EAST上軟X射線能譜診斷系統(tǒng)的研制

張繼宗 潘國強 胡立群 王相綦 林士耀 徐立清

EAST上軟X射線能譜診斷系統(tǒng)的研制

張繼宗1,2潘國強1胡立群2王相綦1林士耀2徐立清2

1（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)國家同步輻射實驗室 合肥 230029）
2（中國科學(xué)院等離子體物理研究所 合肥 230031）

采用多元硅漂移探測器(Silicon Drift Detector, SDD)陣列和快速處理電子學(xué)系統(tǒng)在EAST托卡馬克上構(gòu)建了一套性能優(yōu)異的軟X射線能譜診斷系統(tǒng)，用于測量等離子體內(nèi)在軟X射線能段(1-30 keV)的輻射能譜。本系統(tǒng)觀測范圍覆蓋了EAST等離子體的下半空間，可在EAST上各種放電條件下獲得電子溫度分布。本系統(tǒng)具有較高的能量分辨率，可用于監(jiān)測等離子體內(nèi)的中高Z雜質(zhì)。系統(tǒng)安裝在EAST上并投入使用，驗證了系統(tǒng)的可靠性和有效性并取得良好的實驗結(jié)果。

東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)，軟X射線能譜，硅漂移探測器(Silicon Drift Detector, SDD)，電子溫度

等離子體電子溫度是受控磁約束核聚變實驗中基本的物理參數(shù)之一。為了提高電子溫度測量的精確度和可靠性，目前磁約束核聚變裝置上通常采用多種診斷系統(tǒng)進行測量[1]。在東方超環(huán)(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)上有4種電子溫度測量的診斷系統(tǒng)：湯姆遜激光散射(Thomson scattering, TS)、電子回旋輻射(Electron circle emission, ECE)、軟X射線彎晶譜儀(X-ray crystal spectrometer, XCS)和軟X射線能譜(Soft X-ray pulse height analyzer, SXPHA)。這4種診斷系統(tǒng)在時空分辨率、受等離子體中超熱電子和逃逸電子影響性、絕對或相對測量等方面各有所長，可以相互補充得到更全面可靠的測量結(jié)果。與另外3種診斷相比較，軟X射線能譜診斷雖然在時間和空間分辨率上稍微差了一些，但適用條件廣，幾乎可以在任意的等離子體放電條件下給出電子溫度分布，并且屬于被動測量，不會對等離子體產(chǎn)生影響。EAST進行高功率射頻波輔助加熱實驗以及長脈沖實驗時，軟X射線能譜診斷是一項不可或缺的測量手段。

在EAST裝置2008-2011年的實驗期間所使用的軟X射線能譜系統(tǒng)是從HT-7裝置上轉(zhuǎn)移過來的。利用這套系統(tǒng)在EAST裝置上取得不少好的實驗結(jié)果[2-5]，但也顯示出其窗口集成差、探測器老化、電子學(xué)系統(tǒng)低效等缺陷，不適應(yīng)EAST未來發(fā)展。因此重新建立一套軟X射線能譜診斷系統(tǒng)十分必要。

1 軟X射線能譜診斷系統(tǒng)的原理與設(shè)計

1.1 系統(tǒng)的基本原理

由高溫等離子體發(fā)射出軟X射線輻射主要包括三個部分：自由電子的軔致輻射、自由電子和離子間的復(fù)合輻射以及中、高Z雜質(zhì)原子殼層電子退激發(fā)輻射。其中前兩種是連續(xù)輻射，后一種是線輻射。因此，實驗中測到的軟X射線能譜是由連續(xù)輻射譜和線輻射譜的疊加[6]。

由軟X射線能譜計算等離子體電子溫度時需假設(shè)該等離子體內(nèi)電子處于局部熱平衡狀態(tài)即局部服從麥克斯韋分布，則電子溫度為Te的熱等離子體的韌致輻射功率密度為[7]：

復(fù)合輻射功率密度為：

其中：

式中，Te是電子溫度；ne是電子密度；ni是第i種元素離子密度；nik是第i元素第k電離態(tài)離子的密度；Ziff是第i種元素的有效電荷數(shù)；Zik是第i種元素k價態(tài)數(shù)；是軔致輻射的岡特因子；是i種元素k價態(tài)復(fù)合輻射的岡特因子，在軟X射線范圍內(nèi)，它們是接近于1的常數(shù)；χik是第i元素由k-1價態(tài)變?yōu)閗價態(tài)時的電離能；χH=13.6 eV是氫元素的電離能；ξ是主量子數(shù)n可提供的電子空位數(shù)。由式(1)和(2)得出兩種輻射功率密度都與exp(-E/Te)相關(guān)。公式兩邊取對數(shù)得到 ln(dP/dE) ∞Te-1，因此通過分析和計算軟X射線能譜數(shù)據(jù)可獲得等離子體的電子溫度。

