EAST上软X射线能谱诊断系统的研制

张继宗 潘国强 胡立群 王相綦 林士耀 徐立清

EAST上软X射线能谱诊断系统的研制

张继宗1,2潘国强1胡立群2王相綦1林士耀2徐立清2

1（中国科学技术大学国家同步辐射实验室 合肥 230029）
2（中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031）

采用多元硅漂移探测器(Silicon Drift Detector, SDD)阵列和快速处理电子学系统在EAST托卡马克上构建了一套性能优异的软X射线能谱诊断系统，用于测量等离子体内在软X射线能段(1-30 keV)的辐射能谱。本系统观测范围覆盖了EAST等离子体的下半空间，可在EAST上各种放电条件下获得电子温度分布。本系统具有较高的能量分辨率，可用于监测等离子体内的中高Z杂质。系统安装在EAST上并投入使用，验证了系统的可靠性和有效性并取得良好的实验结果。

东方超环(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)，软X射线能谱，硅漂移探测器(Silicon Drift Detector, SDD)，电子温度

等离子体电子温度是受控磁约束核聚变实验中基本的物理参数之一。为了提高电子温度测量的精确度和可靠性，目前磁约束核聚变装置上通常采用多种诊断系统进行测量[1]。在东方超环(Experimental Advanced Superconducting Tokamak, EAST)上有4种电子温度测量的诊断系统：汤姆逊激光散射(Thomson scattering, TS)、电子回旋辐射(Electron circle emission, ECE)、软X射线弯晶谱仪(X-ray crystal spectrometer, XCS)和软X射线能谱(Soft X-ray pulse height analyzer, SXPHA)。这4种诊断系统在时空分辨率、受等离子体中超热电子和逃逸电子影响性、绝对或相对测量等方面各有所长，可以相互补充得到更全面可靠的测量结果。与另外3种诊断相比较，软X射线能谱诊断虽然在时间和空间分辨率上稍微差了一些，但适用条件广，几乎可以在任意的等离子体放电条件下给出电子温度分布，并且属于被动测量，不会对等离子体产生影响。EAST进行高功率射频波辅助加热实验以及长脉冲实验时，软X射线能谱诊断是一项不可或缺的测量手段。

在EAST装置2008-2011年的实验期间所使用的软X射线能谱系统是从HT-7装置上转移过来的。利用这套系统在EAST装置上取得不少好的实验结果[2-5]，但也显示出其窗口集成差、探测器老化、电子学系统低效等缺陷，不适应EAST未来发展。因此重新建立一套软X射线能谱诊断系统十分必要。

1 软X射线能谱诊断系统的原理与设计

1.1 系统的基本原理

由高温等离子体发射出软X射线辐射主要包括三个部分：自由电子的轫致辐射、自由电子和离子间的复合辐射以及中、高Z杂质原子壳层电子退激发辐射。其中前两种是连续辐射，后一种是线辐射。因此，实验中测到的软X射线能谱是由连续辐射谱和线辐射谱的叠加[6]。

由软X射线能谱计算等离子体电子温度时需假设该等离子体内电子处于局部热平衡状态即局部服从麦克斯韦分布，则电子温度为Te的热等离子体的韧致辐射功率密度为[7]：

复合辐射功率密度为：

其中：

式中，Te是电子温度；ne是电子密度；ni是第i种元素离子密度；nik是第i元素第k电离态离子的密度；Ziff是第i种元素的有效电荷数；Zik是第i种元素k价态数；是轫致辐射的冈特因子；是i种元素k价态复合辐射的冈特因子，在软X射线范围内，它们是接近于1的常数；χik是第i元素由k-1价态变为k价态时的电离能；χH=13.6 eV是氢元素的电离能；ξ是主量子数n可提供的电子空位数。由式(1)和(2)得出两种辐射功率密度都与exp(-E/Te)相关。公式两边取对数得到 ln(dP/dE) ∞Te-1，因此通过分析和计算软X射线能谱数据可获得等离子体的电子温度。

