本研究由核工业西南物理研究院的张丛祥、韩玉箫、张轶泼等研究人员完成，发表于《核聚变与等离子体物理》期刊2026年第46卷第3期。研究围绕中国环流三号（HL-3）装置上新发展的快离子损失探针（fast ion loss probe，FILP）展开，通过GEANT4模拟计算与首次实验结果相结合的方式，系统分析了该探针对逃逸电子、中子、硬X射线等背景高能粒子的响应特性，并验证了FILP在HL-3装置上开展快离子损失测量的可行性与可靠性。

快离子约束性能是实现聚变堆点火的必要条件。在磁约束聚变装置中，快离子主要由中性束注入（neutral beam injection，NBI）和离子回旋共振加热等辅助加热手段产生，其约束品质直接影响辅助加热效率。大量快离子的损失不仅会显著降低加热效率，还可能导致第一壁材料严重损伤。因此，快离子损失诊断在聚变等离子体物理研究中具有重要地位。基于闪烁体的快离子损失探针能够同时提供损失快离子的能量、螺距角以及相对损失强度，是研究快离子行为的关键诊断手段。HL-3装置已装备5.0 MW的大功率中性束注入系统，为开展高能量粒子物理实验研究，研究人员新研制了一套基于掺银硫化锌（ZnS:Ag）闪烁体的FILP系统。然而，托卡马克环境中还存在逃逸电子、中子、硬X射线等多种背景高能粒子，这些粒子也可能使ZnS:Ag闪烁体产生荧光，从而干扰快离子损失信号的测量。因此，深入了解FILP对这些背景粒子的响应特性，对于异常信号的辨别和快离子测量可靠性的提高至关重要。

研究首先构建了HL-3装置FILP探头的GEANT4几何模型。模型最外层为3 mm厚的石墨保护壳，主体为304不锈钢，闪烁体底衬为1 mm厚的310S不锈钢。硫化锌涂层质量厚度设置为5.0 mg·cm⁻²，发光衰减时间为70 ns，光能产额采用55.9 photons/keV，并引用了对应的发光曲线。模拟中设置与闪烁体长边平行的1 T均匀磁场，整个模型置于真空环境中。物理列表选用了GEANT4提供的QBBC，其中包含强子物理过程和标准电磁物理过程，并在其中注册了光学物理过程G4OpticalPhysics以模拟闪烁体发光。在硫化锌闪烁体涂层中设置探测器记录发射光子的数量与位置。

在此基础上，研究开展了三个方面的模拟计算。第一，通过单能粒子入射计算闪烁体发射光子数随入射粒子能量的变化。计算中粒子源设置在探头入射区域，粒子发射角为2π立体角均匀分布，每次发射10⁶个粒子。电子、X射线、中子的能量范围为(1~1.5)×10⁴ keV，快氘离子能量范围为10~80 keV。结果表明，在计算的能量区域内，闪烁体发射光子数总体上随入射能量增加而增多；快离子在能量大于60 keV时因磁场较小而部分打到闪烁屏之外，导致光子数减少；中子响应因共振吸收而存在局域峰值；电子响应和X射线响应均存在明显的能量阈值，能量低于1 MeV的电子和低于50 keV的X射线不会对闪烁体造成影响。第二，考察高能粒子束局部入射时光斑特征。选取半径1 mm的圆形区域作为入射区域，逃逸电子能量分布假设为平均能量8 MeV、标准差1 MeV的高斯分布，硬X射线能谱采用HL-3装置第6492次放电的溴化镧探测器实测能谱，中子能量设置为2.45 MeV。局部入射模拟结果显示，逃逸电子光斑面积约217 mm²，远大于入射区域面积，光斑分散；硬X射线光斑面积约11 mm²，与入射区域面积相近，光斑集中于入射区域附近且存在较清晰的边界；中子入射时发光区域同样分散且分布不均匀，光斑中心小区域内光子数明显多于其他区域。第三，在相同入射通量条件下比较各种粒子的发光强度。快离子入射区域尺寸为2 mm×0.4 mm，其他粒子入射区域尺寸为74 mm×35 mm，入射粒子注量均设为10⁵ mm⁻²。快离子选用HL-3装置典型的NBI束粒子能量55 keV、螺距角120°的氘粒子，其余粒子能量分布与前节相同。结果表明，在相同入射通量下，FILP对逃逸电子、中子、硬X射线的本征响应与快离子相当。

