[发明专利]一种研究中性粒子对壁材料入射角度分布的辐照样品架

说明书

本发明公开了一种研究中性粒子对壁材料入射角度分布的辐照样品架，包括底座、固定压板、套筒和挡板。底座与固定压板均呈圆柱形，底座用于整个辐照样品架与托卡马克装置中样品板的固定；固定压板开有台阶圆孔，用于嵌装样品；套筒呈圆环形，可保护样品不受带电粒子的轰击；挡板上开有圆环形狭缝，狭缝半径、宽度与挡板到样品距离的比值决定了可以到达样品表面的中性粒子的入射角度范围，可以通过改变圆环形狭缝的半径使样品接受不同入射角度的中性粒子的辐照。本发明能够排除托卡马克装置中带电粒子对样品的影响，结合RBS分析方法精确获得不同入射角度的中性粒子对样品的腐蚀速率，深入研究中性粒子在壁材料表面入射角度分布规律。

技术领域

本发明属于磁约束核聚变领域，具体涉及一种研究中性粒子对壁材料入射角度分布的辐照样品架。

背景技术

磁约束托卡马克是目前最有可能实现可控核聚变的途径，而面向等离子体材料(PFMs)的腐蚀是需要解决的关键科学问题之一。一方面，PFMs的腐蚀会影响材料的使用寿命，另一方面，被腐蚀的材料粒子会进入等离子体，影响聚变等离子体的品质，严重时将导致等离子体熄灭。此外，被腐蚀的材料粒子还可能沉积回PFMs，与燃料粒子形成共沉积层，造成燃料滞留，威胁装置安全。

托卡马克装置中PFMs的腐蚀主要来自于高能量、高通量粒子流的轰击。除了通常考虑的沿着磁力线到达PFMs的带电粒子外，由电荷复合、交换产生的中性粒子造成的腐蚀也需考虑。特别是PFMs上不与磁力线接触的磁阴影区域，带电粒子无法到达，而中性粒子却可以不受磁场约束轰击到PFMs上并造成腐蚀。目前对中性粒子造成的PFMs腐蚀的研究较少，现有的研究方法主要有模拟和实验两种。模拟上，利用EIRENE等中性粒子模拟程序，结合等离子体的温度剖面、密度剖面等参数，可以计算得到中性粒子在PFMs上的沉积分布，包括能量、通量和入射角度。德国ASDEX-Upgrade装置的研究人员发现不同角度的中性粒子通量的差别最大可以达到3个数量级，但其结论的正确性需要物理实验来验证。实验上，目前在EAST上结合样品辐照实验、卢瑟福背散射分析法(RBS)以及低能中性粒子诊断(LENPA)可以准确获得中性粒子对PFMs的腐蚀速率以及样品辐照期间垂直入射中性粒子的能量和通量，但受限于LENPA诊断的原理与托卡马克装置有限的诊断窗口，很难通过调整诊断位置来获得不同角度的中性粒子入射通量。在进行PFMs腐蚀速率的计算时，通常把入射角度分布假定为余弦或者各向同性分布，但它们的正确性存疑。因此亟需设计一种可用于研究中性粒子在PFMs表面入射角度分布的辐照样品架，通过样品辐照实验结合事后分析的方式，获得不同入射角度的中性粒子对PFMs的腐蚀速率，结合程序模拟，深入研究中性粒子在PFMs表面的入射角度分布规律。

发明内容

针对目前托卡马克装置中，中性粒子在PFMs表面入射角度分布不清楚的问题，本发明提供一种研究中性粒子对壁材料入射角度分布的辐照样品架。

本发明采用的技术方案是：

一种研究中性粒子对壁材料入射角度分布的辐照样品架，包括底座、固定压板、套筒和挡板；其中，所述底座上表面及侧面共开有3组螺纹孔，分别用于与聚变装置中的样品板、固定压板以及套筒的螺栓连接；所述固定压板中心开有与样品尺寸匹配的台阶圆孔，用来嵌装样品；所述挡板上开有圆环形狭缝，结合所述套筒用于屏蔽几乎全部的带电粒子以及绝大多数的中性粒子对样品的入射，仅使具有特定入射角度的中性粒子到达所述样品的表面。

进一步地，所述固定压板、套筒和挡板的材料为高原子序数材料。

进一步地，所述高原子序数材料为钼或钨。

进一步地，所述样品包括衬底与涂层，所述涂层的材料为需要在托卡马克装置内进行中性粒子腐蚀实验的材料。

进一步地，所述进行中性粒子腐蚀实验的材料为铍、铝、钼或钨。

进一步地，所述圆环形狭缝的半径、宽度与挡板到样品表面的距离决定入射到样品表面的中性粒子的入射角度范围，通过调换带有不同半径的圆环形狭缝的挡板改变入射所述样品的中性粒子角度。