阅读说明：本技术 一种中性粒子分析器及分析电磁场和探测面的布置方法 (Neutral particle analyzer and arrangement method for analyzing electromagnetic field and detection surface ) 是由 臧临阁 屈玉凡 于 2020-06-28 设计创作，主要内容包括：本发明属于高温等离子体诊断技术,具体涉及一种中性粒子分析器及分析电磁场和探测面的布置方法,设计直角倒梯形磁场区、倒梯形电场区,电场区倒梯形斜边与磁场区的直角倒梯形斜边平行,之间形成绝缘区,电场区外设置探测面,设计探测面与电场区之间的自由飞行区,根据其与飞行单元的磁场区和电场区尺寸关系确定需满足l<Sub>1</Sub>(l<Sub>1</Sub>+2l<Sub>2</Sub>)/p<Sup>2</Sup>＝c,确定探侧面位置,H<Sup>+</Sup>和D<Sup>+</Sup>分别经磁场和电场分别完成在垂直于磁场方向和平行于电场方向上的偏转后,在探测面上,行与行之间,即H<Sup>+</Sup>与D<Sup>+</Sup>之间实现对不同质量粒子的分辨,同一行上的不同列与列之间实现不同能量粒子分辨。本方法能够使NPA兼具能量分辨和质量分辨的能力。(The invention belongs to the high-temperature plasma diagnosis technology, and particularly relates to a neutral particle analyzer and an arrangement method for analyzing an electromagnetic field and detecting surfaces 1 (l 1 +2l 2 )/p 2 C, determining the position of the probing side, H + And D + After the deflection in the direction perpendicular to the magnetic field and the deflection in the direction parallel to the electric field are completed separately by the magnetic field and the electric field, the deflection is completed on the detection surface between lines, namely H + And D + To realize the resolution of different mass particles, and to realize the resolution of different energy particles between different columns on the same row. The method can enable the NPA to have the capability of energy resolution and mass resolution.)

一种中性粒子分析器及分析电磁场和探测面的布置方法

技术领域

本发明属于高温等离子体诊断技术，具体涉及一种中性粒子分析器及分析电磁场和探测面的布置方法。

背景技术

中性粒子分析器(NPA)主要部件一般包括剥离单元、分析单元和探测单元三部分。被测量的中性粒子经过剥离单元时，外侧电子被剥离而成为离子，进入分析单元；在分析单元利用电场和/或磁场按照能量和/或动量对离子进行偏转，打到后端二维探测面的不同位置，从而实现能量和/或质量的分析；探测单元是由对电荷敏感的探测器组成的二维阵列面。为了使粒子顺利通行，整个系统放置在高真空环境中。

在聚变研究领域，NPA是快离子物理分析、氚氘燃料离子密度比(简称燃料比)测量的关键诊断工具。燃料比将是未来聚变堆上装置保护和基本等离子体控制的一个关键参数。要同时实现快离子物理分析和燃料比测量，就需要发展兼具能量分辨和质量分辨的中性粒子分析器。

发明内容

本发明的目的是提供一种中性粒子分析器及分析电磁场和探测面的布置方法，能够使NPA兼具能量分辨和质量分辨的能力。

本发明的技术方案如下：

一种中性粒子分析器，包括磁场区、电场区和自由飞行区；

所述的磁场区为直角倒梯形，直角梯形长边位于一侧，离子入射方向垂直磁力线方向；

所述的电场区为倒梯形；所述的电场区倒梯形斜边与磁场区的直角倒梯形斜边平行，两者之间具有间隙，形成绝缘区；

所述的电场区的外侧设置探测面；

所述的探测面位于电场区上下两边延长线之间；

电场区的边缘、电场区上下两边的延长线、探测面所包围的区域形成自由飞行区；

将磁场区、电场区、绝缘区和探测面均置于真空环境下。

所述的磁场区和电场区分别为磁铁和静电极板，磁铁为直角倒梯形，静电极板为倒梯形，两个梯形斜边平行。

所述的直角倒梯形长边20cm，短边7cm，高度30cm；所述的倒梯形的长边10cm，短边2cm，高度30cm；所述的电场区倒梯形斜边与磁场区的直角倒梯形斜边平行，两边相隔1cm；所述的自由飞行区为倒梯形，长边为19.2cm，短边为8cm。

