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本研究由王书松、黄娟、常加峰、张新军、高伟、付静、孙延旭、史唱、王曦辉、张子欣等人完成，主要作者单位包括安徽大学、中国科学院合肥物质科学研究院等离子体物理研究所以及中国科学技术大学。该研究发表于《核技术》（Nuclear Techniques）期刊2023年第46卷第12期，文章编号为120601，doi为10.11889/j.0253-3219.2023.hjs.46.120601。通信作者为黄娟。

本研究属于磁约束核聚变等离子体物理领域，具体聚焦于托卡马克装置中快离子损失诊断与速度空间分布研究。在磁约束聚变装置中，快离子主要通过辅助加热手段产生，例如中性束加热（Neutral Beam Injection, NBI）和离子回旋共振加热（Ion Cyclotron Resonance Heating, ICRH）。这些快离子若发生损失，不仅会降低辅助加热效率，还会影响等离子体约束性能，甚至可能对装置第一壁造成损害。因此，研究快离子损失行为具有重要科学和工程意义。快离子损失探针（Fast-Ion Loss Detector, FILD）是一种基于闪烁体探测器的诊断系统，能够同时测量损失快离子的回旋半径（gyroradius）和俯仰角（pitch angle），从而获得快离子损失的速度空间分布。然而，由于探头准直孔与准直缝的有限尺寸以及粒子初始位置和相位的随机性，单一能量与俯仰角的快离子在闪烁体上会形成分布，直接通过准直孔中心标定速度空间分布存在误差。因此，本研究的目标是利用FILDsim程序在东方超环（Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST）上获得ICRH条件下快离子损失的速度空间分布，并评估探头本体遮挡（self-obstructed）对诊断探测范围的影响，为进一步优化诊断系统提供依据。

研究的具体流程包括以下几个主要环节。首先，利用FILDsim蒙特卡罗轨道追踪程序建立探头准直孔处损失快离子速度空间与闪烁体处速度空间之间的对应关系。FILDsim程序的输入量为测试粒子在准直孔处的回旋半径、俯仰角、初始位置和相位，输出量为测试粒子在闪烁体上的打击位置、能量、俯仰角、准直因子和相位。对于具有相同回旋半径与俯仰角的测试粒子，其打击点在闪烁体上形成分布，程序取分布的质心作为匹配位置，从而实现速度空间点与闪烁体打击点的一一对应。通过不同回旋半径和俯仰角的匹配位置连线，得到打击点匹配图（strike-map）。本研究中回旋半径范围为1 cm至12 cm，间隔为1 cm；俯仰角范围为50°至140°，间隔为10°。匹配图显示，随着回旋半径增大，相邻匹配位置间隔减小，说明诊断的分辨率随回旋半径增大而降低；同时，大回旋半径对应的可探测俯仰角范围也减小。该结果与ASDEX Upgrade装置上的研究一致。其次，选取EAST上第85624次放电在8.04 s时刻的FILD诊断CCD（电荷耦合器件）信号进行分析。该时刻等离子体电流为400 kA，纵场为2.4 T，ICRH功率分别为PIC_B=0.33 MW和PIC_I=0.74 MW，无中性束加热。通过FILDsim计算的匹配图，将CCD图像中的损失信号转化为回旋半径-俯仰角空间分布。由于CCD显示的是真实图像的镜像，小于90°的一支代表顺电流方向运动的快离子，大于90°的一支代表逆电流方向运动的快离子。利用二维插值函数trigrid将闪烁体打击点位置匹配到速度空间，得到损失快离子的回旋半径-俯仰角分布，并结合探头附近约1.9 T的磁场将回旋半径转化为能量，获得能量-俯仰角分布。再次，针对探头本体遮挡问题，对FILDsim轨道追踪中到达闪烁体的测试粒子进行反向追踪。若反向追踪轨道与探头结构相交，则说明该粒子在实际情况下无法到达闪烁体，属于被遮挡粒子。通过统计被遮挡和未被遮挡的测试粒子分布，得到探头遮挡区域边界。结果显示，遮挡主要发生在俯仰角90°附近，且回旋半径越小遮挡越严重。其原因在于俯仰角由平行速度与总速度之比的反余弦定义，俯仰角接近90°时平行速度较小，粒子反向追踪时更容易与闪烁体屏外壳相交。最后，将遮挡边界叠加到ICRH损失信号的速度空间匹配图上，分析诊断信号受遮挡的影响。

研究的主要结果包括：第一，在ICRH单独加热条件下，损失快离子的俯仰角主要集中在80°至100°之间，且顺电流和逆电流方向的损失信号相对于90°基本对称。这一结果符合ICRH主要提高垂直方向速度的物理预期。损失快离子的回旋半径范围为3.5 cm至7 cm，对应的氢少子能量约为200 keV至800 keV；信号最强位置的回旋半径约为4.5 cm，对应氢离子能量约为350 keV。由于特定回旋半径的损失快离子在闪烁体上呈斜高斯分布，且ICRH产生的快离子并非单能，因此精确的能量范围需要进一步通过层析反演确定。第二，探头本体遮挡分析表明，遮挡区域主要集中在俯仰角90°附近，且回旋半径越小遮挡越严重。遮挡边界在速度空间匹配图上呈现围绕90°的区域，遮挡程度由外侧虚线边界向内侧点线边界逐渐加重。将第85624次放电ICRH损失信号与遮挡边界叠加后发现，两支损失信号靠近90°的部分存在明显被遮挡的迹象，信号边界出现切除痕迹。这说明实验中观测到的两支信号之间的空白区域很可能并非真实的物理损失分布，而是由于探头机械结构遮挡导致无法探测到。在探头可探测区域背景下，CCD图像中的损失信号均位于可接收范围内，进一步验证了遮挡效应对信号形态的影响。

本研究的结论是：通过FILDsim程序获得了EAST装置ICRH条件下快离子损失的速度空间分布，损失快离子主要为氢少子，能量高于200 keV，俯仰角集中在80°至100°之间；探头本体遮挡对快离子损失测量有显著影响，尤其是对俯仰角90°附近区域，导致ICRH损失信号在靠近90°的区域被部分切除。该研究为进一步评估和控制离子回旋共振加热下的快离子损失奠定了基础，同时为损失诊断系统升级提供了依据。研究建议在后续诊断升级中，将探头准直孔从相对于闪烁体中间的位置移动至两侧，以降低探头本体遮挡对诊断探测范围的影响。

本研究的亮点在于：第一，利用FILDsim程序计算回旋半径与俯仰角的匹配网格，相比直接通过准直孔与准直缝中心粒子轨道得到的匹配网格，降低了误差，提高了速度空间分布反演的准确性；第二，通过反向追踪方法系统分析了探头本体遮挡效应对FILD诊断探测范围的影响，揭示了ICRH损失信号中间空白区域的成因；第三，研究结果为EAST装置FILD诊断系统的几何优化提供了具体方案，即改变准直孔位置以减少遮挡。此外，研究还指出FILDsim的层析反演模块仍处于发展中，未来可结合ASCOT（Accelerated Simulations of Charged Orbits in Toroidal Devices）等程序进一步验证快离子损失速度空间分布的准确性。