1.2 能谱诊断系统的设计方案

根据EAST托卡马克的运行区间和参数范围，其等离子体的电子温度会在0.6-5 keV，同时电子温度的分布一般呈抛物线分布，即中心高、两边低。软X射线能谱系统测量获得的信号是一个弦积分的信号，在低能段时边缘的信号占据份额比较大，选取能量段较低时，得到的误差比较大。所以一般选取2.5Te-4Te能段计算电子温度[8]，同时在EAST上还拥有一套20-200 keV的硬X射线诊断系统[9]。综合考虑，将新的软X射线能谱诊断系统设定测量能量在1-30 keV，同时也需满足可在任意等离子体放电条件下获得可靠并具有一定时间和空间的分辨率的电子温度，并可监测等离子体内的中高Z杂质。因此要求能谱诊断系统结构紧凑，具有较好的能量分辨率和较高的计数率测量能力。

根据软X射线能谱诊断系统在国内外核聚变装置上发展经验和目前探测器及电子学技术的发展，决定采用由硅漂移探测器(Silicon Drift Detector, SDD)、场效应管电荷灵敏前置放大器、线性放大器和快速多道组成诊断系统。

系统的设计方案如图1所示。入射X射线被SDD吸收并激发电子-空穴对，在探测器的偏压电场作用下，电子和空穴被收集并在输出回路中形成原始电流信号。电流信号经电荷灵敏前置放大器和主放大器两级放大后，形成幅值正比于入射X射线能量的脉冲电压信号，脉冲信号由多道分析器(Multi-channel analyzer, MCA)处理成数字信号并送入采集计算机存储形成X射线能谱，最后由电子温度处理软件对能谱数据进行分析获得电子温度。

图1 软X射线能谱诊断系统设计方案示意图Fig.1 SXPHA system block diagram.

1.3 能谱诊断系统的结构

系统的结构如图2所示。为了提高SDD探测器在高能段的软X射线(10-25 keV)的探测效率，同时也为了探测器阵列集成尽可能的小，因此选用10个厚度450 μm、面积7 mm2的SDD探测器组成一个探测器阵列。SDD探测器具有高计数率测量、高能量分辨率、常温保存的优点，同时工作时无需液氮，可在电制冷条件下工作，因此适合多路阵列的集成。同时在半导体制冷片的热端添加一级恒温(20°C)的内循环水冷装置，用于保证半导体制冷片热端热量能及时排除，保持其稳定的工作，同时也确保与之相连的前置放大器的温度稳定。

图2 软X射线能谱诊断系统结构图Fig.2 SXPHA system overview schematic.

前置放大器是由低噪声灵敏电荷放大器和集成在探测器上的场效应晶体管(Field Effect Transistor, FET)输入电路组成。如图3(c)所示，入射X射线在探测器上产生的电荷被前置放大器收集，在反馈电容上形成电压跃迁输出。跃迁电压幅值与入射X射线的能量成正比，而跃迁上升时间与入射X射线的能量无关，是前置放大器本身固有值，量级为200ns，满足高计数率的要求。

同时由于漏电流的一直存在且为一稳定值，漏电流在反馈电容上形成一个缓慢持续爬坡的信号，如图3(a)所示。当信号上升到某一特定值时，触发放大器的内置清零脉冲，电容上的电荷被快速中和，重新归零，如图3(a)和(b)所示。同时场效应晶体管可以有效降低噪声，因此这种前置放大器同时具有低噪声和快速处理脉冲信号的能力。

图3 前置放大器输出波形图 (a) 无X射线入射，(b) 有X射线入射，(c) 单脉冲信号Fig.3 Oscillogram of pre-amplifier. (a) Without incident X-rays, (b) With incident X-rays, (c) A single pulse signal

主放大器采用AC耦合输入，用于消除爬坡的信号，采用RC-CR整形电路来生成半高斯脉冲。如图4所示，整个放大器频率响应表现为带通滤波器的特征，最大增益的频率在500-600 kHz。为了满足高计数率的需要，将主放大器的成形时间设定为0.2 μs，输出脉冲的宽度为1.8 μs，能有效处理400kHz的脉冲数据，如图5所示。

图4 主放大器频率响应增益Fig.4 The frequency response gain of amplifier.

