使用LabVIEW和PXI測量托克馬克裝置COMPASS中聚變等離子體

　　挑戰(zhàn):

　　研發(fā)托克馬克測量系統(tǒng)，以滿足磁約束受控核聚變的嚴(yán)格測量要求。

　　解決方案:

　　使用NI Labview軟件和PXI硬件來開發(fā)一套完整的聚變等離子體測量系統(tǒng)，且該系統(tǒng)在未來可進(jìn)行必要時更新。

　　核聚變是恒星的力量源泉，它是將多個原子核合并在一起形成一個單一的重原子核的過程。加入較輕的原子核，如氫原子，產(chǎn)生巨大的能量釋放。聚變具有成為未來幾代安全、潔凈且近乎無限的能量來源的潛力。但是它的應(yīng)用要求非?？量蹋@使控制聚變用于民用目的非常困難。磁約束可以作為克服核聚變困難的一種方法，這樣我們就可以利用核聚變作為能量來源。最近我們確定托克馬克為最具應(yīng)用前景的磁約束裝置，且目前托克馬克比其他磁約束裝置或慣性聚變裝置更接近聚變。

　　托克馬克裝置COMPASS

　　托克馬克是利用磁場維持高溫高密度等離子體的裝置，捷克科學(xué)院等離子體物理研究所(IPP ASCR)作為歐洲原子能共同體(EURATOM)的成員，參與了全球聚變研究計劃。我們將原來位于英國卡爾漢姆聚變能研究中心(Culham Center for Fusion Energy，CCFE)的托克馬克裝置COMPASS(圖1)重新安裝到了位于捷克布拉格的捷克科學(xué)院等離子體物理研究院[1]，并在2008年12月首次生成等離子體。

　　湯姆遜散射

　　為了研究和控制等離子體行為并維持其平衡，我們需要一系列診斷工具。聚變等離子體研究最重要的參數(shù)之一就是等離子體溫度和密度。湯姆遜散射(Thomson Scattering，TS)是用于診斷這些參數(shù)的獨特方法，這是一種可提供高度本地化測量的激光輔助等離子體診斷方法[2]。設(shè)計復(fù)雜和由于散射效率極低導(dǎo)致需要相當(dāng)大量的工作是湯姆遜散射的一些缺點。

　　現(xiàn)在COMPASS裝置上的TS系統(tǒng)正在建設(shè)中[3]，圖2顯示了這個系統(tǒng)的布局示意圖，其主要組成部分有高能激光器、用于測量散射光譜的多色器以及快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器(Analog-to-Digital Converters，ADCs)。我們使用了兩臺釹釔鋁石榴石激光器(Nd:YAG),二者重復(fù)頻率為30Hz，最大輸出能量為1.5J。激光穿過等離子體并部分被散射。單色光在散射后光譜展寬，散射光從56個空間點經(jīng)過光路和光纖組合系統(tǒng)到多色器(設(shè)計于英國卡爾漢姆聚變能研究中心CCFE)，在這里入射光通過級聯(lián)光譜濾波器和雪崩光電二極管(Avalanche Photodiodes，APD)進(jìn)行光譜分析。該系統(tǒng)的每個多色器使用多達(dá)5個光譜通道用于光譜測定，最終實現(xiàn)每個從雪崩光電二極管傳來的信號都被快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。

　　數(shù)據(jù)采集需求

　　每個激光脈沖持續(xù)時間為8ns，且激光器可以在不同機(jī)制下工作(如圖3)。兩個激光器可以同時工作，或者分別按可調(diào)的延遲時間(1 μs–16.6 ms)進(jìn)行工作。該系統(tǒng)對快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求反映出它對數(shù)字化這樣的信號需要足夠的采樣率來重建激光脈沖時間演化。