1.2 能譜診斷系統(tǒng)的設(shè)計方案

根據(jù)EAST托卡馬克的運行區(qū)間和參數(shù)范圍，其等離子體的電子溫度會在0.6-5 keV，同時電子溫度的分布一般呈拋物線分布，即中心高、兩邊低。軟X射線能譜系統(tǒng)測量獲得的信號是一個弦積分的信號，在低能段時邊緣的信號占據(jù)份額比較大，選取能量段較低時，得到的誤差比較大。所以一般選取2.5Te-4Te能段計算電子溫度[8]，同時在EAST上還擁有一套20-200 keV的硬X射線診斷系統(tǒng)[9]。綜合考慮，將新的軟X射線能譜診斷系統(tǒng)設(shè)定測量能量在1-30 keV，同時也需滿足可在任意等離子體放電條件下獲得可靠并具有一定時間和空間的分辨率的電子溫度，并可監(jiān)測等離子體內(nèi)的中高Z雜質(zhì)。因此要求能譜診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，具有較好的能量分辨率和較高的計數(shù)率測量能力。

根據(jù)軟X射線能譜診斷系統(tǒng)在國內(nèi)外核聚變裝置上發(fā)展經(jīng)驗和目前探測器及電子學(xué)技術(shù)的發(fā)展，決定采用由硅漂移探測器(Silicon Drift Detector, SDD)、場效應(yīng)管電荷靈敏前置放大器、線性放大器和快速多道組成診斷系統(tǒng)。

系統(tǒng)的設(shè)計方案如圖1所示。入射X射線被SDD吸收并激發(fā)電子-空穴對，在探測器的偏壓電場作用下，電子和空穴被收集并在輸出回路中形成原始電流信號。電流信號經(jīng)電荷靈敏前置放大器和主放大器兩級放大后，形成幅值正比于入射X射線能量的脈沖電壓信號，脈沖信號由多道分析器(Multi-channel analyzer, MCA)處理成數(shù)字信號并送入采集計算機存儲形成X射線能譜，最后由電子溫度處理軟件對能譜數(shù)據(jù)進行分析獲得電子溫度。

圖1 軟X射線能譜診斷系統(tǒng)設(shè)計方案示意圖Fig.1 SXPHA system block diagram.

1.3 能譜診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了提高SDD探測器在高能段的軟X射線(10-25 keV)的探測效率，同時也為了探測器陣列集成盡可能的小，因此選用10個厚度450 μm、面積7 mm2的SDD探測器組成一個探測器陣列。SDD探測器具有高計數(shù)率測量、高能量分辨率、常溫保存的優(yōu)點，同時工作時無需液氮，可在電制冷條件下工作，因此適合多路陣列的集成。同時在半導(dǎo)體制冷片的熱端添加一級恒溫(20°C)的內(nèi)循環(huán)水冷裝置，用于保證半導(dǎo)體制冷片熱端熱量能及時排除，保持其穩(wěn)定的工作，同時也確保與之相連的前置放大器的溫度穩(wěn)定。

圖2 軟X射線能譜診斷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 SXPHA system overview schematic.

前置放大器是由低噪聲靈敏電荷放大器和集成在探測器上的場效應(yīng)晶體管(Field Effect Transistor, FET)輸入電路組成。如圖3(c)所示，入射X射線在探測器上產(chǎn)生的電荷被前置放大器收集，在反饋電容上形成電壓躍遷輸出。躍遷電壓幅值與入射X射線的能量成正比，而躍遷上升時間與入射X射線的能量無關(guān)，是前置放大器本身固有值，量級為200ns，滿足高計數(shù)率的要求。

同時由于漏電流的一直存在且為一穩(wěn)定值，漏電流在反饋電容上形成一個緩慢持續(xù)爬坡的信號，如圖3(a)所示。當(dāng)信號上升到某一特定值時，觸發(fā)放大器的內(nèi)置清零脈沖，電容上的電荷被快速中和，重新歸零，如圖3(a)和(b)所示。同時場效應(yīng)晶體管可以有效降低噪聲，因此這種前置放大器同時具有低噪聲和快速處理脈沖信號的能力。

圖3 前置放大器輸出波形圖 (a) 無X射線入射，(b) 有X射線入射，(c) 單脈沖信號Fig.3 Oscillogram of pre-amplifier. (a) Without incident X-rays, (b) With incident X-rays, (c) A single pulse signal

主放大器采用AC耦合輸入，用于消除爬坡的信號，采用RC-CR整形電路來生成半高斯脈沖。如圖4所示，整個放大器頻率響應(yīng)表現(xiàn)為帶通濾波器的特征，最大增益的頻率在500-600 kHz。為了滿足高計數(shù)率的需要，將主放大器的成形時間設(shè)定為0.2 μs，輸出脈沖的寬度為1.8 μs，能有效處理400kHz的脈沖數(shù)據(jù)，如圖5所示。

圖4 主放大器頻率響應(yīng)增益Fig.4 The frequency response gain of amplifier.