所述的磁铁和静电极板通过同一平面壁进行支撑固定。

一种中性粒子分析器分析电磁场和探测面的布置方法，包括如下步骤：

1)设计磁场区

磁场区为直角倒梯形，直角梯形长边位于一侧，离子入射方向垂直磁力线方向；

2)设计电场区

电场区采用倒梯形设计

3)磁场区和电场区之间形成绝缘区

电场区倒梯形斜边与磁场区的直角倒梯形斜边平行

4)电场区的外侧设置探测面，电场区的边缘、电场区上下两边的延长线、探测面所包围的区域形成自由飞行区；

将磁场区、电场区、绝缘区和探测面均置于真空环境下；

自由飞行区的尺寸形状根据与飞行单元的磁场区和电场区尺寸关系确定需满足l₁(l₁+2l₂)/p²＝c

其中，l₁为离子在垂直于磁场方向上在电场区的飞行轨迹长度；l₂为同一动量的离子在垂直于磁场方向上，在自由飞行区中的飞行轨迹长度，p为离子动量，c为分析器本身所决定的常数；

5)确定自由飞行区的边界，即探测面的位置；

5.1)确定E＝80keV的D⁺离子在垂直于磁场方向上在电场区的飞行轨迹长度l₁、同一动量的离子在垂直于磁场方向上，在自由飞行区中的飞行轨迹长度l₂、飞行轨迹在自由飞行区边界交点D的坐标和常数c；

5.2)确定E＝20keV的D⁺飞行轨迹中与磁场区、电场区、自由飞行区边界的交点A′、B′、C′，根据确定的常数c，求出其在自由飞行区中的飞行轨迹长度l₂′，由此得出E＝20keV的D⁺飞行轨迹在自由飞行区边界交点D′坐标；

5.3)根据求得的D、D′坐标，得出自由飞行区边界的方程，由此得到自由飞行区上下宽度，根据此宽度，将探测面布置于自由飞行区的边界。

所述步骤5.1)具体为

首先以磁场区直角梯形短边直角点为原点，以两个直角边为坐标的横轴纵轴，建立坐标系；

确定E＝80keV的D⁺离子偏转轨道半径，入射点距离所建坐标系原点2cm，垂直磁场方向入射；

根据磁场区直角梯形斜边在所建坐标系中的方程，得到磁场偏转轨迹与斜边的交点A的坐标；

根据偏转轨道的圆心与A点确定的直线斜率，得到切向飞行轨迹的斜率，由于已知点A坐标，由此可以得到自由飞行轨迹在平面上的直线AD的方程；

根据直线AD的方程与E＝80keV的D⁺离子进入、飞出电场区的进入边、飞出边直线的方程，得到交点B、C的坐标，再确定BC长度，即l₁；

假设l₂为已知数值，得到E＝80keV的D⁺飞行轨迹在自由飞行区边界交点D的坐标，由步骤4)中的公式，得到常数c；

再重复上述步骤求出E＝20keV的D⁺飞行轨迹中与磁场区、电场区、自由飞行区边界的交点A′、B′、C′，根据确定的常数c，求出l₂′，由此得出E＝20keV的D⁺在自由飞行区边界点D′坐标；

根据D、D′坐标，得出自由飞行区边界的方程，由此得到自由飞行区上下宽度，根据此宽度，将探测面布置于自由飞行区的边界。

所述的磁场区和电场区分别为磁铁和静电极板，所述的磁铁为直角倒梯形，静电极板为倒梯形，两者通过同一平面壁进行支撑。

所述的直角倒梯形长边20cm，短边7cm，高度30cm；所述的倒梯形的长边10cm，短边2cm，高度30cm，电场区倒梯形斜边与磁场区的直角倒梯形斜边平行，两边相隔1cm。

