減速場能量分析儀（RFA）是一種通過測量等離子體中離子速度分布函數(shù)來評估離子溫度的實用診斷。其測量離子溫度范圍約10~100eV，可用于低溫等離子體芯部和高溫等離子體邊界物理研究。作為經(jīng)典的離子溫度測量手段，RFA已在JET、Tore Supra、Alcator C-mod、ISTTOK、STOR-M、HL-2A、EAST、W7-X等裝置上開展實驗研究。其測量原理為：通過利用狹縫（寬度~30微米）上形成的德拜鞘層屏蔽電子而只使等離子體中的離子進(jìn)入RFA腔體，而后在腔體內(nèi)部利用周期性變化的電場調(diào)制離子流，使得高于調(diào)制電壓能量的離子流可以被收集極收集，收集極上測量的收集電流隨掃描電壓增加而產(chǎn)生的指數(shù)衰減系數(shù)與等離子體的離子溫度線性相關(guān)。不但如此，當(dāng)?shù)入x子體中存在大量快電子時，比如低雜波驅(qū)動快電子流，快電子流會穿過狹縫勢壘進(jìn)入減速場能量分析儀腔體，此時收集極上將主要收集負(fù)電流，因此減速場能量分析儀也可以測量等離子體中快電子通量或電流。由于RFA直接離子速度分布函數(shù)，其測量的離子溫度相比其他離子溫度診斷更加可靠。

根據(jù)其測量原理，RFA的測量器件通常包含狹縫、柵網(wǎng)、收集極、絕緣片和保護(hù)套等部件。下圖所示為EAST上RFA測量探頭。該探頭在兩側(cè)各有一套RFA測量單元，兩側(cè)狹縫（白色）的中軸線在測量期間原則上需要趨向于與磁力線平行。為了排斥電子，除了狹縫寬度限制在~30微米，還在其上加負(fù)200V偏壓以過濾等離子體中的電子，而只使得離子流進(jìn)入探頭腔體。腔體中為雙柵網(wǎng)（黑色）和一個收集極（紅色），電極之間間距2mm，中間用陶瓷套進(jìn)行電絕緣。在腔體頂端還有四根Langmuir探針作為四探針陣列，以測量電子溫度和密度以及懸浮電位。兩套RFA的電極部件和陶瓷套筒全都固定于陶瓷基座上，陶瓷基座外側(cè)還增加石墨套件以保護(hù)RFA部件不受高熱等離子體的轟擊。

圖1 EAST上RFA設(shè)計圖紙

封裝好的RFA探頭若要測量等離子體中的離子溫度，還需要合適的外圍電子學(xué)對偏壓電極加偏壓以及收集收集極上的~10微安量級的電流信號。下圖所示為一種簡單易行的電子學(xué)方案。圖中DC電壓可采用電池組件(~200V)，掃描電壓可采用DC+AC遠(yuǎn)程掃描電壓（~ +/- 300V）。電阻需采用高精度穩(wěn)定的電阻型號，諸如金屬膜電阻。需要注意的是所有回路均需單點接地，以減少回路產(chǎn)生的感應(yīng)電流。

圖2 EAST上RFA電路圖

通過指數(shù)擬合RFA收集極收集電流與施加的掃描電壓曲線，可以估算出等離子體的離子溫度。下圖為EAST上限制器位型下歐姆加熱等離子體條件下所測量的離子溫度剖面，其中橫坐標(biāo)為測量位置距離極向限制器的徑向距離，縱坐標(biāo)為離子溫度與等離子體攜帶電荷數(shù)的比值。由于等離子體為氘氣，所攜帶電荷數(shù)約為1，故縱坐標(biāo)測量值即相當(dāng)于等離子體的離子溫度。通過升級上文所描述的RFA的硬件系統(tǒng)，諸如RFA探頭部件和外圍電子學(xué)，可以明顯提升測量離子溫度的時空分辨率和測量精度。

圖3 EAST上RFA測量離子溫度剖面