EAST水平硬X射线诊断单元研究

2009-09-15 李吉力人合肥工业大学机械与汽车工程学院

　　托卡马克研究作为目前世界上最成功的受控核聚变装置已经取得了巨大的进展。EAST是我国自主建设具有D形截面的大型全超导托卡马克实验装置，它的高参数稳态等离子体运行及相关工程技术和物理研究，对于正在建设的国际热核聚变实验堆的稳态运行及物理研究有着十分重大的参考意义。

　　低杂波电流驱动（LHCD）是目前托卡马克装置中电流驱动效率最高的非感应电流驱动方法。LHCD通过朗道阻尼驱动快电子来维持等离子体电流，因此可以利用快电子和主等离子体相互作用时发出的特定波段辐射（主要是韧致辐射）来研究LHCD的驱动效果。LHCD驱动的快电子能量从外部到芯部逐渐衰减，分布在数十到数百keV之间，相应的韧致辐射在硬X射线(HXR)能段。因此通过测量特征硬X 射线快电子行为可以研究低杂波的电流驱动行为。近年来，工作温度在室温区域的新型半导体CdTe探头成为最佳的替代品，并在HT-7上获得成功应用，解决了上述的诸多限制条件，等离子体小截面上径向二维HXR诊断已经取得了相当满意的结果。但是由于HT-7缺少切向窗口，因此在刚刚开展物理实验的全超导托卡马克EAST上研制了这套基于CdTe探头的HXR水平切向阵列（Hard X-rayHorizontal Tangent array spectroscopic Analyzer）, 简称HXHTA，主要目的是研究水平方向快电子行为、LHCD的沉积及LHCD的驱动效率等物理特性，并为进一步建立垂直HXR 系统提供经验。

　　HXHTA的简要工作流程是：主等离子体特定水平位置的X射线特征能量在半导体探头里激发电子—空穴对，在偏压的作用下，形成相应能量的输出电流信号，经过两级放大变成窄脉冲电压信号，信号高度（正比于X射线能量）被多道脉冲分析仪（MCA）转变成数字信号，再输入计算机进行相应的物理分析。为了得到尽可能准确的物理分析结果，X射线能谱筛选、探测器匹配以及装置抗干扰设计就显得尤为重要。本文介绍了HXHTA的设计及其实现、与EAST装置联机得到的实验结果，并根据实验数据验证了本设计的正确性和可靠性。

2、基于CdTe探头的HXR诊断

　　EAST装置等离子体放电是在纵向磁场和极向磁场与等离子体自身产生的极向磁场复合作用形成螺旋变化的复杂磁场位形中约束定向运动的电子和相应反向运动的离子形成的电流，如图1所示。

托卡马克装置等离子体磁场位形

图1 托卡马克装置等离子体磁场位形

　　根据准线性理论计算的低杂波电流驱动的驱动效率ηcd与低杂波被等离子体吸收时的平行折射率平方N2成反,所以低杂波主要朝大环的一个切线方向发射，从而在电子速度分布的高能尾部形成速度平台，使得ηcd最大。如果需要精确地测量快电子分布函数以及角向动量分布，则需要切向多角度的快电子韧致辐射（FEB）诊断。虽然测量到的切向HXR是单个切线方向上的第二类曲线积分，但是由于快电子韧致辐射具有角向不均匀性，而且由于相对论效应其辐射主要集中在低杂波入射方向，可以近似认为是切线所在弧对应的FEB。等离子体放电的大环主要区域是在半径130cm 到235cm 之间。HXHTA的正向和反向探头都为16个，把等离子体区域划分为16个同心圆环，空间分辨率为7cm。因为窗口水平尺寸有限，各方向的探头按奇偶数分置两层，层距3 cm，而等离子体小截面高度接近3m，经过计算大环半径误差小于0.1cm，误差对空间分辨率影响可以忽略，如图2所示。

C窗口HXHTA示意图

（射线分别表示探测器所在等离子体层中单个切向发射出的HXR 向量和，其值为第二类曲线积分）

图2 C窗口HXHTA示意图

　　CdTe探头体积小，对HXR具有较高的能量沉积率，能在有限的空间内实现多道测量，同时在无防护的情况下探头抗中子干扰能力也比同类探测器强，即使在中子辐射很强的情况下，由LHCD产生的HXR能谱也能被很好地识别出来，因此CdTe探头作为可靠的测量手段在很多托卡马克装置上得到应用。我们使用的法国Eurorad公司制造的CdTe 能谱型探头，尺寸为5×5×3mm,有效测量范围在20～200keV，且吸收率的线形较好，如图3所示，图中低能段是在探测狭缝口上加装1mm厚的铝膜用于截止低能射线。它对200keV的HXR 吸收率是31.6%；对57Co的122keV 的特征峰最好，分辨率可达3.8%，如图4所示。