湯姆遜散射技術在HL-2A裝置上的應用進展

商 潔，黃 淵，楊 凱，陳寶維，劉春華，楊 屹

1.中國輻射防護研究院，山西 太原 030006 2.核工業西南物理研究院，四川 成都 610225

引 言

激光散射診斷的空間定位性好，只需要假設電子速度滿足Maxwell分布，得到的電子溫度和電子密度數據準確可靠。1968年，Peacock小組應邀在前蘇聯T-3托卡馬克裝置上完成了激光湯姆遜散射診斷史上里程碑式的實驗[1]，實驗不僅確立了托卡馬克裝置在磁約束聚變研究中的主導地位，也推動了激光湯姆遜散射在聚變實驗等離子體診斷中的廣泛應用[2-8]。HL-2A團隊2006年率先在國內實現了激光散射診斷的常規運行和穩定可靠的測量，2009年實現了在偏濾器位型下從低約束模(L模)轉換到高約束模(H模)的等離子體放電，這種H模已經選定為國際熱核聚變實驗堆(ITER)的基本運行模式。電子的湯姆遜散射截面很小，其總截面為σT=6.65×10-25cm2，通常使用電光調Q的Nd∶YAG激光器作為散射光源，激光脈沖寬度約10 ns、脈沖能量約3 J，用5～8通道的光譜儀對散射光譜進行測量與分析。光譜測量通道輸出的信號脈沖寬度～20 ns，幅度為10 mV量級。如何進行數據采集從而得到散射強度，是激光散射診斷的關鍵問題之一，直接影響獲得的散射信號強度數據的可靠性。使用高速數據采集器(縱向分辨率12 bits、f>1 GS·s-1，如CAEN公司生產的V1742B模塊[9])在包含散射信號在內的時間段(如300～500 ns)進行采集，獲得散射脈沖信號、等離子體發光的擾動與背景噪聲等疊加在一起的數據序列。然后用數字濾波技術可以排除大部分的干擾，從而提高信噪比，其幅度可以達到10倍左右[10]。HL-2A裝置上的激光散射診斷系統，已經全部替換為V1742B模塊，目前通道總數達到100個，得到的電子溫度測量值的統計誤差為3%左右，優于以前的10%左右。

1 實驗部分

1.1 HL-2A上激光湯姆遜散射系統

HL-2A是我國第一個具有偏濾器位形的托卡馬克實驗裝置，其大半徑為R0=1.65 m，小半徑為a=0.4 m，最大環向磁場為2.8 T，最大等離子體電流為480 kA，等離子體平頂時間可以到5 s。HL-2A裝置上的激光湯姆遜散射系統采用90°散射方案[2]，其布局如圖1所示。入射激光偏振面與裝置縱場方向平行，在垂直于入射激光偏振面的探測方向，會獲得相對較強的散射光信號和好的空間分辨，而且滿足非相干散射條件。該系統主要包括：Nd∶YAG激光器，散射光成像透鏡組，5通道光譜儀，弱光探測與信號放大單元，散射信號的高速采集元件和數據處理計算機等。激光束位于大半徑方向RL=1.635 m的位置。

圖1 HL-2A激光湯姆遜散射診斷的總體布局Fig.1 Layout of the HL-2A Thomson scattering system

1.2 散射光的接收和探測

激光束在真空室的中平面(Z=0)上聚焦后的直徑小于4 mm，該散射系統的觀測區域為中平面下方40 cm 到中平面上方30 cm(即-40～30 cm)的范圍內可以檢測到等離子體的散射光。計劃分為20個線段的多空間點的散射測量，本研究團隊通過設計和制造一個接收組合透鏡來聚焦測量位置處電子的散射光。該組合透鏡具有較大的接收立體角，并在700～1 100 nm 波長范圍內消色差、像差和球差，且其表面鍍增透膜。接收透鏡將散射光聚焦到安放在其像平面處的光纖束入射端面上。石英傳光光纖束使用的纖絲直徑為250 μm，數值孔徑為0.37，光入射端面尺寸為1.8 mm×4 mm，出射端面直徑為3 mm。光纖出射端面連接到多色光譜儀。光纖入射端面安裝在激光線經過接收透鏡后成像的像線上，15件光纖束安裝在不同的位置上，對應的散射長度在20～25 mm之間。

