使用​LabVIEW​和​PXI​测量​托克​马克​装置​COMPASS​中​聚变​等离子体​的​温度​和​密度

"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。 ​

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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

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
​Czech Republic
aftanas@ipp.cas.cz

​ ​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 ​
​ ​图​2.​汤姆​逊​散射​(TS)​系统​原理​框​图 ​
​ ​图​3.​激光​脉冲​机制 ​
​ ​图​4.LabVIEW​控制​程序​界面 ​