在模拟工作的基础上，FILP系统于2024年春季HL-3装置实验期间投入运行并成功获得快离子损失测量结果。研究展示了第5589次、第6492次和第6493次放电中观察到的几种典型损失快离子光斑。第5589次放电中等离子体电流为300 kA，纵向磁场为1.25 T，1500 ms时注入中性束后随即观察到较强的损失快离子信号。该次放电的光斑表现出三种情形：一是两个损失快离子光斑，大光斑的中心能量和螺距角分别为50 keV和124°，小光斑分别为25 keV和126°；二是在50 keV能量、更大螺距角处出现一个微弱光斑，同时原有两个光斑的中心螺距角略微减小；三是等离子体破裂时光斑范围扩大、亮度增强，表明快离子大量损失。第6492次放电中等离子体电流提高到500 kA，纵向磁场为1.1 T，在低能处出现了第二个光斑，该新光斑与原低能光斑相比能量接近但螺距角更小，而高能量处始终只有一个光斑。第6493次放电中等离子体电流仍为500 kA，纵向磁场提高到1.6 T，此次放电中仅在55 keV附近出现一个光斑，未观察到较低能量的损失快离子光斑。通过对比分析可知，NBI期间接近束粒子能量的损失光斑对应快离子的第一轨道损失，损失快离子主要以第一轨道损失为主。第5589次放电损失快离子信号强度明显强于后两次放电，这与快离子损失随等离子体电流增加而减弱的轨道理论预期相符。两种较低能量的损失快离子中，螺距角较大的可能为NBI半能成分的第一轨道损失，螺距角较小的则可能由磁流体不稳定性或其他原因导致的延迟损失，具体机制有待进一步分析。

在异常信号辨别方面，第5553次放电中观察到闪烁体边缘的局域亮斑，该信号出现在1460 ms，仅记录到一帧（10 ms）。该光斑出现在闪烁体边缘、亮度高、持续时间短、形状不规则，且具有清晰的边界，这些特征与典型损失快离子光斑存在明显差异，而与模拟中硬X射线局部入射的光斑特征较为吻合。同时，溴化镧探测器的信号也显示对应时刻出现了强的短脉冲硬X射线信号。进一步的模拟计算验证了从一定区域入射的硬X射线能够产生类似的亮斑信号，从而确定该异常信号为硬X射线响应。

研究得出结论：在HL-3装置较低的放电参数下，中子产额较低，NBI期间等离子体密度较高导致逃逸电子产生率很低，高能量硬X射线也主要由逃逸电子产生，因此逃逸电子、中子、硬X射线在探针处的通量远小于损失快离子通量，这些因素不会干扰损失快离子的测量。FILP对逃逸电子、中子、硬X射线的本征响应虽然与快离子相当，但在当前运行条件下其影响可以忽略不计。然而，在中子产额较高的高参数运行条件下，特别是氘氚燃烧等离子体中，中子将成为主要干扰源，可能导致ZnS:Ag快离子损失探针无法正常工作。因此，未来氘氚燃烧等离子体的快离子损失探针必须解决中子干扰问题，可能的解决途径包括采用对中子敏感度较低的闪烁体或采用其他材料代替闪烁体。该研究不仅验证了HL-3装置FILP系统的实验能力，也为快离子损失诊断在高参数聚变等离子体中的进一步发展提供了重要的参考依据。