重离子束探头技术助力核聚变等离子体电位测量

核聚变作为未来可持续能源的潜力巨大，其工作原理与太阳动力相似。实现聚变发电，关键在于利用磁场将等离子体限制在极高温度并稳定保持。等离子体内部电势对粒子与能量传输至关重要，准确测量其电位是提高聚变反应堆性能的关键。重离子束探头(HIBP)作为一种非接触式诊断技术，通过注入带负电的金离子(Au⁻)并检测其电荷状态变化，来高灵敏度地推断等离子体内部电势。

在大型螺旋装置(LHD)中，HIBP系统已被用于测量等离子体电势。该系统将金负离子束注入串联加速器，转化为金正离子(Au⁺)束，并加速至6兆电子伏特后注入等离子体。通过测量入射Au⁺光束与穿过等离子体后的Au²⁺光束间的能量差，可确定等离子体电位。然而，提高诊断精度需注入更高电流，但串联加速器的注入束电流增加受限，成为一大挑战。

研究团队利用离子束传输模拟代码IGUN分析了重离子束传输效率，发现当Au⁻束电流超过一定阈值时，空间电荷效应导致光束膨胀，进入加速器前出现明显损失。为提高传输效率，团队建议使用多级加速器作为静电透镜，优化电压分布。数值模拟显示，优化后透射区域超过95%，光束传输效率显著提升。等离子体实验证实了该方法的有效性，Au⁻束电流增加两到三倍，等离子体电位测量范围扩大。

增强的信号清晰度使团队能够检测到与等离子体约束状态变化相关的时间变化，这些数据对改进预测模型和建立新约束框架至关重要。本研究为优化重离子束传输提供了实用方案，并可扩展至其他诊断系统和加速器应用，对实现反应堆级聚变等离子体内电位结构的高精度测量具有重要意义。