圖5 主放大器輸出波形圖Fig.5 Output waveform of amplifier.

雖然多道分析器(Multi-channel analyzer, MCA)分辨率可達16 000甚至更高，但根據(jù)EAST上的運行參數(shù)以及對軟X射線能譜診斷系統(tǒng)的要求，每個MCA獨立自帶分辨率10位的ADC和約2.5 MB用于存儲能譜的內(nèi)存，每道的最大計數(shù)為216-1(65535)，則每一幅能譜占用內(nèi)存2 KB，這樣每一個MCA可存儲的能譜數(shù)為1200幅，每幅能譜采集的時間在1-216-1(65 535) ms自由預(yù)設(shè)定，以滿足不同的放電脈沖的長度(1-1 000 s)需要。同時MCA處理每個脈沖信號的時間要約5μs，因此處理脈沖最高速率達到180-200 kHz，滿足高計數(shù)率測量(＞100kHz)的要求。

1.4 能譜診斷系統(tǒng)的標(biāo)定

為了獲得等離子體中軟X射線能譜，必須對軟X射線能譜診斷系統(tǒng)進行能量刻度標(biāo)定。本系統(tǒng)采用55Fe放射源的衰變產(chǎn)生的Mn Kα(5.90 keV)和Mn Kβ(6.49 keV)以及銀靶和金靶的X射線管激發(fā)產(chǎn)生的Ag Kα(22.10 keV)、Ag Kβ(24.92 keV)、Au Lα(9.71 keV)、Au Lβ(11.44 keV)和Au Lγ(13.38 keV)進行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果如圖6所示。

由圖6(a)可知，系統(tǒng)具有較高的能量分辨率：140 eV@5.9 keV、220eV@9.71 keV和410 eV@ 22.1 keV。圖6(b)中公式為MCA道址與X射線能量的函數(shù)關(guān)系，R2為擬合線性相關(guān)系數(shù)，當(dāng)R2為1時，顯示系統(tǒng)有極好線性關(guān)系。

圖6 系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果 (a) 金靶、銀靶X射線管和55Fe放射源能譜圖，(b) 能量與MCA道數(shù)刻度關(guān)系Fig.6 Calibration of SXPHA system. (a) Spectrum of gold and silver target and 55Fe source, (b) Relationship between energy and MCA channel number

2 初步實驗及其結(jié)果

2.1 診斷系統(tǒng)在EAST裝置的安裝

在EAST上，診斷系統(tǒng)可用的空間有限，因此10路SDD探測器陣列的光路設(shè)計采用最省空間的小孔成像光路。觀測空間范圍為EAST等離子體區(qū)域的下半空間(Z=0--55 cm)，如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)在EAST上的安裝示意圖(a)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖(b)Fig.7 Schematic diagrams of installation (a) and structure (b) of SXPHA system on EAST.

由于不同參數(shù)的放電條件，等離子體輻射出的軟X射線強度會相差幾十倍甚至上百倍。為了滿足不同放電條件下，軟X射線能譜系統(tǒng)均能獲得一個比較合適的計數(shù)率(5-100 kHz)保證數(shù)據(jù)的可靠性和有效性，因此需要設(shè)計一套光通量調(diào)節(jié)裝置。這套裝置主要包括：一個帶有不同孔徑大小的鎢薄板調(diào)節(jié)器和5個帶有不同厚度的鈹膜調(diào)節(jié)器。其中1個鈹膜調(diào)節(jié)器和鎢薄板調(diào)節(jié)器組成總的光通量調(diào)節(jié)裝置，用于總調(diào)10個探測器的光通量。由于最邊緣2個探測器觀測的是溫度和密度相對較低的等離子體邊緣區(qū)域，因此沒有必要安裝鈹膜調(diào)節(jié)器；另外8個探測器中的每相鄰的2個分別被4個鈹膜調(diào)節(jié)器來獨立調(diào)節(jié)光通量。通過這套光通量調(diào)節(jié)器來保證各個探測器均能獲得一個合適的光通量，最終得到可靠有效的能譜。Ф100高真空插板閥能保證在不破壞裝置真空情況下拆裝和測試系統(tǒng)。系統(tǒng)通過氟橡膠圈、環(huán)氧套管和隔離變壓器與EAST裝置進行電氣絕緣，確保系統(tǒng)在EAST裝置放電期間受到的電磁干擾盡可能小。

