[0001] 本发明涉及磁约束聚变等离子体诊断技术领域，尤其涉及一种用于快离子损失探针的探头姿态调节系统。

[0002] 基于闪烁体的快离子损失探针是磁约束聚变等离子体实验装置中用来探测从等离子体中损失的高能量离子的一种探针。它的探头主要包括准直器和闪烁体片，失去约束的高能量离子逃逸到等离子体边缘时首先被准直器筛选，通过准直器的离子在磁约束装置的强磁场下做拉莫回旋运动最终撞击在闪烁体片某位置上发出荧光，由于具有不同能量和投掷角的离子撞击位置不同，实验人员根据闪烁体片上发出荧光的位置可以读取出损失离子的能量和投掷角，进而反演出损失离子的运动轨道，帮助研究高能量离子的损失机制；

[0003] 国际上现有的快离子损失探针探头姿态调节装置存在的问题在于：

[0004] 1.直线导入器无法应对磁约束聚变装置高温烘烤时的热膨胀。对于快离子损失探针的探头伸入磁约束聚变装置的深度的调节，国际上普遍采用的是工业上通用型的直线导入器。该种直线导入器将波纹管前端同时与直线导入器导轨和磁约束聚变装置外壁进行固定，波纹管后端使用驱动电机滑块驱动，同时直线导入器导轨与快离子损失探针支撑架固定。因此直线导入器整体与磁约束聚变装置为“硬连接”，当磁约束聚变装置进行实验前的高温烘烤时其与直线导入器连接在一起的装置外壁向外扩张的热膨胀距离可达10～20cm，该膨胀压力会通过波纹管前端传导到直线导入器导轨和快离子损失探针支撑架，严重时会造成直线导入器或探针支撑架损坏；

[0005] 2.快离子损失探针的探头无法更换。由于快离子损失探针直线导入器内的真空环境与磁约束聚变装置始终保持连接，一旦磁约束聚变装置完成抽真空操作，快离子损失探针的探头无法在不破坏磁约束聚变装置真空环境的前提下进行更换；

[0006] 3.对于快离子损失探针的探头绕探针轴自身旋转角度的调节，难以在保证装置真空度的前提下实现探头的旋转，国际上暂无切实可行的高精度解决方案；

[0007] 4.完成快离子损失探针的安装之后难以对相机拍摄画面中的闪烁体屏位置进行标定。这是由于在聚变装置上对拍摄视野中闪烁体屏位置进行标定时缺乏参考光源。当快离子损失探针完成安装后，未进行等离子体放电实验时聚变装置内部缺乏照亮闪烁体的光源，因此无法对闪烁体屏位置进行标定；进行等离子体放电实验时闪烁体可能被照亮，但是闪烁体屏被完全照亮的可能性较小，难以满足标定需求。

[0031] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

[0032] 参照图1‑9，一种用于快离子损失探针的探头姿态调节系统，包括

[0033] 超高真空插板阀2、中空直线导入器3、磁力联轴器4、真空抽口5、真空观察窗6、辅助打光窗口7、探针轴9

[0034] 中空直线导入器3包括前部支撑件31、焊接波纹管32、后部支撑件33、导轨34、驱动电机35、主动滑块36和从动滑块37；

[0035] 磁力联轴器4包括外转子41、内转子42、从动齿轮43、主动齿轮44、旋转电机45、外转子轴承46

[0036] 超高真空插板阀2通过真空管道连接在磁约束聚变装置1上，中空直线导入器3上的前部支撑件31右侧与焊接波纹管32前端通过焊接紧密连接，焊接波纹管32的后端与主动滑块36左侧焊接，前部支撑件31和主动滑块36分别为焊接波纹管32的前端和后端提供CF真空法兰接口，前部支撑件31左侧与超高真空插板阀2进行连接，主动滑块36的右侧依次安装有后部支撑件33、磁力联轴器4、从动滑块37和窗口管道，主动滑块36和从动滑块37均滑动设置在导轨34上，导轨34后端安装由驱动电机35，驱动电机35输出轴一端安装有丝杠，且主动滑块36安装于丝杠外侧，通过丝杠转动驱动其沿导轨34方向滑动，中空直线导入器3内部中心轴线上安装有探针轴9，探针轴9一端伸入磁约束聚变装置1内部并通过螺栓固定有快离子损失探针探头8，且探针轴9一端是通过超高真空插板阀2及其对应的真空管道内侧并伸入磁约束聚变装置1中，导轨34通过螺栓固定在外部快离子损失探针支撑架上，且支撑架与地面固定；