图5 主放大器输出波形图Fig.5 Output waveform of amplifier.

虽然多道分析器(Multi-channel analyzer, MCA)分辨率可达16 000甚至更高，但根据EAST上的运行参数以及对软X射线能谱诊断系统的要求，每个MCA独立自带分辨率10位的ADC和约2.5 MB用于存储能谱的内存，每道的最大计数为216-1(65535)，则每一幅能谱占用内存2 KB，这样每一个MCA可存储的能谱数为1200幅，每幅能谱采集的时间在1-216-1(65 535) ms自由预设定，以满足不同的放电脉冲的长度(1-1 000 s)需要。同时MCA处理每个脉冲信号的时间要约5μs，因此处理脉冲最高速率达到180-200 kHz，满足高计数率测量(＞100kHz)的要求。

1.4 能谱诊断系统的标定

为了获得等离子体中软X射线能谱，必须对软X射线能谱诊断系统进行能量刻度标定。本系统采用55Fe放射源的衰变产生的Mn Kα(5.90 keV)和Mn Kβ(6.49 keV)以及银靶和金靶的X射线管激发产生的Ag Kα(22.10 keV)、Ag Kβ(24.92 keV)、Au Lα(9.71 keV)、Au Lβ(11.44 keV)和Au Lγ(13.38 keV)进行标定，标定结果如图6所示。

由图6(a)可知，系统具有较高的能量分辨率：140 eV@5.9 keV、220eV@9.71 keV和410 eV@ 22.1 keV。图6(b)中公式为MCA道址与X射线能量的函数关系，R2为拟合线性相关系数，当R2为1时，显示系统有极好线性关系。

图6 系统标定结果 (a) 金靶、银靶X射线管和55Fe放射源能谱图，(b) 能量与MCA道数刻度关系Fig.6 Calibration of SXPHA system. (a) Spectrum of gold and silver target and 55Fe source, (b) Relationship between energy and MCA channel number

2 初步实验及其结果

2.1 诊断系统在EAST装置的安装

在EAST上，诊断系统可用的空间有限，因此10路SDD探测器阵列的光路设计采用最省空间的小孔成像光路。观测空间范围为EAST等离子体区域的下半空间(Z=0--55 cm)，如图7所示。

图7 系统在EAST上的安装示意图(a)和系统结构示意图(b)Fig.7 Schematic diagrams of installation (a) and structure (b) of SXPHA system on EAST.

由于不同参数的放电条件，等离子体辐射出的软X射线强度会相差几十倍甚至上百倍。为了满足不同放电条件下，软X射线能谱系统均能获得一个比较合适的计数率(5-100 kHz)保证数据的可靠性和有效性，因此需要设计一套光通量调节装置。这套装置主要包括：一个带有不同孔径大小的钨薄板调节器和5个带有不同厚度的铍膜调节器。其中1个铍膜调节器和钨薄板调节器组成总的光通量调节装置，用于总调10个探测器的光通量。由于最边缘2个探测器观测的是温度和密度相对较低的等离子体边缘区域，因此没有必要安装铍膜调节器；另外8个探测器中的每相邻的2个分别被4个铍膜调节器来独立调节光通量。通过这套光通量调节器来保证各个探测器均能获得一个合适的光通量，最终得到可靠有效的能谱。Ф100高真空插板阀能保证在不破坏装置真空情况下拆装和测试系统。系统通过氟橡胶圈、环氧套管和隔离变压器与EAST装置进行电气绝缘，确保系统在EAST装置放电期间受到的电磁干扰尽可能小。

2.2 初步实验结果

该套软X射线能谱诊断系统已经安装在EAST水平E窗口上投入使用，获得了大量有效的、可靠的实验数据，丰富了物理实验的内容。

为了验证软X射线能谱诊断系统获得的电子温度的有效性和可靠性，在欧姆放电条件下SXPHA系统与ECE系统进行对比，在低杂波和离子回旋波加热获得高约束等离子体放电条件下，SXPHA与XCS系统进行对比，结果如图8所示。从图8中看出，软X射线能谱诊断系统测量的电子温度随时间演化分别与ECE系统测量的结果和XCS获得结果基本是一致的，相互之间的偏差也在误差范围内。

图8 SXPHA获得电子温度与ECE和XCS获得的温度对比Fig.8 Comparison Te obtained from SXPHA with ECE and XCS.

