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测量托克马克装置COMPASS中聚变等离子体的温度和密度
作者:Milan Aftanas
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"所有机箱的所有通道都与NI PXI-6653的参考时钟紧密同步。使用NI TClk技术以及内嵌锁相环,我们可以获得小于300ps的通道间偏移,即便是在这个高通道数目的系统中。"

– Milan Aftanas, Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.

挑战: 研发托克马克测量系统,以满足磁约束受控核聚变的严格测量要求。

解决方案: 使用NI LabVIEW软件和PXI硬件来开发一套完整的聚变等离子体测量系统,且该系统在未来可进行必要时更新。

核聚变是恒星的力量源泉,它是将多个原子核合并在一起形成一个单一的重原子核的过程。加入较轻的原子核,如氢原子,产生巨大的能量释放。聚变具有成为未来几代安全、洁净且近乎无限的能量来源的潜力。但是它的应用要求非常苛刻,这使控制聚变用于民用目的非常困难。磁约束可以作为克服核聚变困难的一种方法,这样我们就可以利用核聚变作为能量来源。最近我们确定托克马克为最具应用前景的磁约束装置,且目前托克马克比其他磁约束装置或惯性聚变装置更接近聚变。

托克马克装置COMPASS

托克马克是利用磁场维持高温高密度等离子体的装置,捷克科学院等离子体物理研究所(IPP ASCR)作为欧洲原子能共同体(EURATOM)的成员,参与了全球聚变研究计划。我们将原来位于英国卡尔汉姆聚变能研究中心(Culham Center for Fusion Energy,CCFE)的托克马克装置COMPASS(图1)重新安装到了位于捷克布拉格的捷克科学院等离子体物理研究院[1],并在2008年12月首次生成等离子体。

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图1.安装在布拉格捷克科学院等离子体物理研究所(IPP)的托克马克装置CAMPASS

汤姆逊散射

为了研究和控制等离子体行为并维持其平衡,我们需要一系列诊断工具。聚变等离子体研究最重要的参数之一就是等离子体温度和密度。汤姆逊散射(Thomson Scattering,TS)是用于诊断这些参数的独特方法,这是一种可提供高度本地化测量的激光辅助等离子体诊断方法[2]。设计复杂和由于散射效率极低导致需要相当大量的工作是汤姆逊散射的一些缺点。

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图2.汤姆逊散射(TS)系统原理框图

现在COMPASS装置上的TS系统正在建设中[3],图2显示了这个系统的布局示意图,其主要组成部分有高能激光器、用于测量散射光谱的多色器以及快速模数转换器(Analog-to-Digital Converters,ADCs)。我们使用了两台钕钇铝石榴石激光器(Nd:YAG),二者重复频率为30Hz,最大输出能量为1.5J。激光穿过等离子体并部分被散射。单色光在散射后光谱展宽,散射光从56个空间点经过光路和光纤组合系统到多色器(设计于英国卡尔汉姆聚变能研究中心CCFE),在这里入射光通过级联光谱滤波器和雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes,APD)进行光谱分析。该系统的每个多色器使用多达5个光谱通道用于光谱测定,最终实现每个从雪崩光电二极管传来的信号都被快速模数转换器数字化。

数据采集需求

每个激光脉冲持续时间为8ns,且激光器可以在不同机制下工作(如图3)。两个激光器可以同时工作,或者分别按可调的延迟时间(1 μs–16.6 ms)进行工作。该系统对快速模数转换器的要求反映出它对数字化这样的信号需要足够的采样率来重建激光脉冲时间演化。

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图3.激光脉冲机制

系统硬件

我们使用高速NI PXI-5152数字化仪和低速D-Tacq ACQ196C PCI ADC板卡来同步来自所有多色器(120个光谱通道)的数字化信号。快速模数转换器拥有高达1GS/s的转换速率,8位分辨率以及小于300ps的通道间偏移。这些ADC板卡(每个板卡两个通道)每通道拥有8MB板载内存并被安放在四个PXI-1045机箱中。

第一个机箱,也称作主机箱,安放了一个嵌入四核的PXI-8110控制器,其同时拥有触发和定时板卡以同步剩余三个附属机箱。主机箱储存数据,执行计算,通过MXI-4技术(78MB/s)与附属机箱进行删除通信,并通过以太网与低速ADC板卡和COMPASS装置控制系统(CODAC)进行交互。所有机箱的所有通道都与NI PXI-6653的参考时钟紧密同步。使用NI TClk技术以及内嵌锁相环(Phrase Locked Loops,PLLs),我们可以获得小于300ps的通道间偏移,即便是在这个高通道数目的系统中。低速数字化仪每个通道都拥有16位模数转换器以实现真正采样率为500kS/s的同时模拟输入。我们使用两块低速ADC板卡,每块拥有96个通道、400MHz的精简指令集运算(RISC)处理器以及512M的板载内存。

系统软件

我们使用LabVIEW编写程序来控制TS系统中的数字化仪。软件的基本功能包括参数设定、提供触发、进行采集和显示采集记录以及保存数据到文件(如图4)。我们将在以后增添附加功能,如数据分析、数据接口和其他必要的更多功能。该软件运行于Microsoft Windows平台。我们在以后可采用LabVIEW实时模块来对托克马克控制回路内部进行确定性操作。

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图4.LabVIEW控制程序界面

数据采集(Data Acquisition,DAQ)特征

激光脉冲触发数据采集,这样激光定时将是目前COMPASS装置实时TS系统的限制因素。由于TS系统DAQ硬件和软件是模块化的,所以在以后我们可以增加数字化仪的数量,并可能使用主机箱的嵌入式电脑通过激光触发数据采集,所得数据将分段获取。

由于NI PXI-5152数字化仪的多记录采集功能,数据段仅需1 µs即可获取。每段数据代表了一个激光脉冲或者双脉冲,即处于两台激光器同时发射或发射延时非常小(短于1 µs)机制时。来自激光器的硬件触发脉冲无需操作系统(Operating System,OS)干预便可启动数据段收集。经过试验(等离子体发射),我们从每个数字化仪的板载内存下载了所有数据段到主机箱的嵌入式电脑上,并在这里进行原始数据处理。校准数据储存在嵌入式电脑中,并可获取来自低速模数转换器的低速采样背景辐射和来自能量监测器的激光能量数据。该系统整合了散射信号,同时将获得的温度和密度计算结果通过以太网发送到CODAC。

结论

针对汤姆逊散射诊断的COMPASS数据采集系统可以测量散射信号的演化,这给我们提供了需要重建的温度和密度分布信息,也使我们可以在我们所需要的不同等离子体状态通过三次激光定时设置进行信号测量。

到目前为止,我们已经测试了所有的汤姆逊散射系统,并测量了拉曼散射信号。

致谢

我们要感谢来自卡尔汉姆实验室的英国同事在这个项目中的大力支持和合作,即Michael Walsh博士(国际热核实验堆组织,法国)和Rory Scannell博士、Graham Naylor博士和Martin Dunstan博士(卡尔汉姆聚变能研究中心,英国)。部分MAST设计也被采纳。

参考文献
[1] R. Panek, J. Czech Physics 56 (Suppl. B) (2006) B125-B137.
[2] A. J. H. Donne et al., Fus. Sci. and Technology 53, 397-430 (2008)
[3] P. Bilkova et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2010), doi:10.1016/j.nima.2010.03.121

作者信息:
Milan Aftanas
Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
Za Slovankou 3
Prague 8 182 00
捷克共和国
aftanas@ipp.cas.cz
文章内容仅供参考 (投稿) (7/27/2011)
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