CdTe探測(cè)器對(duì)EAST托卡馬克中20–200 keV硬X射線測(cè)量

席 瑩 林士耀 胡立群 徐立清 張繼宗

(中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031)

EAST(Experimental advanced superconducting tokamak)托卡馬克是我國(guó)自行設(shè)計(jì)、制造的全超導(dǎo)非圓截面托卡馬克核聚變實(shí)驗(yàn)裝置。它利用外部線圈產(chǎn)生的環(huán)向磁場(chǎng)與離子體電流自身感應(yīng)產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)，對(duì)等離子體進(jìn)行約束。其高參數(shù)穩(wěn)態(tài)等離子體運(yùn)行及相關(guān)工程技術(shù)和物理研究，對(duì)于國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆(ITER)的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及物理研究有重大的參考意義。EAST全超導(dǎo)托卡馬克的基本參數(shù)[1]為：縱場(chǎng)BT=3.5 T，大半徑R0=1.75 m，小半徑a=0.4 m，拉長(zhǎng)比1.2–2，在限制器和偏濾器(單零，雙零位形)條件下放電運(yùn)行。

低雜波電流驅(qū)動(dòng)(LHCD)是研究長(zhǎng)脈沖穩(wěn)態(tài)運(yùn)行和先進(jìn)托卡馬克位形等物理問(wèn)題的重要手段，是目前驅(qū)動(dòng)效率最高的非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)方法。低雜波通過(guò)朗道阻尼驅(qū)動(dòng)快電子來(lái)維持等離子體電流，因此，可利用快電子和主等離子體相互作用(主要是軔致輻射)發(fā)出特定波段的射線來(lái)研究 LHCD的驅(qū)動(dòng)效果。

Goeler等[2]在PLT裝置上使用碘化納(NaI)閃爍體陣列研究硬X射線的輻射強(qiáng)度及能譜分布，利用硬 X射線研究低雜波電流驅(qū)動(dòng)。Peysson[3]在 Tore Supra裝置上安裝的碲化鎘(CdTe)探測(cè)器陣列是研究快電子的有力工具。2012年在EAST托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置上，建立了水平七道的 CdTe探測(cè)器陣列，用來(lái)研究水平方向的快電子行為、LHCD的沉積以及驅(qū)動(dòng)效果等的物理特性[4]。本文介紹了硬X射線診斷系統(tǒng)和電子線路，并給出EAST硬X射線診斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 硬X射線診斷系統(tǒng)

低雜波通過(guò)平行朗道阻尼將超熱電子加速至共振能量，高能快電子碰撞頻率低、速度高，可有效攜帶非感應(yīng)電流?？祀娮拥墓舱衲芰吭跀?shù)十至兩百keV，硬X射線測(cè)量的能段區(qū)域?yàn)?0–200 keV，所以，探測(cè)器的選擇是硬X射線測(cè)量的關(guān)鍵。碲化鎘(CdTe)探測(cè)器是一種化合物半導(dǎo)體探測(cè)器，具有較高能量分辨率，室溫下工作不受磁場(chǎng)干擾。而且體積小，對(duì)硬X射線具有較高的能量沉積率，能在有限的空間范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)多道測(cè)量，同時(shí)在無(wú)防護(hù)情況下，對(duì)探頭抗中子干擾能力較強(qiáng)，即使在中子輻射很強(qiáng)情況下，由低雜波產(chǎn)生的硬X射線能譜也能很好的識(shí)別出來(lái)，因此CdTe探頭可作為可靠的測(cè)量手段在托卡馬克裝置上得到使用。

我們使用的是法國(guó) Eurorad公司生產(chǎn)的 CdTe能譜型探頭，尺寸為5 mm×5 mm×3mm，有效測(cè)量范圍在20–200 keV，且吸收率的線形較好。圖1為硬X射線探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)效率，圖2為57Co的標(biāo)定能譜。圖中低能段(小于20 keV)是在探測(cè)夾縫口上加裝1 mm厚的鋁膜用于截止低能段的射線。它對(duì)200 keV硬X射線的吸收率為31.6%，能量分辨率為4.7 keV@122 keV。

圖1 硬X射線探測(cè)系統(tǒng)效率Fig.1 Detection efficiency of HXR detection.

圖2 放射源57Co標(biāo)定能譜Fig.2 57Co calibration spectrum.