[0037] 以上所采用的技术方案，主动滑块36和从动滑块37均设置在导轨34上，其中主动滑块36可由导轨34上的丝杠驱动沿导轨34方向前进或后退，丝杠的转动由驱动电机35驱动，从动滑块37与主动滑块36之间通过磁力联轴器4连接在一起，其移动受主动滑块36带动并不受丝杠驱动，焊接波纹管32具有伸缩性，可以提供主动滑块36与其后端连接的部件沿导轨34前后移动时的伸缩量；

[0038] 当驱动电机35通电但无运动指令输入时，导轨34中的丝杠无法转动，主动滑块36及其后端连接的部件无法移动，可视为与导轨34、快离子损失探针支撑架、地面通过“硬连接”固定在一起，另外，超高真空插板阀2通过一段真空管道与磁约束聚变装置1进行“硬连接”，由此，磁约束聚变装置1、超高真空插板阀2之间为“硬连接”，地面、快离子损失探针支撑架、主动滑块36与其后端连接的部件之间为“硬连接”，上述两大部分之间通过可以伸缩的焊接波纹管32进行“软连接”，因此当磁约束聚变装置1的外壁由于高温烘烤而向外扩张时其伸缩量可由焊接波纹管32提供，不会对快离子损失探针与地面进行“硬连接”的部分产生明显的应力，从而保护快离子损失探针不被损坏。

[0039] 窗口管道为四通管道，且窗口管道右端端口与从动滑块37进行连接，窗口管道其余三个端口分别为真空抽口5、真空观察窗6、辅助打光窗口7，真空观察窗6和辅助打光窗口7均采用CF法兰接口进行连接，真空抽口5采用KF法兰快拆接口与外部真空泵连接；

[0040] 以上所采用的技术方案，真空抽口5用于连接外部真空泵对快离子损失探针内部环境进行抽真空，真空观察窗6用于观察并导出快离子损失探针探头8内部的荧光图案，辅助打光窗口7用于在磁约束聚变装置1进行等离子体放电实验之前辅助打光照亮快离子损失探针探头8中的闪烁体来标定相机视野中的闪烁体位置；

[0041] 真空观察窗6和辅助打光窗口7均采用CF法兰接口进行连接以保证快离子损失探针整体的真空密封性，真空抽口5采用KF法兰快拆接口与外部真空泵连接以实现两者之间方便的连接与拆除。

[0042] 前部支撑件31中部设置有前部支撑孔313，后部支撑件33中部设置有后部支撑孔333，且前部支撑孔313和后部支撑孔333的孔径与探针轴9直径相同；

[0043] 以上所采用的技术方案，探针轴9受到前部支撑件31和后部支撑件33的支撑而处于中空直线导入器3的中心轴线上。

[0044] 后部支撑件33由两片相同的支撑件拼接而成，且两片支撑件接缝中间设有限位槽334，限位槽334为环形凹槽，探针轴9外侧安装有固定环92，且固定环92外径与限位槽334内径相同，固定环92活动卡设在限位槽334内侧；

[0045] 以上所采用的技术方案，探针轴9上的固定环92安装于限位槽334内侧，可以确保主动滑块36与其后端连接的部件沿导轨34前后移动时探针轴9能够跟随移动，从而实现对探针轴9前端安装的快离子损失探针探头8进入磁约束聚变装置1深度的调节。

[0046] 磁力联轴器4包括主管道、外转子41、内转子42、从动齿轮43、主动齿轮44、旋转电机45和外转子轴承46；

[0047] 磁力联轴器4主体为一段主管道，外转子41通过外转子轴承46安装在主管道外侧，外转子41外侧固定套设有从动齿轮43，主管道上通过支架安装有旋转电机45，旋转电机45输出轴一端固接有主动齿轮44，且主动齿轮44与从动齿轮43相啮合，主管道内侧安装有内转子42，内转子42中部轴孔内径与探针轴9外径相同，且探针轴9尾部穿插于内转子42中部轴孔内，外转子41内侧安装有外环形强磁铁，内转子42外侧安装有内环形强磁铁，内转子42上开设有多个固定孔421，且通过固定孔421安装有紧顶螺丝，内转子42和探针轴9之间通过紧顶螺丝进行固定；

