Система регистрации рентгеновского излучения в установках типа токамак

 

Изобретение относится к технике измерения рентгеновского излучения и предназначено для идентификации мелкомасштабных возмущений плазмы для анализа устойчивости разряда и надежного предсказания развития срыва плазмы в установках типа Токамак. Система состоит из коллиматора, энергетического фильтра, детектора излучения, расположенных внутри вакуумной камеры токамака с возможностью пространственного перемещения, усилителя, аналогово-цифровых преобразователей и системы обработки сигналов, установленных вне вакуумной камеры токамака, при этом коллиматор рентгеновского излучения выполнен в виде взаимно перпендикулярных наборов пластин, ориентированных вдоль тороидального угла вакуумной камеры токамака. Кроме того, в вакуумной камере может быть установлен магнитный зонд, соединенный через дополнительный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь с системой обработки сигналов. Кроме того, в вакуумной камере может быть установлен датчик жесткого рентгеновского излучения, соединенный через дополнительный усилитель и аналого-цифровой преобразователь с системой обработки сигналов. Техническим результатом изобретения является возможность регистрации мелкомасштабных колебаний рентгеновского излучения во внутренних областях плазменного разряда, что приводит к повышению достоверности анализа устойчивости плазмы и позволяет надежно предсказывать развитие неустойчивости срыва в установках типа Токамак. 3. з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к технике измерения рентгеновского излучения и предназначено для идентификации мелкомасштабных возмущений плазмы для анализа устойчивости разряда и надежного предсказания развития срыва плазмы в установках типа Токамак.

Для регистрации рентгеновского излучения с высоким пространственным разрешением в экспериментах с высокотемпературной плазмой традиционно используются камеры-обскуры с наборами полупроводниковых детекторов [I]. Использование таких детекторов для регистрации излучения в потоковом режиме нашло широкое применение из-за высокой чувствительности, повышенной надежности и относительной простоты обслуживания оборудования. Наибольшее распространение получили системы, основанные на поверхностно-барьерных детекторах, созданных на базе кристаллов кремния n-типа проводимости [2]. В ряде экспериментов используются также многоканальные полосковые детекторы, объединяющие несколько каналов регистрации на одном кристалле кремния [3,4], а также детекторы с р-n переходом на основе кристаллов теллурида кадмия [5]. К сожалению, одним из основных недостатков указанной диагностики является принципиально нелокальный характер измерений, определяемый регистрацией интегральных потоков излучения из конуса наблюдения. Восстановление локальной структуры возмущений в плазменном шнуре в этих условиях требует оборудования нескольких систем регистрации, обеспечивающих многоракурсные измерения интенсивности, с последующим применением программ томографической обработки результатов измерений [3] . Анализ экспериментов на токамаке JET [6] показывает, однако, что даже одновременное использование одиннадцати систем регистрации позволяет проводить надежное восстановление только крупномасштабных винтовых возмущений с низкими волновыми числами (m<4). Это связано, в первую очередь, с усреднением колебаний с различными фазами возмущений при регистрации излучения в направлении, ортогональном к винтовым модам, традиционно используемом в стандартных системах регистрации рентгеновского излучения. Другим недостатком стандартных систем регистрации является их фиксированное расположение и жесткая ориентация лучей наблюдения. Это затрудняет исследование различных областей плазменного шнура с высоким пространственным разрешением при ограниченном наборе детекторов. Дополнительным недостатком стандартного расположения полупроводниковых детекторов является фиксированное (постоянное) нахождение таких детекторов в интенсивных полях радиации (γ-излучение с энергией Eγ>1-10MэB, интенсивные потоки нейтронов), характерных для термоядерных установок. Это приводит к накоплению радиационных дефектов с последующим разрушением кристаллов полупроводника [7]. Использование полупроводниковых детекторов в таких условиях требует оборудования дорогостоящих систем экранировки или сложных систем коллимации излучения (стекловолоконная оптика).

Перечисленные выше недостатки систем регистрации рентгеновского излучения снижают достоверность измерений мелкомасштабных колебаний плазмы, что затрудняет анализ устойчивости плазмы и делает практически невозможным разработку надежных методик стабилизации срывов плазмы в установках типа Токамак.

Наиболее близкой к заявляемой системе регистрации рентгеновского излучения типа Токамак является система, состоящая из установленных по ходу рентгеновского излучения коллиматора (камера-обскура), энергетического фильтра, детектора рентгеновского излучения, усилителя, аналогово-цифрового преобразователя и системы обработки сигнала, установленных за пределами вакуумной камеры токамака [2].

