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作者: Milan Aftanas - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. Petra Bilkova - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. P. Bohm - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. V. Weinzettl - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. M. Hron - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i R. Panek - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i. Dr. Daniel Kaminsky - Elcom, a. s. T. Wittassek - Elcom, a.s. M. Rumpel - Elcom, a.s. J. Sima - Elcom, a.s. 核聚變是恒星的力量源泉，它是將多個原子核合并在一起形成一個單一的重原子核的過程。加入較輕的原子核，如氫原子，產生巨大的能量釋放。聚變具有成為未來幾代安全、潔凈且近乎無限的能量來源的潛力。但是它的應用要求非�？量�，這使控制聚變用于民用目的非常困難。磁約束可以作為克服核聚變困難的一種方法，這樣我們就可以利用核聚變作為能量來源。最近我們確定托克馬克為最具應用前景的磁約束裝置，且目前托克馬克比其他磁約束裝置或慣性聚變裝置更接近聚變。 托克馬克裝置COMPASS 托克馬克是利用磁場維持高溫高密度等離子體的裝置，捷克科學院等離子體物理研究所（IPP ASCR）作為歐洲原子能共同體（EURATOM）的成員，參與了全球聚變研究計劃。我們將原來位于英國卡爾漢姆聚變能研究中心（Culham Center for Fusion Energy，CCFE）的托克馬克裝置COMPASS（圖1）重新安裝到了位于捷克布拉格的捷克科學院等離子體物理研究院[1]，并在2008年12月首次生成等離子體。 
圖1.安裝在布拉格捷克科學院等離子體物理研究所（IPP）的托克馬克裝置CAMPASS 湯姆遜散射 為了研究和控制等離子體行為并維持其平衡，我們需要一系列診斷工具。聚變等離子體研究最重要的參數之一就是等離子體溫度和密度。湯姆遜散射（Thomson Scattering，TS）是用于診斷這些參數的獨特方法，這是一種可提供高度本地化測量的激光輔助等離子體診斷方法[2]。設計復雜和由于散射效率極低導致需要相當大量的工作是湯姆遜散射的一些缺點。 現在COMPASS裝置上的TS系統正在建設中[3]，圖2顯示了這個系統的布局示意圖，其主要組成部分有高能激光器、用于測量散射光譜的多色器以及快速模數轉換器（Analog-to-Digital Converters，ADCs）。我們使用了兩臺釹釔鋁石榴石激光器（Nd:YAG）,二者重復頻率為30Hz，最大輸出能量為1.5J。激光穿過等離子體并部分被散射。單色光在散射后光譜展寬，散射光從56個空間點經過光路和光纖組合系統到多色器（設計于英國卡爾漢姆聚變能研究中心CCFE），在這里入射光通過級聯光譜濾波器和雪崩光電二極管（Avalanche Photodiodes，APD）進行光譜分析。該系統的每個多色器使用多達5個光譜通道用于光譜測定，最終實現每個從雪崩光電二極管傳來的信號都被快速模數轉換器數字化。
圖2.湯姆遜散射（TS）系統原理框圖 數據采集需求 每個激光脈沖持續時間為8ns，且激光器可以在不同機制下工作（如圖3）。兩個激光器可以同時工作，或者分別按可調的延遲時間（1 μs–16.6 ms）進行工作。該系統對快速模數轉換器的要求反映出它對數字化這樣的信號需要足夠的采樣率來重建激光脈沖時間演化。
圖3.激光脈沖機制 系統硬件 我們使用高速NI PXI-5152數字化儀和低速D-Tacq ACQ196C PCI ADC板卡來同步來自所有多色器（120個光譜通道）的數字化信號。快速模數轉換器擁有高達1GS/s的轉換速率，8位分辨率以及小于300ps的通道間偏移。這些ADC板卡（每個板卡兩個通道）每通道擁有8MB板載內存并被安放在四個PXI-1045機箱中。 第一個機箱，也稱作主機箱，安放了一個嵌入四核的PXI-8110控制器，其同時擁有觸發和定時板卡以同步剩余三個附屬機箱。主機箱儲存數據，執行計算，通過MXI-4技術（78MB/s）與附屬機箱進行刪除通信，并通過以太網與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統（CODAC）進行交互。所有機箱的所有通道都與NI PXI-6653的參考時鐘緊密同步。使用NI TClk技術以及內嵌鎖相環（Phrase Locked Loops，PLLs），我們可以獲得小于300ps的通道間偏移，即便是在這個高通道數目的系統中。低速數字化儀每個通道都擁有16位模數轉換器以實現真正采樣率為500kS/s的同時模擬輸入。我們使用兩塊低速ADC板卡，每塊擁有96個通道、400MHz的精簡指令集運算（RISC）處理器以及 512M的板載內存。 系統軟件 我們使用LabVIEW編寫程序來控制TS系統中的數字化儀。軟件的基本功能包括參數設定、提供觸發、進行采集和顯示采集記錄以及保存數據到文件（如圖4）。我們將在以后增添附加功能，如數據分析、數據接口和其他必要的更多功能。該軟件運行于Microsoft Windows平臺。我們在以后可采用LabVIEW實時模塊來對托克馬克控制回路內部進行確定性操作。
圖4.LabVIEW控制程序界面 數據采集（Data Acquisition，DAQ）特征 激光脈沖觸發數據采集，這樣激光定時將是目前COMPASS裝置實時TS系統的限制因素。由于TS系統DAQ硬件和軟件是模塊化的，所以在以后我們可以增加數字化儀的數量，并可能使用主機箱的嵌入式電腦通過激光觸發數據采集，所得數據將分段獲取。 由于NI PXI-5152數字化儀的多記錄采集功能，數據段僅需1 µs即可獲取。每段數據代表了一個激光脈沖或者雙脈沖，即處于兩臺激光器同時發射或發射延時非常�。ǘ逃�1 µs）機制時。來自激光器的硬件觸發脈沖無需操作系統（Operating System，OS）干預便可啟動數據段收集。經過試驗（等離子體發射），我們從每個數字化儀的板載內存下載了所有數據段到主機箱的嵌入式電腦上，并在這里進行原始數據處理。校準數據儲存在嵌入式電腦中，并可獲取來自低速模數轉換器的低速采樣背景輻射和來自能量監測器的激光能量數據。該系統整合了散射信號，同時將獲得的溫度和密度計算結果通過以太網發送到CODAC。 結論 針對湯姆遜散射診斷的COMPASS數據采集系統可以測量散射信號的演化，這給我們提供了需要重建的溫度和密度分布信息，也使我們可以在我們所需要的不同等離子體狀態通過三次激光定時設置進行信號測量。 到目前為止，我們已經測試了所有的湯姆遜散射系統，并測量了拉曼散射信號。 致謝 我們要感謝來自卡爾漢姆實驗室的英國同事在這個項目中的大力支持和合作，即Michael Walsh博士（國際熱核實驗堆組織，法國）和Rory Scannell博士、Graham Naylor博士和Martin Dunstan博士（卡爾漢姆聚變能研究中心，英國）。部分MAST設計也被采納。 參考文獻 [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 捷克共和國 aftanas@ipp.cas.cz |
