6月26日消息，英国Hiden Analytical公司与美国橡树岭国家实验室(ORNL)合作开发了一种面向聚变研究的四极杆质量分析器。该仪器既能适应托卡马克装置附近的辐射和强磁场环境，又可分辨核聚变反应中关键的轻原子种类，尤其是氢、氦相关同位素。
HAL 101X结合了双区运行和抗辐射电子元件(图片来源：Hiden Analytical)
在氘氚聚变研究中，研究人员需要实时掌握等离子体中各类轻气体的组成变化。以ITER等实验装置为例，氘和氚在高温等离子体中发生聚变，生成氦、中子并释放能量。要让反应持续稳定进行，必须尽可能准确地了解反应堆内部的反应进程。不过，托卡马克内部环境极端，直接探测很难实现，因此外部诊断技术成为关键。
ORNL研究人员克里斯·马库斯表示，其团队正在开发一套结合质谱与光学光谱的诊断系统，用于分析托卡马克反应过程中释放出的复杂轻气体混合物。两类技术可提供互补信息，帮助研究人员从混合气体中识别出感兴趣的氢、氦同位素。
该项目的一项核心任务，是提高对氦-4的识别能力。氦-4是相关核反应的主要产物之一，但在低浓度条件下，传统商用仪器难以将其与氘区分开来。马库斯介绍，当氦-4浓度低于约10%时，常规仪器的分辨能力会受到明显限制。
Hiden Analytical采用四极杆设计来解决这一难题。四极杆质谱仪体积较小、扫描速度快，能够对较宽质量范围内的原子和分子进行实时分析。其基本原理是先将气体分子电离，再通过带有直流和射频电压的四根圆柱杆，根据离子的质荷比进行筛选和分离，最终通过离子电流推算不同气体组分的相对丰度。
传统四极杆分析器通常只能有效区分质量差约为1个原子质量单位(amu)的粒子，而氦-4与氘相关粒子的质量差仅约0.026 amu，这对聚变诊断来说是个不小的门槛。Hiden Analytical的鲍勃·梅勒表示，大型磁扇形质谱仪虽然能够完成这类分离，但并不适合布置在聚变反应堆出口附近，因此需要一种更紧凑、分辨率更高的设备。
Hiden团队通过让四极杆装置在不同稳定区域运行，提高了分离能力。标准仪器通常工作在较低电压下的稳定区，而新设备可切换到团队称为“H区”的运行模式，从而分离氦与氘。该模式所需电压更高，但仍可使用小型四极杆传感器，并达到ORNL提出的检测要求。仪器还可在H区与常规“1区”之间切换，因此也能用于传统真空诊断。
在完成原型验证后，团队进一步解决了托卡马克周边环境带来的工程问题。由于电源和控制电子设备中的固态器件容易受到辐射损伤，相关部件必须放在屏蔽区域后方，这使电源单元与传感器之间的连接电缆最长可达140米。长距离传输射频电压会造成明显功率损耗，若简单依靠同轴电缆传输，传感器工作频率会被迫降低，影响分辨率。
为此，Hiden团队采用了匹配单元方案，将射频功率通过长同轴电缆传送到中间电子设备，再由匹配单元中的抗辐射无源元件和热电子管产生高压射频信号并施加到四极杆上。梅勒表示，在聚变设施开展的独立测试显示，该方案可抵御辐射、磁场和地面振动影响。
ORNL也对这款质谱仪的分辨率进行了评估。马库斯表示，测试已经证明，该四极杆分析器能够在含有97%氘的混合物中检测到3%的氦-4;同时，仪器响应速度较快，可在不到1秒内完成分析，这也是聚变诊断的重要要求。
基于相关技术，Hiden Analytical已经推出多款商用仪器，包括DLS-2、DLS-2X以及HAL 101X。DLS-2和DLS-2X均支持双区切换运行，可兼顾轻粒子高分辨率分析和真空诊断中的残余气体分析。其中一种配置可在质量最高10 amu范围内实现0.0065 amu分辨率，另一种配置可在最高22.5 amu范围内提供0.02 amu分离能力。DLS-2X还配备远程电子控制功能，适合更严苛环境。
HAL 101X则集成了ORNL气体分析系统开发和测试中的多项功能，包括双区运行、抗辐射电子器件，以及在1区运行下的阈值电离质谱模式。该模式可在一定浓度条件下帮助区分质荷比相近的物质。
目前，Hiden团队正继续与马库斯合作，评估HAL 101X区分其他聚变研究关键轻气体的能力。团队已确认该仪器可分离氖相关信号，并可利用H区将氖-20与双电荷氩离子区分开。更具挑战的是区分氚和氘化氢，二者质量差仅约0.006 amu。研究人员正在探索通过阈值电离质谱方法，或进一步提高H区直流与射频电压来提升质量分辨率。
马库斯表示，ORNL仍在诊断测试台上评估HAL 101X。下一步，该质谱分析仪将推进至完整诊断套件的生产阶段，形成一套经过验证、可用于实际操作的聚变气体诊断系统。