石英傳光光纖束把接收到的散射光信號引到由干涉濾光片組成的五光譜通道多色光譜儀上，多色儀把散射譜中波長在750～1 060 nm范圍的光，分為不同的波段，用量子效率較高的Si:APD來將光信號轉換成電信號。Si:APD的型號為C30659-1060-3AH，光敏面直徑為3 mm，內置一個前置放大器。HL-2A主等離子體電子溫度范圍可以簡單的分為3個，芯部的高溫、邊緣的低溫，以及介于芯部與邊緣之間的中溫等離子體區域。每個多色光譜儀對應1個空間點的測量需求，5個用于高溫等離子體，按1至5編號，從第1通道(CH1)到第5通道(CH5)干涉濾光片的中心波長/帶寬(CWL/BW,nm)分別為1 035/20，1 005/35，965/45，900/85，810/100；10個用于中溫，按6至15編號，從CH1到CH5干涉濾光片的CWL/BW分別為1 050/10，1 035/20，1 005/35，965/45，900/85。

=EsS(λs,Te)

(1)

式(1)中，η=(λs-λ0)/λ0為散射光波長相對于入射激光波長的偏移系數，S(λs,Te)為散射譜的形狀因子。當Te=20 keV時，其誤差小于0.1%；當電子溫度高達100 keV時，誤差小于1%。其中

(2)

B(Te)=5.11×105/Te

(3)

(4)

(5)

(6)

式(6)中，TW為光學窗口的透過率，Tlens為散射光接收透鏡組(大口徑消色差、像差)的透過率，TOF為石英傳光光纖束的透過率；S(λ,Te)是散射光譜形狀因子的Selden表達式，R(λ)為五通道多色光譜儀的光譜響應系數。從式(6)可知，提高光學系統的透過率，選擇合適的光電探測器，可以增強探測到的信號強度、提高信噪比。高溫等離子體的散射光譜比較寬。由于光的波長會影響到多色光譜儀的透射率和Si-APD探測器的量子效率，后者又與偏壓電壓、環境溫度等有關，所以光譜響應系數與波長有強烈的依賴關系，必須用標定方法將它測量出來。在激光Thomson散射實驗中，主要有兩方面的標定工作，即光譜響應系數的標定實驗從而測量等離子體的電子溫度，以及在真空室內充中性氣體的Rayleigh或Raman散射標定實驗從而測量等離子體的電子密度。為此目的，研制了一套光譜標定系統[12]，主要由標準光源和步進電機驅動掃描單色儀、可調直流穩壓電源、機械斬光器、1拖2分支(Y型，透射比約為1∶1)的傳光光纖束與控制電路構成。使用斬光器對標準光源輸出的連續光進行脈沖化，可以扣除“零電平”基線漂移的影響，也有助于消除測量電路1/f噪聲的影響；使用Y型光纖束，1個分支接到高精度光功率監測系統，另一個分支連接到需要標定的多色光譜儀。在國際上眾多的“標準光源+單色儀”標定系統中，這樣的技術方案是最先進的，它保證了標定數據的可靠性，短期與長期一致性和可重復性。標準光源發出的在一定波長范圍內的光經過聚焦透鏡聚焦后，在被斬波器變成脈沖光源的同時，通過光電耦合器給出一個同步脈沖，啟動數據記錄。光譜掃描范圍為700～1 100 nm，步長1 nm，光譜寬度～1 nm。如果向多色光譜儀饋入的光功率為J(λ)，采集系統得到的讀數為Dr，則光譜響應系數為R(λ)=Dr/J(λ)。脈沖化的光信號，以及一個多色光譜儀的標定例子，如圖2所示。

圖2 (a)為用斬光器調制后用于光譜標定的脈沖光信號，光脈沖的寬度約0.8 ms，重復周期約4.5 ms；(b)為一個五通道多色光譜儀的相對光譜響應，它適合測量的電子溫度范圍為50 eV～3 keVFig.2 (a) is the pulsed light used for spectral calibration,its width is about 0.8 ms and repetition time is about 4.5 ms；(b) is relative spectral responsibility of a 5-channel polychromator for Te measurement of 50 eV～3 keV

