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本研究由许佳、张洁、韩玉箫、唐昌建、张轶泼共同完成。许佳、唐昌建来自四川大学物理学院，张洁、韩玉箫、张轶泼来自核工业西南物理研究院（SWIP）。该研究发表于《辐射防护》（radiation protection）第44卷第5期，2024年9月出版。
约束良好的快离子是磁约束核聚变点火聚变堆的必要条件。大量快离子的反常损失可导致等离子体约束品质下降，甚至使聚变堆无法维持自持运行；强烈或局域的快离子损失还可能轰击并损坏面向等离子体的装置部件，造成杂质污染。因此，快离子损失行为是聚变研究的关键问题。快离子损失探测器（fast ion loss detector，FILD）能够同时测量快离子的损失率、能量和螺距角（pitch angle），是监测和研究快离子损失现象的重要手段之一。
FILD的工作原理类似于磁谱仪：损失快离子在装置环向磁场作用下做拉莫尔回旋运动，某些具有特定回旋半径和螺距角的快离子通过准直器后打击到闪烁屏上使其发光，通过收集发光位置和荧光强度即可获得快离子损失信息。回旋半径r=mv/Bq本质上是离子能量的度量；螺距角定义为θ=arccos(v∥/v)，表示速度与磁场方向之间的夹角。目前FILD已在JET、DⅢ-D、ASDEX Upgrade、EAST、LHD、TFTR、KSTAR等多个装置上推广使用。
“中国环流三号”（HL-3）是核工业西南物理研究院设计和建造的核聚变大科学装置，其大半径1.78 m，小半径0.65 m，等离子体电流2.5 MA（最高3.0 MA），环向磁场2.2 T（最高3.0 T）。本研究的目标是在HL-3装置上设计和研制一套基于掺银硫化锌（ZnS(Ag)）闪烁屏的FILD系统，并开展实验研究验证其性能。
本研究分为四个主要步骤：探头安装位置确定、准直器尺寸设计、闪烁屏尺寸确定以及最终实验验证。
第一步，探头安装位置确定。 快离子在磁场中的运动服从洛伦兹力方程。研究团队采用自开发的程序模拟快离子运动轨迹，该程序使用Runge-Kutta数值解法求解快离子运动方程，磁场数据来源于EFIT程序平衡计算所得的GFILE（g eqdsk）文件。模拟条件为：HL-3装置正常工作状态，磁轴处磁场约2.2 T，边缘磁场约1.6 T，离子的初始位置为0.95a（小半径的95%），模拟80 keV氘离子在初始螺距角分别为30°、60°、90°、120°和150°时的运动轨道。模拟结果表明，随着初始螺距角增加，氘离子更倾向于在中间平面损失，即在中间平面损失的快离子最多，探测效率最高。因此，探头安装位置确定在等离子体最外闭合磁面外的中间平面上。
第二步，准直器设计。 HL-3装置中除快离子外还存在软X射线、杂质离子等其他粒子，这些粒子轰击闪烁体时会产生噪声信号，需通过准直器尽量去除。准直器设计涉及多个几何参数：入射孔宽度、出射孔宽度、出入射孔间距、准直孔高度及真空空腔高度。研究团队通过MATLAB模拟不同尺寸参数下快离子在闪烁体上的横向轰击点位范围来确定最优尺寸。
模拟结果显示：准直孔高度和空腔高度对离子轨道半径具有筛选作用，轨道半径范围随两者的增大逐渐增大，达到8.2 mm后不再变化；准直孔越窄，对轨道半径的筛选能力越强；准直器总高度同样具有筛选作用，低于8.2 mm时可探测最小半径随总高度减小而减小，高于8.2 mm后探测范围不再变化。为使探测器具有较大的轨道半径探测范围，准直器总高度设计为10 mm。在总高度固定后，进一步模拟不同准直孔高度下的位置响应，发现随着准直孔高度增加，闪烁屏上的位置范围增大、半高宽逐渐增加、位置分辨率降低，但探测到的粒子总数增加、探测效率增高。权衡后选取准直孔高度为0.8 mm，此时能对10 mm、20 mm、30 mm三种不同轨道半径完全分辨。出入射孔间距方面，间距大于14 mm时准直器对轨道半径具有较强的筛选作用，间距小于14 mm时可探测轨道半径范围趋近于约12 mm的定值，为获得较大探测范围并结合外形尺寸限制，选取出入射孔间距为8 mm。出射孔横向开口宽度方面，螺距角随着出射孔横向开口宽度减小而不断减小，结合外形尺寸限制选取出射孔横向开口宽度为45.2 mm，入射孔宽度选为2 mm。最终准直器参数为：总高度10 mm，出入射孔间距8 mm，入射孔宽度2 mm，出射孔宽度45.2 mm，准直孔高度0.8 mm，闪烁屏位于出射孔下5 mm处。根据该尺寸计算出准直器在不同螺距角和不同回旋半径下的分辨率：随着回旋半径增加能量分辨率变差，表明准直器对更高能量离子的准直效果变弱；不同螺距角下准直器的相对分辨率分别为16.8%、16.3%和16.2%，基本保持稳定。