Типичная система томографической регистрации излучения из высокотемпературной плазмы токамака состоит из трех камер-обскур, расположенных в одном малом сечении плазменного шнура. Для регистрации излучения в системах регистрации рентгеновского излучения используются кремниевые детекторы, обладающие наибольшей чувствительностью к γ-квантам с энергией 2.5-15 кэВ. Детекторы отделены от вакуумной камеры вакуумно-плотной фольгой из бериллия (толщиной 100-200 мкм), одновременно являющейся энергетическим фильтром. Для ограничения потока рентгеновского излучения и для изменения спектрального состава регистрируемого излучения используются сменные диафрагмы и энергетические фильтры (фольги из алюминия и бериллия). Несмотря на то, что стандартная система регистрации рентгеновского излучения оказывается незаменимой при исследовании МГД-колебаний, процессов теплопроводности и для определения формы равновесной плазменной конфигурации на установках типа Токамак, диагностика оказывается неприменимой при исследовании винтовых мод с высокими m (m>5), что снижает достоверность идентификации мелкомасштабных возмущений плазмы. Это связано как с усреднением мелкомасштабных возмущений (см. выше), так и с размещением детекторов вне вакуумного объема токамака, далеко от плазменного шнура. Такое расположение детекторов приводит как к уменьшению телесного угла регистрации, так и к снижению потоков интенсивности мягкого рентгеновского излучения из-за поглощения гамма-квантов в вакуумно-плотной бериллиевой фольге (100-200 мкм), постоянно закрепленной перед входным окном детектора.

Техническим результатом, на который направлено изобретение является возможность регистрации мелкомасштабных колебаний рентгеновского излучения во внутренних областях плазменного разряда, что приводит к повышению достоверности анализа устойчивости плазмы и позволяет надежно предсказывать развитие неустойчивости срыва в установках типа Токамак.

Для этого предложена система регистрации рентгеновского излучения в установках типа Токамак, состоящая из коллиматора, энергетического фильтра, детектора рентгеновского излучения, а также усилителя, аналогово-цифровых преобразователей и системы обработки сигнала, установленных вне вакуумной камеры токамака; при этом коллиматор рентгеновского излучения выполнен в виде взаимно перпендикулярных наборов пластин, ориентированных вдоль тороидального угла вакуумной камеры токамака, и коллиматор, энергетический фильтр и детектор рентгеновского излучения расположены внутри вакуумной камеры токамака.

Кроме того, коллиматор, фильтр и детектор рентгеновского излучения имеют возможность пространственного перемещения внутри вакуумной камеры токамака.

Кроме того, в вакуумной камере может быть установлен магнитный зонд, соединенный через дополнительный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь с системой обработки сигналов.

Кроме того, в вакуумной камере может быть установлен датчик жесткого рентгеновского излучения, соединенный через дополнительный усилитель и аналогово-цифровой преобразователь с системой обработки сигналов.

Повышенная достоверность реконструкции мелкомасштабных возмущений плазмы обеспечивается в рассматриваемой системе, а первую очередь, за счет регистрации возмущений в тангенциальном направлении вдоль удерживающего магнитного поля, что обеспечивается ориентацией пластин коллиматора вдоль тороидального угла. В этом случае фаза возмущения не меняется вдоль хорды наблюдения и, следовательно, не происходит взаимного наложения флуктуации с различными фазами, что характерно при регистрации интенсивности рентгеновского излучения в направлении по нормали к возмущению.

Улучшенное пространственное разрешение обеспечивается также за счет применения двухкоординатного коллиматора, состоящего из набора взаимно перпендикулярных пластин, расположенных непосредственно вблизи детекторов.

Использование такого коллиматора, по сравнению со стандартной камерой-обскурой, обеспечивает повышенное пространственное разрешение при высокой светосиле и компактном дизайне. Дополнительным преимуществом небольших размеров новой системы, по сравнению со стандартными системами регистрации, является возможность использовать рассматриваемую диагностику в экспериментальных установках с ограниченным доступом к изучаемому объекту (например, из-за узких диагностических патрубков в установке Токамак-10).

Повышенная чувствительность системы связана также с размещением детекторов внутри вакуумной камеры токамака, непосредственно у границы плазменного разряда, Высокое отношение сигнал-шум обеспечивается в этом случае как за счет расположения детекторов в областях с высокой плотностью потоков рентгеновского излучения, так и за счет расширения энергетического диапазона регистрации излучения при применении тонких бериллиевых фольг (50-100 мкм).