EAST上硬X射線診斷系統(tǒng)如圖3所示，該系統(tǒng)位于EAST水平A窗口上，空間分辨率約為10 cm，探測(cè)范圍137–197 cm，基本覆蓋等離子體全空間，為屏蔽非觀測(cè)范圍內(nèi)的X射線[5]，我們利用2 cm厚的鉛對(duì)探測(cè)器進(jìn)行屏蔽，同時(shí)，每個(gè)探測(cè)器前均有直徑2 mm、長(zhǎng)度10 cm的準(zhǔn)直孔進(jìn)行準(zhǔn)直。主等離子體特定水平位置的硬X射線在CdTe探頭里激發(fā)電子-空穴對(duì)，其數(shù)目與X射線的能量成正比，在偏壓電場(chǎng)作用下，電子和空穴被探頭的兩極收集在輸出回路中形成信號(hào)，經(jīng)電荷靈敏前置放大器(charge preamplifier)和線性電壓放大器(linear amplifier)放大處理，初始信號(hào)形成窄脈沖的電壓信號(hào)，脈沖高度(正比于X射線的能量)被多道脈沖分析器(MCA—multi-channel analyzer)變成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)。所以X射線能譜測(cè)量系統(tǒng)也被稱為高度脈沖分析器—PHA(pulse height analyzer)[6–8]。圖4為硬X射線診斷系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)流程示意圖。

其中 MCA 包含幅度-數(shù)字變換器(ADC)和數(shù)據(jù)緩存器(MEM)兩部分。我們使用的是威金森(Wilkinson)型幅度-數(shù)字變換器，它采用線性法進(jìn)行幅度-數(shù)字轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)緩存器的變換道數(shù)有 512或1024，硬X射線診斷用的道數(shù)為1024。主放的成形時(shí)間為0.3 μs，可容許200 kHz的計(jì)數(shù)率而不產(chǎn)生嚴(yán)重的堆積效應(yīng)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用來(lái)收集EAST托卡馬克長(zhǎng)脈沖放電的能譜。每幅譜的采樣時(shí)間從1 ms到500 ms連續(xù)可調(diào)，能滿足數(shù)十秒至上百秒的長(zhǎng)脈沖放電需要。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安放了內(nèi)置式網(wǎng)卡，從主控計(jì)算機(jī)發(fā)出的指令和采集的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)線傳送，工作指令以UDP數(shù)據(jù)包形式發(fā)給數(shù)據(jù)緩存器后，指令將被MEM中的嵌入式CPU執(zhí)行。圖5為MCA工作流程圖，一臺(tái)數(shù)據(jù)緩存器可連接8個(gè)ADC，一臺(tái)計(jì)算機(jī)又可通過(guò) HUB控制多臺(tái)數(shù)據(jù)緩存器，所以，在EAST控制室用一臺(tái)電腦可以控制多個(gè)數(shù)據(jù)的采集[2,9–14]。

圖3 EAST水平七道硬X射線診斷系統(tǒng)示意圖Fig.3 The schematic view of the HXR diagnostic in EAST of 7 detectors.

圖4 硬X射線診斷信號(hào)流程圖Fig.4 Block diagram of hard X-ray.

圖5 MCA系統(tǒng)工作流程圖Fig.5 Schematic of MCA system.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在EAST實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，硬X射線CdTe探測(cè)器診斷系統(tǒng)工作良好，信號(hào)及信噪比較好，能夠滿足等離子體硬X射線軔致輻射的要求。圖6為典型的EAST托卡馬克LHCD等離子體的放電波形圖，主要參數(shù)為：等離子體電流約250 kA，低雜波的注入功率約 500 kW，等離子體中心弦平均密度約為1.0×10?19m?3，低雜波維持時(shí)間約為 3.5 s。從圖中可以看到在加波前后，等離子體密度Ne沒(méi)有太大變化，環(huán)電壓從加波前的約2.0 V降至加波期間的大約1.0 V。從環(huán)電壓的下降可明顯看出LHCD驅(qū)動(dòng)電流的效果，由硬X射線能譜看出，加波前的歐姆放電中硬X射線計(jì)數(shù)非常少，加入LHCD后來(lái)自等離子體的硬X射線輻射通量明顯增加。這是由于加波后有更多的快電子產(chǎn)生，使快電子的軔致輻射增強(qiáng)。圖7給出不同密度下LHCD實(shí)驗(yàn)的硬X射線實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在同一炮放電情況下，等離子體電流約300 kA，低雜波功率500 kW，由圖7可見(jiàn)，在2.0–2.5 s間等離子體密度約為 1.7×10?19m?3，在 2.8–3.2 s等離子體密度約為 2.5×10?19m?3，可以看出，在等離子體電流、環(huán)電壓以及低雜波功率基本保持不變時(shí)，等離子體密度升高后，硬X射線信號(hào)輻射強(qiáng)度減弱。圖8為硬X射線在加低雜波平穩(wěn)階段的三維徑向分布圖，X軸為七道探測(cè)器的位置分布，Y軸為時(shí)間軸，Z軸為硬X射線的輻射強(qiáng)度。其中等離子電流為 400 kA，等離子體密度為 3.2×10?19m?3，低雜波功率約為900 kW，三維徑向分布可給出低雜波能量的沉積位置。

圖6 EAST實(shí)驗(yàn)低雜波電流驅(qū)動(dòng)的典型實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Typical waveform of LHCD plasma in EAST.