[0048] 以上所采用的技术方案，磁力联轴器4主体是一段真空管道，即主管道，用于隔绝其内部的真空环境和外部环境，环形中空的内转子42在工作时被置于磁力联轴器4管道内部，其中轴孔的直径与探针轴9外直径相当，快离子损失探针工作时探针轴9的尾部穿插于内转子42中轴孔内，并通过在内转子42上固定孔421中安装紧顶螺丝来固定两者，内转子42上安装的强磁铁磁极与磁力外转子41的磁极相对应，由此，外转子41旋转时可以通过磁力耦合带动内转子42旋转，进而带动探针轴9和快离子损失探针探头8旋转，主动齿轮44安装于旋转电机45转轴上，并且其齿与从动齿轮43相咬合，由此，旋转电机45旋转时可以通过齿轮传动带动外转子41旋转，进而带动内转子42、探针轴9和快离子损失探针探头8旋转，通过这种方式，可以在不影响快离子损失探针整体真空密封性的前提下实现从快离子损失探针外部对伸入磁约束聚变装置1中的快离子损失探针探头8的旋转角度进行精确调节。

[0049] 前部支撑件31上开设有多个用于安装螺栓的前部固定孔311，且多个前部固定孔311成环形阵列分布，后部支撑件33上开设有多个用于安装螺栓的后部固定孔331，且多个后部固定孔331成环形阵列分布；

[0050] 以上所采用的技术方案，前部支撑件31上的前部固定孔311和后部支撑件33上的后部固定孔331用于安装螺栓来固定前部支撑件31和后部支撑件33。

[0051] 前部支撑件31和后部支撑件33上分别开设有多个前部通气孔312和后部通气孔332，探针轴9外侧开设有通气槽91，且通气槽91为长条形开槽；

[0052] 以上所采用的技术方案，前部支撑件31上的前部通气孔312和后部支撑件33上的后部通气孔332分别用于连通这两个支撑件两侧的空间，探针轴9上的通气槽91用于连通探针轴9内部和外部的空间，由此，快离子损失探针内部的各处空间相互连通，避免了抽真空时的“死区”。

[0053] 工作原理：

[0054] 具体的，在磁约束聚变装置1抽真空之前可以打开超高真空插板阀2，将快离子损失探针内部的空间与磁约束聚变装置1连接到一起，磁约束聚变装置1抽真空时可以将快离子损失探针内部空间一并抽取；

[0055] 在磁约束聚变装置1进行大规模实验之前会首先进行高温烘烤，此时磁约束聚变装置1的外壁会由于受热而带动固定在其上的超高真空插板阀2向外膨胀，由于超高真空插板阀2与快离子损失探针其余固定在地面上的部分之间通过可以伸缩的焊接波纹管32进行“软连接”，因此磁约束聚变装置1的外壁膨胀的伸缩量可以由焊接波纹管32提供，避免了快离子损失探针由于受到过大的应力而损坏；

[0056] 在磁约束聚变装置1进行等离子体放电实验之前可以通过直线导入器3中的驱动电机35驱动与主动滑块36“硬连接”在一起的部件以及探针轴9和快离子损失探针探头8向前移动，从而将快离子损失探针探头8送入磁约束聚变装置1的预定深度，通过磁力联轴器4上的旋转电机45驱动内转子42带动探针轴9和快离子损失探针探头8旋转，可以将快离子损失探针探头8的角度调整为预定的探测角度；

[0057] 在真空观察窗6后方完成图像信号拍摄设备如高速相机的安装后，可通过斜向的辅助打光窗口7进行打光照亮快离子损失探针探头8中的闪烁体屏，从而标定图像信号拍摄设备视野中的闪烁体屏位置，由此，后续实验中图像信号拍摄设备视野中出现亮斑时可以确定亮斑在闪烁体屏上的相对位置，使得对图像信号的处理成为可能；

[0058] 在磁约束聚变装置1进行等离子体放电实验的间隙，若需要更换快离子损失探针探头8，可以通过驱动电机35驱动与主动滑块36“硬连接”在一起的部件以及探针轴9和快离子损失探针探头8向后退出磁约束聚变装置1，并退回到超高真空插板阀2后方，关闭超高真空插板阀2即可断开快离子损失探针与磁约束聚变装置1的真空环境的连接，此时即可破开快离子损失探针的真空环境来更换快离子损失探针探头8，更换完成后将快离子损失探针各个部件重新安装，并使用外部真空泵通过真空抽口5对快离子损失探针内部空间进行抽真空，真空度达到磁约束聚变装置1的标准之后可以打开超高真空插板阀2将快离子损失探针与磁约束聚变装置1的真空环境进行连接，只需再次调整快离子损失探针探头8进入磁约束聚变装置1的深度和快离子损失探针探头8自身的旋转角度即可进行下一次实验的测量。

[0059] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。