Дополнительным преимуществом разработанной диагностики, по сравнению со стандартной системой регистрации рентгеновского излучения, закрепленной неподвижно на диагностических фланцах токамака, является возможность пространственного перемещения коллиматоров, энергетических фильтров и детекторов по отношению к исследуемому объекту. Такое перемещение осуществляется как за счет поступательного движения системы регистрации, так и за счет изменения наклона оси коллиматоров. Это обеспечивает оперативное изменение ориентации лучей наблюдения, что необходимо при исследовании мелкомасштабных возмущений при ограниченном наборе детекторов. Изменение угла наблюдения позволяет также регистрировать излучение из областей плазмы и с элементов конструкции токамака, не видимых с помощью стандартной системы регистрации рентгеновского излучения (например, излучение с диафрагмы, смешенной в тороидальном направлении относительно сечения, в котором возможно расположение стандартной системы регистрации). Регистрация такого излучения, возникающего, в частности, из-за интенсивного взаимодействия пучков ускоренных электронов с элементами конструкции токамака, важна для предотвращения возможных тепловых и механических повреждений конструкции токамака. Дополнительным преимуществом возможности перемещения предлагаемой системы регистрации, по сравнению с неподвижными камерами-обскурами, является возможность вывода системы детекторов из мощных полей радиации в промежутке между непосредственными измерениями. Это позволяет значительно понизить эффект накопления радиационных дефектов, обычно приводящих к потере работоспособности рентгеновских детекторов, постоянно находящихся в полях жестких излучений (см., например эксперименты на токамаке JET [6]). Система перемещения рассматриваемой системы регистрации позволяет также значительно упростить относительную калибровку детекторов. В этом случае возможно измерение радиальных распределений (профилей) излучения при сканировании разряда, что не требует дополнительных измерений с помощью спектрометров рентгеновского излучения.

Компактный дизайн диагностики представляет возможность расположения системы регистрации непосредственно у границы плазменного шнура, что является преимуществом по сравнению с обычными системами регистрации, размещаемыми на значительных расстояниях от исследуемого объекта. Это обеспечивает возможность регистрации надтеплового рентгеновского излучения (Е>50 кэВ), не идентифицируемого в обычных условиях эксперимента, из-за характерной направленности радиации в относительно узком конусе вдоль направления движения ускоренных частиц (в тороидальном направлении вблизи экваториальной плоскости тора). Дополнительное оборудование специального детектора для регистрации жесткого рентгеновского излучения, расположенного внутри защитного кожуха диагностики, позволяет проводить измерение излучения в энергетическом диапазоне (50-200 кэВ) с повышенным временным разрешением.

Еще одним преимуществом разработанной диагностики является расположение детекторов рентгеновского излучения и магнитных зондов одновременно в одной диагностической системе. По сравнению со стандартными системами регистрации это позволяет не только надежно выделять нежелательные электромагнитные наводки, но и производить восстановление возмущений плазмы одновременно как из центральных областей плазмы, так и с периферии плазменного шнура.

Система регистрации рентгеновского излучения изображена схематически на чертеже, где 1 - вакуумная камера токамака, 2 - тороидальный плазменный разряд, 3 - направление рентгеновского излучения вдоль, тороидального угла φ, 4 - пластинчатый коллиматор рентгеновского излучения, 5 - энергетический фильтр (набор металлических фольг), 6 - детектор рентгеновского излучения, 7 - усилитель, 8 - аналогово-цифровой преобразователь, 9 - система обработки сигнала,
10 - магнитный зонд,
11 - детектор жесткого рентгеновского излучения,
12 - защитный экран,
13 - подвижная штанга,
14 - вакуумный клапан,
15 - система перемещения,
16 - сильфонный блок.

Система регистрации рентгеновского излучения располагается внутри вакуумной камеры токамака 1. Гамма кванты, зарождающиеся в тороидальном плазменном разряде 2 и излучаемые в направлении вдоль тороидального угла 3, проходят вдоль пластин коллиматора 4 и через энергетический фильтр 5 и регистрируются детектором 6. Сигнал с детектора подается на вход усилителя 7 и регистрируется с помощью аналогово-цифрового преобразователя 8 и системы обработки сигнала 9. Дополнительно оборудован магнитный зонд 10, расположенный вблизи рентгеновских детекторов, внутри вакуумной камеры токамака, что позволяет определить возможные электромагнитные наводки на систему регистрации рентгеновского излучения. Дополнительный детектор 11, закрытый от внешнего излучения защитным экраном 12 и расположенный внутри вакуумной камеры, обеспечивает измерения жесткого рентгеновского излучения (Е > 30-40 кэВ).

