激光离子束轨道探针诊断托卡马克极向磁场二维分布的方法探索

A new diagnostics method, named as the Laser-accelerated Ion-beam Trace Probe (LITP) is suggested that, injected the laser-accelerated ion beam (LIB) and detected by semi-conductive sensors with high resolution in the exhaust window, could measure the poloidal magnetic field (Bp) in Tokomak devices, based on three properties of LIB, large energy spread, short pulse lengths, and multiple charge states. So with an inversion method similar to tomograph, the LITP method could get the 1D profiles, or 2D images of both poloidal magnetic field and radial electric field at the same time. In this project we will discuss the basic theory of the LITP method, give some numerical results of 2D images of Bp, as well as the possibility to setup a LITP system in the tokamak devices.

托卡马克极向磁场（Bp）是等离子体实验和控制的基本物理量之一。最近提出的基于激光加速的离子束轨道探针（Laser-accelerated Ion-beam Trace Probe, LITP）方法，可以根据离子在电磁场中会受力后轨道的变化来同时诊断托卡马克Bp和Er的空间分布。LITP主要利用了激光加速器产生的离子束有能散大、脉冲时间短、多价态离子并存的特点，同时还基于高时空分辨率的出射离子探测器得到出射离子的位置和飞行时间。本项目拟基于国内托卡马克的实际条件，对LITP诊断Bp一维分布的反演原理进行优化，重点探索LITP诊断Bp二维分布的基本原理和工程可行性；同时改造北京大学现有等离子体实验装置PPT，对LITP诊断极向磁场的原理和部分关键技术进行初步实验验证。

本项目通过改造北大现有的激光装置和PPT等离子体装置，对LITP诊断极向磁场Bp的关键技术与反演原理进行原理性实验验证，提出可用于我国托卡马克装置上的整套LITP的研制方案；建立了反演模型并完成了反演程序，得到了极向磁场的一维和二维理论反演结果；实验上完成了LITP离子探测器的研制并在HL-2A上成功进行了验证实验；将激光加速质子束导入线性等离子体装置PPT中验证了激光离子束轨道探针（LITP）的可行性；提出了适用于我国大型托卡马克装置的LITP诊断设备方案，并对于LITP推广到球形托卡马克、场反位形等其他环形磁约束等离子体装置的Bp诊断进行了探索。目前已完成论文5篇（其中已发表4篇）、培养博士研究生4人（其中已毕业2人，在读2人），申请专利1项。本项目相关研究成果对实现激光离子加速技术首次在磁约束聚变上的实际应用，具有重要推动意义。