ITER软X射线相机的研究

【摘要】本文的研究内容是在ITER环境下工作的软X射线相机系统。由于ITER装置的设计参数高且物理环境复杂,导致软X射相机的设计变得非常复杂。文中回顾了ITER托卡马克的背景和物理环境及其对软X射线相机设计带来的影响,介绍了托卡马克中几种重要的电磁辐射和中子辐射。作为借鉴,介绍了几个托卡马克装置上的软X射线相机。由于探测器是软X射线相机的核心部件,文中介绍了氘-氘运行阶段将要使用的硅光电二极管探测器的性能参数,以及在氘-氚运行阶段探测器升级时可能会采用的两种先进探测器(GEM和PVD探测器)的工作原理和在聚变装置上的测试结果。中子屏蔽是相机设计的难点,也是特点。过量的中子辐照会损坏探测器,而采用槽状屏蔽结构则会降低探头的接收角从而带来信号强度弱、信噪比低、对信号放大器要求很高、准直等问题。基于上面的考虑,经过多轮的结构优化设计和物理分析,取得令人满意的结果：相机中子辐射泄漏满足了ITER的要求,同时探测器可以在整个氘-氘运行阶段工作而不需要更换探测器。相机重力、地震、电磁以及组合负载的分析结果表明,这些负载造成的最大应力在许可应力范围,即使是在最恶劣的工况发生的情况下相机的位移也不超过相机的位移可接受范围,从而能够保证相机结构安全可靠和相机信号的可用性。相机槽状光路的特殊性限制了相机信号的强度,通过对束宽效应的介绍量化了这种限制性,与在诊断第一壁不遮挡光路的情况相比较外部相机被遮挡接近60%,内部相机被遮挡接近25%。相机信号模拟计算结果表明,信号强度在10nA量级。相机测量功能的计算和分析结果表明,相机可以用于诊断常规的MHD现象之外还将用于诊断等离子体辐射剖面、杂质密度剖面、等离子体位置和形状以及逃逸电子。在相机结构优化设计的过程中,还考虑了冷却、探测器优化配置等问题。在ITER高温烘烤和正常运行的过程中,放置在窗口插件内的探测器(内部相机)需要进行冷却以保证正常工作。对内部相机在三种冷却方案(传导冷却、水冷和气冷)下的热负载进行了估算和比较,结果表明：水冷可以满足所有的热屏蔽方案下(包括不作热屏蔽)的冷却需求,而气冷能够满足适当设计热屏蔽后内部相机冷却需求。在探测器的设计中,采用了“盲道”的设计概念,将探测器两端的两道信号用隔光材料覆盖以测本底和扣除热漂移；除了盲道外,探测器两端还设计了两个重叠道,这种设计可使内部相机径向包容2.83mm的位置误差,外部相机垂直方向包容约4mm的位置误差。相机硬件和物理功能的预研是伴随设计工作同时进行的。硬件部分进行了测试相机、铍窗、标定系统、准直结构、水冷等的预研。测试相机用于验证和研究设计过程中的一些设计方案,包括相机结构、前置放大器、屏蔽、接地、采集、光隔、长距离信号传输等。测试结果表明,相机设计合理,带宽100kHz时信号噪声小于10mV,对应信号电流上的噪声小于10nA。铍窗是ITER软X射线相机研制过程中的重要难点之一。由于用于分光的铍膜是十分薄的结构,因此用它来隔离真空非常困难。为此,设计加工测试了两种铍窗密封结构。采用80μm厚的铍膜和60mm×25mm的通光面积时,两种方案均能够实现双侧承受一个大气压的压力差。此外,还进行了标定系统、准直结构和水冷的预研,这些预研主要用于验证设计方案的可行性。实验结果表明,这些预研的部件在工艺、结构和功能上均能够满足设计要求。标定系统可以实现标定目的,可用于探测器筛选；试制件测试结果表明,狭缝结构的加工精度可以满足系统对于狭缝结构加工误差的要求；在EAST上窗口的测试结果表明,水冷系统能够正常工作并将探测器维持在室温环境温度下。物理预研部分介绍了在HT-7上通过软X射线相机观测到的锯齿破裂时产生的逃逸电子现象和EAST装置上观测到的反锯齿现象。物理观测的结果表明了部分物理功能的可行性,特别对逃逸电子的观测证明了软X射相机可用于观测逃逸电子。
【作者】陈晔斌；
【导师】胡立群；
【作者基本信息】中国科学技术大学，等离子体物理，2014，博士
【关键词】软X射线相机；ITER；硅光电二极管探测器；中子损伤；等离子体辐射；中子辐射；先进探测器；

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