2 結果與討論

散射光的脈沖寬度約10 ns，經過Si-APD探測器、低通和高通濾波器、信號放大后，輸出二路模擬信號[12]。具有低通濾波器通道的信號輸出，使用普通的低頻數據采集器，主要用于光譜標定、監測等離子體本底光輻射的強度[13]，評估本底光強度水平對激光散射測量的可能影響，經過數據處理后也可以得到等離子體中的等效雜質濃度。具有高通濾波器通道的信號輸出，用于散射信號的測量，其寬度通常在20 ns左右。在早期階段，激光湯姆遜散射系統使用電流積分式的數據采集器(Q-ADCs，如CMC080模塊)，在一個確定的時間寬度(如50 ns)內將散射脈沖信號積分在采樣電容器上，然后通過恒流電路放電，測量出放電時間的長度(轉換時間)，得到的數值就代表散射信號的強度值。在散射信號測量通道，盡管使用高通濾波器排除了等離子體本底光的強度影響，但其殘余效應會引起“零電平”基線的漂移；向托卡馬克裝置線圈的大電流放電，以及輔助加熱系統工作時的高功率電源，以及周邊其他的電源設備，有可能會產生隨機電磁干擾以及“零電平”基線的波動。使用Q-ADC采集器，在激光散射信號的測量后，通常再進行4～10次背景信號的采集，時間間隔約25 μs，以便盡可能扣除這些干擾。如果是白噪聲，這種扣除方式較好；如果是有色噪聲和尖峰噪聲，就不能達到預期的效果。使用高速同步采集器，在包含散射信號的300～500 ns時間內采集一系列數據，就能獲得散射光的強度、等離子體發光的擾動與背景噪聲等方面的信息。1 GHz以上采樣率、12 bit的電壓分辨率可以采集到高質量的短脈沖激光散射信號，能夠用數字濾波技術排除大部分的干擾，從而獲得更準確可靠的測量值。CAEN公司生產的V1742B模塊具有較高的性價比，每張模塊包含32個模擬信號的輸入通道、2個觸發采集的控制通道以及1個網絡接口。在每個模擬信號通道，1 025只電容器構成的陣列與高速電子開關連接，其通、斷切換的速率(1,2.5和5 GHz)可以程序選擇。它的滿量程轉換時間與Q-ADC采集器的相當，但不需要附加額外的背景信號采集流程，所以激光散射信號測量的最高重復頻率可以達到4 kHz。觸發后，就得到在一個有限的時間段內的1 025個數據，板載存儲器可以存儲1 024次觸發的采集進程獲得的數據。目前，HL-2A激光散射診斷的高速數據采集系統包括3張V1742B模塊，安裝在VME-8008X機箱上，采集速率設置為2.5 GS·s-1，輸入信號幅度為0～-1 V。使用標準信號源進行了檢測，在0～-0.9 V范圍采集的數據是準確的和線性的，在-0.9 V以外出現偏差和非線性。圖3給出了用這種采集模塊得到的散射信號和激光能量監測信號。圖3(a)為用模塊采集到的一個湯姆遜散射脈沖信號，其半高寬約25 ns，用高斯函數對散射信號的脈沖波形進行擬合(時間長度80 ns，紅色曲線)。圖3(b)為1 064 nm激光的能量監測信號,對其脈沖形狀也進行了擬合(時間長度160 ns，紅色曲線)。激光能量監測信號，同時也用作啟動采集進程的觸發信號，它是經過一個脈沖整形電路后得到的輸出寬度為200 ns的TTL脈沖，在其脈沖前沿的以前、以后都采集512個數據。在時間序列上，每個光譜儀的每個測量通道得到的散射脈沖信號，與激光能量監測信號有一個比較確定的時間間隔。首先就需要得到這個時間間隔的數據，如圖4所示是第7號光譜儀的時間間隔數據的變化范圍，平均值用紅色表示。激光能量監測信號的幅度大、不容易受到干擾，在數據處理過程中就以其峰值對應的時刻作為時間基點，用高斯函數aexp(-(x-t0)2/2c2)對脈沖波形進行數值濾波與數值積分，就得到湯姆遜散射的強度值。這里a代表散射脈沖的峰值，b代表峰值對應的時刻，c代表散射脈沖的寬度。如果數據處理程序搜索、預判到某個通道的散射信號較弱，就可以用這個通道“內在的”波形參數b和c擬合出散射信號的脈沖波形，如圖5所示。