圖7 EAST不同密度的低雜波實(shí)驗(yàn)Fig.7 Different density of LHCD plasma in EAST.

圖8 LHCD實(shí)驗(yàn)硬X射線徑向強(qiáng)度分布Fig.8 The hard X-ray radial distribution.

3 結(jié)語(yǔ)

在EAST托卡馬克裝置上安裝了基于CdTe(碲化鎘)探測(cè)器的水平七道硬 X射線診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有較好的時(shí)間和空間分辨率，并在實(shí)驗(yàn)中取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了其具有較好的有效性和可靠性。CdTe探測(cè)器具有較高的探測(cè)效率、較好的能量分辨率，且可在常溫下使用。CdTe探測(cè)器信號(hào)穩(wěn)定、信噪比也較好。在EAST高參數(shù)實(shí)驗(yàn)中，等離子體的溫度越來(lái)越高，相應(yīng)輻射的硬X射線能量也隨之增強(qiáng)，因此，將會(huì)被能量探測(cè)范圍更高的半導(dǎo)體探測(cè)器CZT(碲鋅鎘)探頭所取代。CZT是在CdTe中參入Zn，從而增加禁帶寬度，CZT晶體探頭相比CdTe探頭，還具有暗電流更低、電阻率更高、熱穩(wěn)定性更好和帶隙(～1.7 eV)更寬、能量分辨率更高等諸多優(yōu)異的性能。

1 WU S T. An overview of the EAST project[C] // 24th symposium on fusion technology(SOFT). Warsaw, Poland:[s.n.], 2006

2 Goeler S V, Stevens J. Angular distribution of the bremsstrahlung emission during lower-hybrid current drive on PLT[J]. Nuclear Fusion, 1985, (25): 1515–1528

3 Peysson Y, Coda S. Hard X-ray CdTe tomography of Tokamak fusion plasmas[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2001, (458): 269–274

4 LI Jieren, LIN Shiyao. Study on EAST horizontal hard X-ray diagnostic unit[J]. Vacuum, 2009, 46(4): 79–82

5 張宇, 羅鵬, 姚澤恩, 等. D-T快中子治療準(zhǔn)直屏蔽體設(shè)計(jì)及中子特性模擬[J]. 核技術(shù), 2010, 33(8): 580–583 ZHANG Yu, LUO Peng, YAO Zeen,et al. The beam shaping assembly design and performance simulation of D-T neutron source for fast neutron therapy[J]. Nuclear Techniques, 2010, 33(8): 580–583

6 LIN Shiyao. Hard X-ray PHA system on the HT-7 Tokamak[J]. Plasma Science and Technology, 2006, 8(3):261–264

7 XU Ping, LIN Shiyao. Diagnostic of soft X-ray based on silicon drift detector in EAST fully-superconducting Tokamak[J]. Atomic Energy Science and Technology,2010, 44(6): 757–763

8 陳忠勇. HT-7低雜波電流驅(qū)動(dòng)以及高能電子動(dòng)力學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 博士學(xué)位論文. 中國(guó)科學(xué)院等離子體物理研究所, 2006 CHEN Zhongyong. Lower hybrid current drive experiments and dynamics of energetic electrons in the HT-7 Tokamak[D]. Ph.D Dissertation. Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, 2006

9 SHI Yuejiang, WAN Baonian. Study of the correlation between power deposition of the lower hybird waves and the hard X-ray radiation on HT-7 tokamak[J]. Chinese Physics, 2001, 10:134–138

10 SHI Yuejiang, CHEN Zhongyong, WAN Baonian,et al.Soft X-ray pulse height analyzer in the HT-7 Tokamak[J].Review of Scientific Instruments, 2004, 75(11): 4930–4933

11 Karney C F, Fisch N J. Current in wave-driven plasmas[J].Physics of Fluids, 1986, (29): 180–192

12 CHEN Zhongyong, WAN Baonian, SHI Yuejiang,et al. A compact soft X-ray PHA in the HT-7 Tokamak[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A,2004, 527: 604–608

13 Martin-Solis J R, Esposito B, Sanchez R,et al.Comparison of runaway dynamics in LH and ECRH heated discharges in the Frascati Tokamak upgrade nuclear fusion[J]. Nuclear Fusion, 2005, 45: 1524–1533

14 劉智民, 胡純棟, 劉勝, 等. EAST強(qiáng)流離子源電源系統(tǒng)的初步測(cè)試運(yùn)行[J]. 核技術(shù), 2011, 34(11): 837–841 LIU Zhimin, HU Chundong, LIU Sheng,et al.Development of the power supplies of the prototype ion source for the EAST[J]. Nuclear Techniques, 2011, 34(11):837–841