使用LabVIEW和PXI测量托卡马克COMPASS装置聚变等离子体的温度和密度

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.

核聚变是恒星的天然能量来源。在核聚变过程中，多个原子核合并在一起形成一个质量更重的原子核。如氢等参与核反应的轻原子核会释放大量能量。核聚变有可能成为一种安全清洁的能源，因其取之不尽用之不竭，可满足未来的能源需求。但是​它的​应用​要求​非常​苛刻，使得受控核聚变​难以用于​民用。磁约束可能是克服核聚变困难的一种方法，这样​​就​可以​利用​核​聚变​作为​能量​来源。最近，我们确定托卡马克是最具前景的磁约束装置，如今托卡马克比任何其他磁约束或惯性约束核聚变装置都更易于实现核聚变。

托卡马克装置COMPASS

托卡马克是一种利用磁场来维持高温和高密度等离子体的装置。捷克​科​学院​等离子体​物理​研究所​作为​欧洲​原子能​共同​体​(EURATOM)的​成员，参与了全球核聚变研究计划。我们将COMPASS装置托卡马克（图1）重新安装在捷克​共和国布拉格​的​IPP​，其原来位于英国​卡尔​汉​姆​CCFE[1]。并​在​2008​年​12​月​首次通过磁约束核聚变​生成​等离子体。

汤姆孙散射

为了研究和控制等离子体行为并维持其平衡，我们需要一套诊断工具。聚变等离子体研究中最重要的参数之一是等离子体温度和密度。汤姆孙散射(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]。TS的缺点是设计复杂，以及由于其散射效率极低，需要进行大量构建。

现在​COMPASS​装置​上​的​TS​系统​正在​构建​中​[3]。图2显示了该系统的布局示意图。其​主要​组成​部分​有大功率激光器、​用于​测量​散射​光谱​的​多色仪​以及​快速​模数​转换​器(ADC)​。我们使用了两台掺钕钇铝石榴石(Nd：YAG)激光器，其重复频率均为30 Hz，最大输出能量为1.5 J。激光穿过等离子体并被部分散射。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​仪​(由​英国​CCFE设计)，​在​这里​入射光​通过​级​联​光谱​滤波​器​和​雪崩​光电​二极管(​APD)​进行​光谱​分析。该系统为每个多色仪使用多达五个光谱通道进行光谱测定。最后，从​每​个​APD传来​的​信号由快速模数转换器进行数字化。

数据采集要求

每个激光脉冲的持续时间为8 ns，激光器可在不同机制下工作（见图3）：两个激光器同时工作，或两个激光器分别以可调的时间延迟(1 μs－16.6 ms)工作。​该​系统​对​快速模数转换器的​要求表明，需要以足够的采样率数字化这些信号，以重建激光脉冲时间​演化。

系统硬件

我们使用高速NI-PXI-5152数字化仪和低速D-tAcq ACQ196CPCI 模数转换器板​卡，​同步​来自​所有​多色​仪（120​个​光谱​通道）​的​数字​化​信号。快速模数转换器以高达1 GS/s的吞吐量、8位分辨率和小于300 ps的通道间偏移转换数据。这些模数转换器板​卡(每个板​卡两个通道)具有每通道8 MB的板载内存，并安装在四个PXI-1045机箱中。

第一个机箱，也称为主机箱，内置一个嵌入式四核PXI-8110控制器，其​同时​拥有​触发​和​定​时​板​卡​，用于同步其余三个附属​机箱。主机箱存储数据、执行计算，并通过远程控制器与附属​机通信，通过以太网与低速模数转换器板卡和COMPASS装置控制系统(CODAC)通信。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技术和内嵌​锁相环(PLL)，即使在这种高通道数系统中，我们也可以实现小于300 ps的通道间偏移。低速数字化仪每通道有16位模数转换器，采样速率为500 kS/s，可实现真正的同步模拟输入。我们使用了两块低速模数转换器板​卡，每个板​卡有96个通道、一个400 MHz精简指令集运算(RISC)处理器和512 MB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。基本的软件功能包括参数设置、触发准备、采集​和显示采集记录以及将数据保存到文件（参见图4）。我们​将​在​以后​增添其他功能，​如​数据​分析、​数据​接口​和​其他​必要​的​更多​功能。该软件在Microsoft Windows平台上运行。我们将来可以使用LabVIEW Real-Time模块在托卡马克控制回路​内进行确定性操作。

DAQ功能

由于激光脉冲触发数据采集，因此激光定时是目前COMPASS装置​实时TS的制约因素。由于TS DAQ的硬件和软件是模块化的，未来我们可以增加数字化仪的数量，并可能使用主机箱中的嵌入式计算机进行激光触发。将分段采集数据。

由于NI PXI-5152数字化仪的多记录采集功能，每次数据段采集只需1 µs。每个段代表一个激光脉冲或者​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​操作系统干预就可启动每个数据段采集。​经过​试验​（等离子射入），我们将每个数字化仪的板载内存中的所有数据​段全部下载到主机箱的嵌入式计算机中，在那里处理原始数据。校准数据存储在嵌入式计算机中，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。该系统集成了散射信号，​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​

用于汤姆​孙散射诊断的COMPASS DAQ系统能够测量散射信号的演化，从而为我们提供重建温度和密度剖面所需的信息。也​使​我们​可以​在所​需​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孙​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，即：Michael Walsh博士（法国ITER组织）和Rory Scannell博士Graham Naylor博士以及Martin Dunstan博士（英国卡尔​汉​姆​聚变能源中心）对本项目的大力协作和支持。我们采用了部分MAST设计。

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

本次工作在GA CR No.202/09/1467、UFP AVCR(#AV0Z20430508)、MSMT #7G10072和Euratom的资助下进行。本文表达的观点和意见不一定反映欧盟委员会的观点和意见。

作者信息：

Milan Aftanas
Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
Za Slovankou 3
布拉格 8 182 00
捷克共和国
aftanas@ipp.cas.cz