第三步，闪烁屏设计。 在材料选取方面，研究团队比较了塑闪、液闪、NaI(Tl)、ZnS(Ag)、CsI(Tl)、YAG(Ce)、GAGG、BGO等多种发光晶体材料的一般特性，包括密度、峰值波长、发光衰减时间和是否潮解等参数。ZnS(Ag)晶体温升效应不显著且对γ等本底粒子不敏感，符合HL-3装置测量需求，最终选定ZnS(Ag)作为闪烁屏材料。在尺寸确定方面，模拟不同磁场强度、入射角、能量下快离子在闪烁体上的横纵宽度。纵向尺寸模拟显示，氘离子入射能量和入射角越大、磁场强度越小，所能到达的闪烁屏纵向距离越远；垂直入射（90°）时距离最远约24 mm。横向尺寸模拟显示，入射能量越大、磁场强度或入射角度越小，横向距离越远；极端条件下（1 T磁场，入射角20°~80°）横向距离可达30 mm，闪烁屏总横向长度应为此长度的2倍。最终确定ZnS(Ag)闪烁体尺寸为23 mm×58 mm。
第四步，实验验证。 将研制好的FILD安装在HL-3装置赤道平面的13号窗口进行实验。实验时NBI实际注入值为60 keV。采用Phantom V711-32GB型号的CCD相机作为光信号采集装置，分辨率为1280×800像素，帧速率最高可达7500 fps，像素约20 μm×20 μm。
实验中，FILD在HL-3装置第5573炮等离子体NBI注入期间成功测量到了快离子损失信号。NBI在1500 ms至2000 ms内注入，注入功率约1.1 MW；等离子体电流平顶段约300 kA；纵场磁感应强度在NBI期间约为1.27 T。快离子损失信号显示，仅当有高功率NBI注入时等离子体才会产生大量的损失快离子。原因在于NBI粒子全能量约60 keV，这些粒子注入等离子体后发生电离并被约束，形成大量快离子（束离子），部分束离子通过第一轨道损失等效应在极短时间内（远小于1 ms）损失出等离子体而被FILD探测到。尽管中性束功率变化不大，但快离子损失探测系统的测量值有明显变化，这提示NBI期间等离子体中可能激发了磁流体（MHD）不稳定性或其他等离子体参数变化。
磁探针的频谱信号证实等离子体中激发了环向阿尔芬本征模（toroidal Alfvén eigenmodes，TAE），其频率约180 kHz，起始于约1550 ms。结合FILD测量结果分析：在TAE激发前，测量到的损失快离子信号逐渐减弱，说明等离子体对快离子的约束性能增强；在TAE激发后，损失快离子信号又逐渐增强，说明TAE降低了等离子体对快离子的约束性能，导致更多快离子损失。这一观测直接证明了FILD能够成功监测TAE诱发的快离子损失。
在能量-螺距角分布方面，损失快离子的能量主要为60 keV（与NBI全能量注入值一致），同时具有明显的低能量成分（约25 keV），这是因为中性束粒子包含全能量E、E/2和E/3三种能量成分，其中低能束离子同样会通过第一轨道损失被探测到。损失快离子的螺距角普遍大于115°。比较1530 ms（TAE激发前）和1680 ms（TAE激发后）两个时刻，两者螺距角相差约5°，这一差异由TAE造成的损失离子轨道变化所致。通过对主要损失离子的轨道计算可知，损失离子的轨道为香蕉轨道且靠近等离子体芯部，这解释了为何损失快离子能量以全能量60 keV为主。在中性束同电流方向注入的条件下，具有太小螺距角的快离子不易损失到最外闭合磁面以外，因此测量到的损失快离子具有更高的螺距角。
本研究根据HL-3装置中快离子损失特征，设计了一款基于ZnS(Ag)闪烁屏的FILD，可同时测量损失快离子的回旋半径（能量）和螺距角。通过模拟确定了探头安装在中平面上，准直器出入射孔间距8 mm、入射孔横向开口2 mm、出射孔横向开口45.2 mm、准直孔高度0.8 mm，ZnS(Ag)闪烁屏尺寸23 mm×58 mm。研制的FILD成功安装在HL-3装置中，测量到了快离子损失信号，获得了能量和螺距角信息，实验测量值与NBI注入值及模拟值相符。
本研究的科学价值在于：为HL-3装置建立了一套完整且经过实验验证的快离子损失诊断系统，使中国环流三号具备了同时测量损失快离子能量和螺距角的能力；成功监测到TAE诱发的快离子损失，为研究快离子与MHD不稳定性相互作用提供了实验手段。在应用价值层面，FILD在高参数聚变装置中监测快离子损失、保护第一壁和偏滤器等面向等离子体部件方面具有重要的工程意义。此外，研究中建立的模拟设计方法（轨道模拟确定安装位置、几何参数扫描确定准直器尺寸、极端条件模拟确定闪烁屏尺寸）对同类聚变装置FILD的设计具有借鉴价值。
本研究的亮点可概括为以下三点：第一，利用自开发程序结合EFIT平衡磁场数据精确模拟快离子轨道，确定了FILD探头最优安装位置；第二，通过系统的参数扫描模拟定量分析了准直器各几何参数对轨道半径筛选能力和位置分辨率的影响规律，发现了8.2 mm准直器总高度的阈值效应；第三，首次在HL-3装置上实现了基于ZnS(Ag)闪烁屏的FILD实验测量，成功观测到TAE诱发的快离子损失增强现象，并给出了损失快离子在能量-螺距角平面的分布。