所述的l₂＝15cm。

所述的电场区电场强度为5kV/厘米，电场区厚度为1.5厘米。

所述的磁场区磁极为平面结构，气隙为4毫米，平均磁场为0.5特斯拉。

所述的自由飞行区为倒梯形，长边为19.2厘米，短边为8厘米。

将H⁺和D⁺分别经上述的磁场区和电场区，分别完成在垂直于磁场方向和平行于电场方向上的偏转，在探测器阵列表面形成已经过质量、能量分析的轰击点结果；在探测面上，行与行之间，即H⁺与D⁺之间实现对不同质量粒子的分辨，同一行上的不同列与列之间实现不同能量粒子分辨。

本发明的显著效果如下：中性粒子经入NPA后，经过剥离单元，外层电子被剥离成为离子进入分析单元，离子沿着离子飞行轨迹经磁场区在入射平面方向上根据离子的不同动量进行偏转；经过空白绝缘区之后，飞入电场区。在电场区的电场作用下，根据离子的不同能量进行偏转。由电场区飞出的离子进入自由飞行区飞行一定距离后轰击到探测面上的探测器阵列，在探测器阵列表面形成已经过质量、能量分析的轰击点结果。通过H⁺、D⁺在探测器阵列的轰击点模拟，结合离子轨迹在磁场区的偏转半径由离子动量和磁场强度决定这样的科学认定，在电场区的轨迹由离子能量决定，可以模拟能量范围在20-200keV的H⁺和D⁺在探测面上的轰击点分布图，本方法能够使不同能量的同一种离子的轰击点基本在同一直线上，以利于探测器阵列的排列，得到分析单元的最优化布置方法。H⁺和D⁺分别经磁场和电场分别完成在垂直于磁场方向和平行于电场方向上的偏转后，在探测面上，行与行之间，即H⁺与D⁺(探测面视图)之间实现对不同质量粒子的分辨，同一行上的不同列与列之间实现不同能量粒子分辨。

附图说明

图1为电磁场和探测面的俯视图；

图2为电磁场和探测面的侧视图；

图3为电磁场和探测面布置中H⁺和D⁺轨迹模拟鸟视图；

图4为电磁场和探测面布置中H⁺和D⁺轨迹模拟探测面视图；

图5为计算自由飞行区形状特征的示意图；

图中：1磁场区，2电场区，3自由飞行区，4探测面，5空白绝缘区，6离子飞行轨迹，7离子轰击点。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

NPA分析电磁场和阵列面的布置方法需要兼具能量分辨和质量分辨两种功能，为此将布置磁场区1、电场区2和自由飞行区3三部分。

被测量的中性粒子在磁场区1根据离子不同的动量进行偏转，在电场区2垂直方向上根据离子不同的能量偏转，由此布置顺序完成对离子的能量、质量同时分辨。磁场区1和电场区2串联布置，磁场区1和电场区2之间留有空白绝缘区3，宽度1cm，电场区2的外侧设置探测面4，电场区2与探测面4之间形成自由飞行区3。

如图1～图4所示，具体步骤如下：

1)设计磁场区1

磁场区1为直角倒梯形，直角倒梯形长边20cm，短边7cm，高度30cm，磁力线为垂直方向；

2)设计电场区2

电场区2采用倒梯形设计，倒梯形的长边10cm，短边2cm，高度30cm；

3)磁场区1和电场区2串联布置，两者之间形成绝缘区5；

电场区2倒梯形斜边与磁场区1的直角倒梯形斜边平行，两边相隔1cm即电场区2与磁场区1间隔1cm布置，间隔部分为绝缘区5，宽度1cm；

在装置设计时，可以将形成磁场区1和电场区2的磁铁和静电极板通过同一平面壁进行支撑；磁铁为直角倒梯形，静电极板为倒梯形，两个梯形斜边平行。

4)电场区2的外侧设置探测面4，电场区2的边缘、电场区2上下两边的延长线、探测面4所包围的区域形成自由飞行区3；

磁场区1、电场区2、空白绝缘区5和探测面4均置于真空环境下；

由于电场区2为倒梯形设计，因此自由飞行区3为倒梯形，其倒梯形一侧斜边与电场区2的一侧斜边重合，自由飞行区3的尺寸形状根据与飞行单元的磁场区1和电场区2尺寸关系确定；