2.2 初步實驗結(jié)果

該套軟X射線能譜診斷系統(tǒng)已經(jīng)安裝在EAST水平E窗口上投入使用，獲得了大量有效的、可靠的實驗數(shù)據(jù)，豐富了物理實驗的內(nèi)容。

為了驗證軟X射線能譜診斷系統(tǒng)獲得的電子溫度的有效性和可靠性，在歐姆放電條件下SXPHA系統(tǒng)與ECE系統(tǒng)進行對比，在低雜波和離子回旋波加熱獲得高約束等離子體放電條件下，SXPHA與XCS系統(tǒng)進行對比，結(jié)果如圖8所示。從圖8中看出，軟X射線能譜診斷系統(tǒng)測量的電子溫度隨時間演化分別與ECE系統(tǒng)測量的結(jié)果和XCS獲得結(jié)果基本是一致的，相互之間的偏差也在誤差范圍內(nèi)。

圖8 SXPHA獲得電子溫度與ECE和XCS獲得的溫度對比Fig.8 Comparison Te obtained from SXPHA with ECE and XCS.

在EAST實驗中，取得了偏濾器位型下，由低雜波驅(qū)動脈沖時間超過400 s的長脈沖等離子體放電。SXPHA診斷系統(tǒng)進行跟蹤測量，獲得了長脈沖放電條件的電子溫度數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖9所示。從圖9看出，電子溫度在整個放電過程是比較平滑的。

圖9 EAST上#43336炮長脈沖放電波形圖Fig.9 Waveform of shot 43336 long pluse discharge on EAST.

由于SDD探測器具有較高的能量分辨率，因此系統(tǒng)可用于監(jiān)測等離子體內(nèi)的中高Z雜質(zhì)。圖10顯示了低雜波和離子回旋波加熱等離子體放電#39465炮在5.2-5.6 s時刻段的能譜圖。從圖10中可以明顯看到，氬(Ar)、鈦(Ti)、鉻(Cr)、鐵(Fe)、銅(Cu)等雜質(zhì)Kα線。其中Ar雜質(zhì)來源XCS系統(tǒng)主動充的氬氣，Ti、Cr、Fe、Cu等金屬雜質(zhì)主要來自第一壁上的不銹鋼和天線。

圖10 #39465炮在5.2-5.6 s時刻段的軟X射線能譜圖Fig.10 Spectrum of soft X-ray of shot 39465 discharge at 5.2-5.6 s.

3 結(jié)語

采用了SDD探測器以及高速電子學(xué)系統(tǒng)在EAST托卡馬克上組建了一套軟X射線能譜診斷系統(tǒng)。通過系統(tǒng)的測試和標(biāo)定以及在EAST上運行表現(xiàn)可知，該套系統(tǒng)性能優(yōu)異。通過與其他相關(guān)診斷的對比，證明系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)可靠有效，能為EAST上各種放電條件的實驗提供必要的電子溫度數(shù)據(jù)。鑒于系統(tǒng)擁有較好的能量分辨率，該系統(tǒng)也可用于監(jiān)測等離子體內(nèi)的中高Z雜質(zhì)，是研究EAST等離子體中的中高Z雜質(zhì)行為的有力工具。

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CLC TL65

Development of the soft X-ray energy spectrum diagnostic system on EAST

ZHANG Jizong1,2PAN Guoqiang1HU Liqun2WANG Xiangqi1LIN Shiyao2XU Liqing2
1(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)
2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: Electron temperature is one of most important parameters in the controlled magnetic confinement fusion experiments. Purpose: We attempt to develop a set of soft X-ray energy spectrum diagnostic system for measuring the plasma soft X-ray (1-30 keV) spectra on Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST). Methods: The diagnostic system is based on a 10-element Silicon Drift Detector (SDD) array and fast electronics, and basically views lower half-space of the plasma. Results: The diagnostic system can measure electron temperature under various plasma configuration conditions and the electron temperature obtained from the system is consistent with electron circle emission (ECE) and X-ray crystal spectrometer (XCS) diagnostic systems. And the system can monitor the middle and high Z impurities in the plasma as the good energy resolution of the system. Conclusion: The diagnostic system had been installed on EAST and verified its reliability and effectiveness and gained the good experimental results.

Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), Soft X-ray energy spectrum, Silicon Drift Detector (SDD), Electron temperature

TL65

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070401

國家自然科學(xué)基金項目(No.11305207、No.11175208、No.11261140328)、國家磁約束核聚變能研究專項(No.2011GB101004)資助

張繼宗，男，1985年出生，2007年畢業(yè)于清華大學(xué)，助理研究員，從事等離子體X射線研究

2013-12-27，

2014-04-18