用于磁约束核聚变等离子体高能离子测量的三维入射窗的制作方法

本实用新型属于核测量技术领域，具体涉及一种磁约束核聚变等离子体高能离子测量的三维入射窗机构。

背景技术：

在磁约束核聚变等离子体实验中，高能离子的约束性能与等离子体的品质密切相关，因此高能离子测量数据是高能粒子实验关键参数之一。

高能离子损失探针系统是一种新型的高能离子诊断手段，它能够同时测量高能离子的能量和俯仰角随时间的演化，其独特的有点使它得到了广泛的关注。高能离子损失探针系统采用质谱仪的原理获得高能离子的图像，进而分析等离子体的约束品质特征。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种用于磁约束核聚变等离子体高能离子测量的三维入射窗，其能够针控制磁约束核聚变等离子体实验中的高能离子能量范围和俯仰角范围，满足实验要求。

本实用新型的技术方案如下：

一种用于磁约束核聚变等离子体高能离子测量的三维入射窗，包括石墨保护结构、设于石墨保护结构内的不锈钢框架和不锈钢盒，以及位于不锈钢盒内的闪烁体屏，所述的石墨保护结构设有准直开口，在石墨保护结构准直开口的下方设有不锈钢准直器。

所述的石墨保护结构下方设有空腔壳体，空腔壳体与不锈钢准直器接触的一面加工有梯形开口，梯形的上、下平行边的位置形成开口缝隙，即分别为后入射缝和前入射缝，所述的准直开口由后入射缝和前入射缝组成。

所述的后入射缝或前入射缝宽度为1.8～2.2mm。

所述的梯形开口的梯形高度为0.5～1.0mm。

所述的石墨保护结构包括石墨保护盒和石墨保护盒盖。

所述的石墨保护盒与基座固定连接。

本实用新型的显著效果如下：利用磁约束核聚变等离子体能量越大的离子的回旋半径越大，俯仰角越大的离子的螺间距越小这一原理。缝隙的效果，通过对三维入射窗尺寸和结构设计，可精确控制入射高能离子的能量范围和俯仰角范围，同时又可阻止X射线的入射。

附图说明

图1为用于磁约束核聚变等离子体高能离子测量的三维入射窗示意图；

图2a为入射缝隙示意图；

图2b为图2a的侧视图；

图中：1.基座；2.石墨保护盒；3.不锈钢框架；4.固定螺钉；5.闪烁体屏；6.不锈钢盒；7.石墨保护盒盖；8.不锈钢准直器；9.后入射缝；10.空腔壳体；11.前入射缝。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本实用新型作进一步说明。

在磁约束核聚变等离子体内，高能离子沿着磁力线做螺旋运动，其粒子轨道为螺旋前进。回旋半径与离子的能量成正比，螺间距与离子的俯仰角成反比，也即：能量越大的离子的回旋半径越大，俯仰角越大的离子的螺间距越小。根据磁约束核聚变等离子体内高能离子运动的这一特性，我们设计了三维入射窗结构。

如图1所示，该结构包括基座1、石墨保护盒2、不锈钢框架3、闪烁体屏5、不锈钢盒6、石墨保护盒盖7和不锈钢准直器8。

石墨保护结构包括石墨保护盒2和石墨保护盒盖7两部分，其中石墨保护盒2与基座1固定连接。如图2所示，石墨保护结构设有准直开口，即入射缝隙，位于下端。

在石墨保护盒2内部安装不锈钢框架3，在石墨保护盒盖7内表面贴合的安装不锈钢盒6，在不锈钢盒6内表面安装闪烁体屏5。

不锈钢准直器8安装在位于石墨保护结构准直开口的下方，空腔壳体10安装在石墨保护盒2下方，空腔壳体10与不锈钢准直器8接触的一面加工有梯形开口(如图2a和图2b所示)，梯形的上、下平行边的位置形成开口缝隙，即分别为后入射缝9和前入射缝11，接触面的厚度即为缝隙宽度。

螺旋运动的高能离子首先通过入射缝前入口，接着通过准直器，最后通过后入射缝轰击闪烁体屏。三维入射窗机构设计的关键之处在于入射缝和准直器的尺寸：

准直器的尺寸决定了高能离子测量系统的能量测量范围；

入射缝的设计角度决定了高能离子测量系统的俯仰角测量范围；入射缝的高度决定了高能离子测量系统的能量分辨率；

入射缝的宽度决定了高能离子测量系统的俯仰角分辨率。

闪烁体屏的尺寸决定了所探测高能离子的能量测量范围：高能离子在磁约束等离子体内的回旋半径R＝mv/Bq，式中m是高能离子质量，v是高能离子运动速度，B是磁场强度，q是高能离子电荷。从式中可以看到，高能离子的速度越高其回旋半径就越大，对其进行测量所需的闪烁体屏尺寸就越大。因此，闪烁体屏的尺寸决定了所探测高能离子的能量测量范围。

入射缝的高度决定了测量结果的能量分辨率：从入射缝上边沿和下边沿入射轰击闪烁体屏上同一点时，测量结果并不能区分出这两个高能离子的能量，也即，测量认为这两个离子能量相同。但是，这两个离子的真实能量并不相同，因为这两个离子的回旋半径不一样，导致这些的原因就是入射缝具有一定的高度。为了使得测量结果具有较高的能量分辨率，入射缝的高度(即梯形的高度)被设置为0.5～1.0mm，优选为0.8mm。

入射缝的宽度决定了高能离子测量系统的俯仰角分辨率：与能量分辨率同理，从入射缝左边沿和右边沿入射轰击闪烁体屏上同一点时，测量结果认为这两个高能离子的俯仰角相同，这与真实俯仰角不一致，导致这一结果的原因是入射缝具有一定的宽度。为了使得测量结果具有较高的俯仰角分辨率，入射缝(前入射缝或者后入射缝)的宽度被设置为1.8～2.2mm，优选2.0mm。