需满足的关系为：l₁(l₁+2l₂)/p²＝c

其中，l₁为离子在垂直于磁场方向上在电场区2的飞行轨迹长度；l₂为同一动量的离子在垂直于磁场方向上，在自由飞行区3中的飞行轨迹长度，如图1所示，p为离子动量，c为分析器本身所决定的常数。

5)确定自由飞行区3的边界，即探测面4的位置

5.1)确定E＝80keV的D⁺离子在垂直于磁场方向上在电场区2的飞行轨迹长度l₁、同一动量的离子在垂直于磁场方向上，在自由飞行区3中的飞行轨迹长度l₂、飞行轨迹在自由飞行区3边界交点D的坐标和常数c；

5.2)确定E＝20keV的D⁺飞行轨迹中与各区域(磁场区1、电场区2、自由飞行区3)边界的交点A′、B′、C′，根据确定的常数c，求出其在自由飞行区3中的飞行轨迹长度l₂′，由此得出E＝20keV的D⁺飞行轨迹在自由飞行区边界交点D′坐标；

5.3)根据求得的D、D′坐标，得出自由飞行区3边界的方程，由此得到自由飞行区上下宽度，根据此宽度，将探测面4布置于自由飞行区的边界。

在步骤5)中的具体做法如下：

首先在俯视图方向上，建立如图5所示的坐标系。

该坐标系以磁场区1直角点为原点，以两个直角边为坐标的横轴纵轴。

a)由已知磁场(强度为0.5T)、入射粒子动量、电荷，得到E＝80keV的D⁺离子偏转轨道半径，入射点距离所建坐标系原点2cm，垂直磁场方向入射；

b)根据磁场区1直角梯形斜边在所建坐标系中的方程，得到磁场偏转轨迹与斜边的交点A的坐标；

c)根据上述偏转轨道的圆心与A点确定的直线斜率，得到切向飞行轨迹(飞出磁场区后的飞行轨迹)的斜率，由于已知点A坐标，由此可以得到自由飞行轨迹在平面上的直线AD的方程；

d)由直线AD的方程与离子进入、飞出电场区2的进入边、飞出边直线的方程，得到交点B、C的坐标，再确定BC长度，即l₁；

e)假设l₂＝15cm，可以得到E＝80keV的D⁺飞行轨迹在自由飞行区3边界交点D的坐标，由上述步骤4)中的公式，得到常数C；

f)由上述同样的方法，分别求出E＝20keV的D⁺飞行轨迹中与各区域(磁场区1、电场区2、自由飞行区3)边界的交点A′、B′、C′，根据确定的常数c，求出l₂′，由此得出E＝20keV的D⁺在自由飞行区边界点D′坐标；

根据求得的D、D′坐标，得出自由飞行区边界的方程，由此得到自由飞行区上下宽度，根据此宽度，将探测面布置于自由飞行区的边界。

所述电场区2由一对静电极板外加高压来实现，采用图1所示的倒梯形设计。其长边为10厘米，短边为2厘米，与磁场区1串联。磁场区1与电场区2通过一平面壁进行支撑。电场强度为5kV/厘米，电场区厚度为1.5厘米。

所述自由飞行区3采用图1所示的倒梯形设计。所述的自由飞行区其长边为19.2厘米，短边为8厘米(由上述形状计算方法确定，以E＝80keV的D⁺在自由飞行区的飞行距离l₂为15cm确定)。

采用图1所示的磁场区和电场区，近似满足上述的公式。由图4模拟结果可知，不同种类的离子轰击点已完全分开，同一种离子的轰击点基本在同一直线上，可满足探测器的排布需求。

如图3所示，H⁺、D⁺在探测器阵列的轰击点模拟结果见图3所示。离子轨迹6在磁场区1的偏转半径由离子动量和磁场强度决定，在电场区2的轨迹由离子能量决定。

图4为能量范围在20-200keV的H⁺和D⁺在探测面上的轰击点7分布图，轰击点7分为上下两行，上面一行为H⁺的轰击点，下面一行为D⁺的轰击点，此即为质量分辨；每行的轰击点从左到右，离子能量分别为20keV至200keV，此即为能量分辨，间隔20keV。