容易跟背景噪声混杂，无法分辨。因此需要一种可以同时解决上述问题的新探测器结构。

发明内容

本发明技术解决的问题：是针对现有的LENPA探测器结构的不足即难以缓解光子入射的干扰，面临探测器饱和带来的能量测量范围上限低的问题，不能同时测量不同极向位置中性粒子能谱，空间分辨能力低的问题，能量在eV量级的中性粒子信噪比低的问题，设计一种可以同时解决以上问题的新探测器结构，提高对托卡马克装置低能中性粒子的能量测量区间、空间分辨能力以及信噪比。

本发明采用的技术方案是：

一种用于托卡马克装置上的低能中性粒子分析仪的双探测器结构，包括两套探测器和一个脉冲高压电源，两套探测器均由一个电子倍增管和一个前级靶组成，分别是电子倍增管A、前级靶A和电子倍增管B、前级靶B，沿飞行管道轴线依次放置；所述电子倍增管A、电子倍增管B分别通过绝缘片与各自的高压电极连接，再与探测器所在真空室外的高压电源连通，前级靶A、前级靶B还通过高压电极连接到探测器所在真空室外的脉冲高压电源；电子倍增管A、电子倍增管B与对应的前级靶A、前级靶B紧密配合，前级靶A、前级靶B分别位于飞行管道上、下方，且与飞行管道的轴线成一定夹角，电子倍增管A、电子倍增管B的轴线与飞行管道轴线垂直并分别经过前级靶A、前级靶B的中心。

进一步的，所述前级靶A、前级靶B与飞行管道的夹角为70°～80°，以有效减少经前级靶A、前级靶B反射进入电子倍增管A、电子倍增管B入射窗口的中性粒子数。

进一步的，前级靶A、前级靶B均由二次电子发射系数较高的材料制成。