圖3 V1742B模塊采集速率設置為2.5 GS·s-1，信號采集窗口的時間長度約410 ns(a):用模塊采集到的一個湯姆遜散射脈沖信號，其半高寬約25 ns，用高斯函數對散射信號的脈沖波形進行擬合(紅色曲線);(b):1 064 nm激光能量的監測信號Fig.3 V1742B digitizers are set to sample at 2.5 GS·s-1,the time window of data acquisition is 410 ns(a) is shown the raw data of a TS signal,its FWHM is about 25 ns,and Gaussian function is utilized to fit the pulse shape (red line)；(b) is displayed the laser monitor

圖4 第7號光譜儀得到的湯姆遜散射脈沖信號與激光能量監測信號的時間間隔CH#表示通道序號；第5通道的信號太弱，沒有使用Fig.4 The time interval of TS signals and laser monitor is shown for poly #7CH# denotes the index of optical channels；the TS data of 5th channel is very weak and not used

圖5 當散射信號比較弱時，可以用這個通道“內在的”函數參數b和c擬合出散射信號的脈沖波形Fig.5 When the scattering signal is weak,the “intrinsic” function parameters b and c of this channel can be used to fit the pulse shape of the scattering signal

高速采集技術在散射系統中逐步獲得了廣泛的應用。Kurzan小組發現，在滿足SNR=1的相同條件下，使用高速數據采集器可以測量的等離子體電子密度的最低值為0.75×1012cm-3,比使用QADCs時可測的最低密度值小3倍。Minami小組研究發現[10]，高速數據采集以及數據處理程序的優化應用，Nd∶YAG激光散射測量的SNR可以提高10倍左右。得到積分了的散射信號強度值后，使用誤差權重的最小二乘法[14]擬合，可以得到電子溫度Te的測量值

(7)

HL-2A上的Nd∶YAG激光湯姆遜散射診斷系統能夠測量在各種放電條件下等離子體電子溫度的分布。在替換為高速數據采集的情況下，激光散射診斷的多空間點電子溫度測量能力有了較大的提高，在2018年度實驗中先后達到5個點[15]、15個點[16]。圖6是第34269次等離子體放電期間的測量結果，中性束(NBI)在800～1 300 ms時間段加熱等離子體。其中IP表示等離子體環電流，ne表示遠紅外(FIR)激光干涉所測得的中心弦平均的電子密度，WE為等離子體內能，PNBI為NBI注入功率，IECE為來自芯部等離子體的電子回旋輻射信號，Te為散射系統測得的芯部等離子體的電子溫度，從中可以看出，在NBI加熱期間，等離子體內能和電子溫度明顯增加。在等離子體黑體輻射近似下，IECE信號強度與電子溫度Te成正比，從圖中可以看出，兩者在趨勢上總體一致。圖中也標出了Te的誤差棒，其相對誤差在3%左右，優于以前使用QADCs得到的相對誤差10%左右[2]。

圖6 在HL-2A裝置上第34269次等離子體放電期間芯部電子溫度的測量結果，中性束注入加熱的時間段為800～1 300 msFig.6 Measurement results of electron temperature at core plasma for shot#34269,with NBI during 800～1 300 ms

3 結 論

在使用高速數據采集模塊V1742B的情況下，激光散射診斷的多空間點電子溫度測量能力有了較大的提高，在2018年度HL-2A運行實驗中先后達到5個點、15個點，在2020年度擬開展多達20個以上空間點的湯姆遜散射診斷實驗。用高斯函數對散射信號的脈沖波形進行擬合，數值積分后就得到湯姆遜散射的強度值。采用誤差權重的最小二乘法進行數據處理，推演出等離子體的電子溫度值，獲得的Te誤差更小。信噪比的提高，表明可以測量的等離子體電子密度的下限值更低了，從而拓展了激光散射診斷系統的測量區間?，F在，HL-2A裝置放電結束后才進行數據傳輸與數據處理，在即將建成的HL-2M裝置上為了進行等離子體參數的剖面控制、破裂預測與緩解等方面的研究工作，需要向控制中心實時提供電子溫度/密度數據，要求進行原始數據的實時傳輸與數據處理，而數據處理速度是制約因素?；跈C器學習的人工神經網絡是一種強大的非線性數據分析算法，數據處理速度可以提高20倍以上，本研究團隊在這方面的研究工作已取得了初步的結果[17]。激光散射診斷技術的進展以及測量能力的提高，將在HL-2A裝置以及HL-2M裝置上開展高約束模的穩定運行、破裂預測與緩解、先進偏濾器位型的實現與控制等方面的物理與工程實驗中，提供有價值的數據。