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。但是它的應用要求非常苛刻，這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)計復雜和由于散射效率極低導致需要相當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)進行光譜分析。該系統(tǒng)的每個多色器使用多達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?？焖倌?shù)轉(zhuǎn)換器擁有高達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機箱中。

　　第一個機箱，也稱作主機箱，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箱。主機箱儲存數(shù)據(jù)，執(zhí)行計算，通過MXI-4技術(shù)(78MB/s)與附屬機箱進行刪除通信，并通過以太網(wǎng)與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統(tǒng)(CODAC)進行交互。所有機箱的所有通道都與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)段到主機箱的嵌入式電腦上，并在這里進行原始數(shù)據(jù)處理。校準數(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。