在EAST实验中，取得了偏滤器位型下，由低杂波驱动脉冲时间超过400 s的长脉冲等离子体放电。SXPHA诊断系统进行跟踪测量，获得了长脉冲放电条件的电子温度数据，结果如图9所示。从图9看出，电子温度在整个放电过程是比较平滑的。

图9 EAST上#43336炮长脉冲放电波形图Fig.9 Waveform of shot 43336 long pluse discharge on EAST.

由于SDD探测器具有较高的能量分辨率，因此系统可用于监测等离子体内的中高Z杂质。图10显示了低杂波和离子回旋波加热等离子体放电#39465炮在5.2-5.6 s时刻段的能谱图。从图10中可以明显看到，氩(Ar)、钛(Ti)、铬(Cr)、铁(Fe)、铜(Cu)等杂质Kα线。其中Ar杂质来源XCS系统主动充的氩气，Ti、Cr、Fe、Cu等金属杂质主要来自第一壁上的不锈钢和天线。

图10 #39465炮在5.2-5.6 s时刻段的软X射线能谱图Fig.10 Spectrum of soft X-ray of shot 39465 discharge at 5.2-5.6 s.

3 结语

采用了SDD探测器以及高速电子学系统在EAST托卡马克上组建了一套软X射线能谱诊断系统。通过系统的测试和标定以及在EAST上运行表现可知，该套系统性能优异。通过与其他相关诊断的对比，证明系统获得的数据可靠有效，能为EAST上各种放电条件的实验提供必要的电子温度数据。鉴于系统拥有较好的能量分辨率，该系统也可用于监测等离子体内的中高Z杂质，是研究EAST等离子体中的中高Z杂质行为的有力工具。

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XIANG Zhilin, YU Changxuan. High temperature plasma diagnostic technique[M]. Shanghai: Shanghai Science and Technology Press, 1982

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XU Ping. Diagnostic of soft X-ray energy spectrum based on silicon drift detector in EAST fully-superconducting tokamak[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2010, 44(6): 757-763

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SUN Jingwen. High temperature plasma X-ray spectroscope[M]. Beijing: National Defence Industry Press, 2003

7 Silver E H. Soft X-ray measurements from the PDX tokamak[J]. Review of Scientific Instruments, 1982, 53(8): 1198-1213

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DING Yonghua. Study of the electron heating in LHCD plasma in HT-7[D]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology, 2005

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CLC TL65

Development of the soft X-ray energy spectrum diagnostic system on EAST

ZHANG Jizong1,2PAN Guoqiang1HU Liqun2WANG Xiangqi1LIN Shiyao2XU Liqing2
1(National Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, China)
2(Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China)

Background: Electron temperature is one of most important parameters in the controlled magnetic confinement fusion experiments. Purpose: We attempt to develop a set of soft X-ray energy spectrum diagnostic system for measuring the plasma soft X-ray (1-30 keV) spectra on Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST). Methods: The diagnostic system is based on a 10-element Silicon Drift Detector (SDD) array and fast electronics, and basically views lower half-space of the plasma. Results: The diagnostic system can measure electron temperature under various plasma configuration conditions and the electron temperature obtained from the system is consistent with electron circle emission (ECE) and X-ray crystal spectrometer (XCS) diagnostic systems. And the system can monitor the middle and high Z impurities in the plasma as the good energy resolution of the system. Conclusion: The diagnostic system had been installed on EAST and verified its reliability and effectiveness and gained the good experimental results.

Experimental Advanced Superconducting Tokamak (EAST), Soft X-ray energy spectrum, Silicon Drift Detector (SDD), Electron temperature

TL65

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.070401

国家自然科学基金项目(No.11305207、No.11175208、No.11261140328)、国家磁约束核聚变能研究专项(No.2011GB101004)资助

张继宗，男，1985年出生，2007年毕业于清华大学，助理研究员，从事等离子体X射线研究

2013-12-27，

2014-04-18