　　系統(tǒng)硬件

　　我們使用高速NI PXI-5152數(shù)字化儀和低速D-Tacq ACQ196C PCI ADC板卡來同步來自所有多色器(120個光譜通道)的數(shù)字化信號。快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器擁有高達(dá)1GS/s的轉(zhuǎn)換速率，8位分辨率以及小于300ps的通道間偏移。這些ADC板卡(每個板卡兩個通道)每通道擁有8MB板載內(nèi)存并被安放在四個PXI-1045機(jī)箱中。

　　第一個機(jī)箱，也稱作主機(jī)箱，安放了一個嵌入四核的PXI-8110控制器，其同時擁有觸發(fā)和定時板卡以同步剩余三個附屬機(jī)箱。主機(jī)箱儲存數(shù)據(jù)，執(zhí)行計算，通過MXI-4技術(shù)(78MB/s)與附屬機(jī)箱進(jìn)行刪除通信，并通過以太網(wǎng)與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統(tǒng)(CODAC)進(jìn)行交互。所有機(jī)箱的所有通道都與NI PXI-6653的參考時鐘緊密同步。使用NI TClk技術(shù)以及內(nèi)嵌鎖相環(huán)(Phrase Locked Loops，PLLs)，我們可以獲得小于300ps的通道間偏移，即便是在這個高通道數(shù)目的系統(tǒng)中。低速數(shù)字化儀每個通道都擁有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以實現(xiàn)真正采樣率為500kS/s的同時模擬輸入。我們使用兩塊低速ADC板卡，每塊擁有96個通道、400MHz的精簡指令集運算(RISC)處理器以及512M的板載內(nèi)存。

　　系統(tǒng)軟件

　　我們使用LabVIEW編寫程序來控制TS系統(tǒng)中的數(shù)字化儀。軟件的基本功能包括參數(shù)設(shè)定、提供觸發(fā)、進(jìn)行采集和顯示采集記錄以及保存數(shù)據(jù)到文件(如圖4)。我們將在以后增添附加功能，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)接口和其他必要的更多功能。該軟件運行于Microsoft Windows平臺。我們在以后可采用LabVIEW實時模塊來對托克馬克控制回路內(nèi)部進(jìn)行確定性操作。

　　數(shù)據(jù)采集(Data Acquisition，DAQ)特征

　　激光脈沖觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，這樣激光定時將是目前COMPASS裝置實時TS系統(tǒng)的限制因素。由于TS系統(tǒng)DAQ硬件和軟件是模塊化的，所以在以后我們可以增加數(shù)字化儀的數(shù)量，并可能使用主機(jī)箱的嵌入式電腦通過激光觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，所得數(shù)據(jù)將分段獲取。

　　由于NI PXI-5152數(shù)字化儀的多記錄采集功能，數(shù)據(jù)段僅需1 μs即可獲取。每段數(shù)據(jù)代表了一個激光脈沖或者雙脈沖，即處于兩臺激光器同時發(fā)射或發(fā)射延時非常小(短于1 μs)機(jī)制時。來自激光器的硬件觸發(fā)脈沖無需操作系統(tǒng)(Operating System，OS)干預(yù)便可啟動數(shù)據(jù)段收集。經(jīng)過試驗(等離子體發(fā)射)，我們從每個數(shù)字化儀的板載內(nèi)存下載了所有數(shù)據(jù)段到主機(jī)箱的嵌入式電腦上，并在這里進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲存在嵌入式電腦中，并可獲取來自低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的低速采樣背景輻射和來自能量監(jiān)測器的激光能量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)整合了散射信號，同時將獲得的溫度和密度計算結(jié)果通過以太網(wǎng)發(fā)送到CODAC。

　　結(jié)論

　　針對湯姆遜散射診斷的COMPASS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測量散射信號的演化，這給我們提供了需要重建的溫度和密度分布信息，也使我們可以在我們所需要的不同等離子體狀態(tài)通過三次激光定時設(shè)置進(jìn)行信號測量。

　　到目前為止，我們已經(jīng)測試了所有的湯姆遜散射系統(tǒng)，并測量了拉曼散射信號。