EAST水平硬X射線(xiàn)診斷單元研究

2009-09-15 李吉力人合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院

　　托卡馬克研究作為目前世界上最成功的受控核聚變裝置已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。EAST是我國(guó)自主建設(shè)具有D形截面的大型全超導(dǎo)托卡馬克實(shí)驗(yàn)裝置，它的高參數(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)于正在建設(shè)的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及物理研究有著十分重大的參考意義。

　　低雜波電流驅(qū)動(dòng)（LHCD）是目前托卡馬克裝置中電流驅(qū)動(dòng)效率最高的非感應(yīng)電流驅(qū)動(dòng)方法。LHCD通過(guò)朗道阻尼驅(qū)動(dòng)快電子來(lái)維持等離子體電流，因此可以利用快電子和主等離子體相互作用時(shí)發(fā)出的特定波段輻射（主要是韌致輻射）來(lái)研究LHCD的驅(qū)動(dòng)效果。LHCD驅(qū)動(dòng)的快電子能量從外部到芯部逐漸衰減，分布在數(shù)十到數(shù)百keV之間，相應(yīng)的韌致輻射在硬X射線(xiàn)(HXR)能段。因此通過(guò)測(cè)量特征硬X 射線(xiàn)快電子行為可以研究低雜波的電流驅(qū)動(dòng)行為。近年來(lái)，工作溫度在室溫區(qū)域的新型半導(dǎo)體CdTe探頭成為最佳的替代品，并在HT-7上獲得成功應(yīng)用，解決了上述的諸多限制條件，等離子體小截面上徑向二維HXR診斷已經(jīng)取得了相當(dāng)滿(mǎn)意的結(jié)果。但是由于HT-7缺少切向窗口，因此在剛剛開(kāi)展物理實(shí)驗(yàn)的全超導(dǎo)托卡馬克EAST上研制了這套基于CdTe探頭的HXR水平切向陣列（Hard X-rayHorizontal Tangent array spectroscopic Analyzer）, 簡(jiǎn)稱(chēng)HXHTA，主要目的是研究水平方向快電子行為、LHCD的沉積及LHCD的驅(qū)動(dòng)效率等物理特性，并為進(jìn)一步建立垂直HXR 系統(tǒng)提供經(jīng)驗(yàn)。

　　HXHTA的簡(jiǎn)要工作流程是：主等離子體特定水平位置的X射線(xiàn)特征能量在半導(dǎo)體探頭里激發(fā)電子—空穴對(duì)，在偏壓的作用下，形成相應(yīng)能量的輸出電流信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大變成窄脈沖電壓信號(hào)，信號(hào)高度（正比于X射線(xiàn)能量）被多道脈沖分析儀（MCA）轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，再輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的物理分析。為了得到盡可能準(zhǔn)確的物理分析結(jié)果，X射線(xiàn)能譜篩選、探測(cè)器匹配以及裝置抗干擾設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。本文介紹了HXHTA的設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)、與EAST裝置聯(lián)機(jī)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

2、基于CdTe探頭的HXR診斷

　　EAST裝置等離子體放電是在縱向磁場(chǎng)和極向磁場(chǎng)與等離子體自身產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)復(fù)合作用形成螺旋變化的復(fù)雜磁場(chǎng)位形中約束定向運(yùn)動(dòng)的電子和相應(yīng)反向運(yùn)動(dòng)的離子形成的電流，如圖1所示。

托卡馬克裝置等離子體磁場(chǎng)位形

圖1 托卡馬克裝置等離子體磁場(chǎng)位形

　　根據(jù)準(zhǔn)線(xiàn)性理論計(jì)算的低雜波電流驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)效率ηcd與低雜波被等離子體吸收時(shí)的平行折射率平方N2成反,所以低雜波主要朝大環(huán)的一個(gè)切線(xiàn)方向發(fā)射，從而在電子速度分布的高能尾部形成速度平臺(tái)，使得ηcd最大。如果需要精確地測(cè)量快電子分布函數(shù)以及角向動(dòng)量分布，則需要切向多角度的快電子韌致輻射（FEB）診斷。雖然測(cè)量到的切向HXR是單個(gè)切線(xiàn)方向上的第二類(lèi)曲線(xiàn)積分，但是由于快電子韌致輻射具有角向不均勻性，而且由于相對(duì)論效應(yīng)其輻射主要集中在低雜波入射方向，可以近似認(rèn)為是切線(xiàn)所在弧對(duì)應(yīng)的FEB。等離子體放電的大環(huán)主要區(qū)域是在半徑130cm 到235cm 之間。HXHTA的正向和反向探頭都為16個(gè)，把等離子體區(qū)域劃分為16個(gè)同心圓環(huán)，空間分辨率為7cm。因?yàn)榇翱谒匠叽缬邢蓿鞣较虻奶筋^按奇偶數(shù)分置兩層，層距3 cm，而等離子體小截面高度接近3m，經(jīng)過(guò)計(jì)算大環(huán)半徑誤差小于0.1cm，誤差對(duì)空間分辨率影響可以忽略，如圖2所示。

C窗口HXHTA示意圖

（射線(xiàn)分別表示探測(cè)器所在等離子體層中單個(gè)切向發(fā)射出的HXR 向量和，其值為第二類(lèi)曲線(xiàn)積分）

圖2 C窗口HXHTA示意圖

　　CdTe探頭體積小，對(duì)HXR具有較高的能量沉積率，能在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)多道測(cè)量，同時(shí)在無(wú)防護(hù)的情況下探頭抗中子干擾能力也比同類(lèi)探測(cè)器強(qiáng)，即使在中子輻射很強(qiáng)的情況下，由LHCD產(chǎn)生的HXR能譜也能被很好地識(shí)別出來(lái)，因此CdTe探頭作為可靠的測(cè)量手段在很多托卡馬克裝置上得到應(yīng)用。我們使用的法國(guó)Eurorad公司制造的CdTe 能譜型探頭，尺寸為5×5×3mm,有效測(cè)量范圍在20～200keV，且吸收率的線(xiàn)形較好，如圖3所示，圖中低能段是在探測(cè)狹縫口上加裝1mm厚的鋁膜用于截止低能射線(xiàn)。它對(duì)200keV的HXR 吸收率是31.6%；對(duì)57Co的122keV 的特征峰最好，分辨率可達(dá)3.8%，如圖4所示。