Система регистрации закреплена на подвижной штанге 13, вводимой в камеру токамака через вакуумный клапан 14, что позволяет выводить защитный кожух с детекторами из вакуумного объема токамака для инспекции, ремонта и изменения ориентации коллиматоров. Лучи зрения детекторов задаются вертикальной позицией коллиматоров и детекторов, устанавливаемой с помощью системы позиционирования 15, а также с помощью изменения угла отклонения штанги от вертикальной оси с использованием сильфонов 16.

Детекторы рентгеновского излучения созданы на базе стандартных кремниевых поверхностно-барьерных диодов, объединенных в матрицу 2х2. Площадь чувствительной зоны детекторов 25-50 мм². Детекторы обладают наибольшей чувствительностью в диапазоне энергий гаммаквантов Е~2-25 кэВ. Стандартный энергетический фильтр состоит из бериллиевой фольги толщиной d_Ве=120 мкм (энергия отсечки Е*~2-2.5 кэВ). Для определения спектрального состава излучения измерения могут проводиться с использованием тонких бериллиевых и алюминиевых фольг (например, Ве-фольга d_Ве=52 мкм (Е*=0.5-1 кэВ)).

Регистрация и хранение данных обеспечивается с помощью двух независимых систем, созданных на базе аналогово-цифровых преобразователей (АЦП) в стандарте САМАС и в стандарте PCI. Система АЦП, построенная в стандарте САМАС, обеспечивает регистрацию данных с временным разрешением до 8 мкс и амплитудным разрешением 8 бит. Данные, накопленные во время импульса токамака в оперативной памяти АЦП (8К на канал), в промежутке между импульсами переписываются в локальную базу данных на персональном компьютере для дальнейшей обработки и анализа. Быстрые преобразователи, построенные в стандарте PCI и расположенные внутри персонального компьютера, обеспечивают частоту оцифровки до 500 кГц с амплитудным разрешением 12 бит.

Система обработки сигнала представляет собой набор программ фильтрации, калибровки и визуализации сигналов детектора рентгеновского излучения. Программы, разработанные на базе персонального компьютера, обеспечивают частотный и корреляционный анализ, а также сравнение измеренной интенсивности рентгеновского излучения с результатами расчетов мелкомасштабных возмущений плазмы.

Таким образом, полученные конечные данные о пространственной и временной эволюции рентгеновского излучения позволяют идентифицировать мелкомасштабные возмущения плазмы и провести подробный анализ устойчивости плазменного разряда. Полученные данные позволяют повысить надежность предсказания развития срыва плазмы в установках типа Токамак.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. VonGoeller S., Stodiek W., SauthoffN., Phys. Rev. Lett., 1974, V.33, N.20, P.1201.

2. Bobrovskij G.A, Kislov D.A., Lyadina E.S., Savrukhin P.V. Rev. Sci. Instrum., 1991, V.62, P.886.

3. Granetz R.S., Smeulders, P., Nucl.Fusion, 1988, V.28. P.457.

4. Snider R.T., Evanko R. and Haskovec J., Rev. Sci. Instrum, 1988, 59, 1807.

5. Бобровский Г.А., Васильев А.В., Гуляев В.А. и др. Диагностика мягкого рентгеновского излучения в потоковом режиме на крупных термоядерных установках Т-10 и Т-15. Сборник докладов III Всесоюзного совещания по диагностике высокотемпературной плазмы (Дубна, 1982), М., 1982, с. 48.

6. Alper В., Dillon S., Edwards A.W., et al.. The JET soft x-ray diagnostic system, Abingdon, JET Report. JET-C(96)01, 1996.

7. Дирнли Дж., Нортроп Д. Полупроводниковые счетчики ядерных излучений. М.: Мир, 1966.

Формула изобретения

1. Система регистрации рентгеновского излучения в установках типа Токамак, состоящая из коллиматора рентгеновского излучения, энергетического фильтра, детектора рентгеновского излучения, а также усилителя, аналого-цифровых преобразователей и системы обработки сигнала, установленных вне вакуумной камеры токамака, отличающаяся тем, что коллиматор рентгеновского излучения выполнен в виде взаимно-перпендикулярных наборов пластин, ориентированных вдоль тороидального угла вакуумной камеры токамака, при этом коллиматор, энергетический фильтр и детектор рентгеновского излучения расположены внутри вакуумной камеры токамака.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что коллиматор, фильтр и детектор рентгеновского излучения имеют возможность пространственного перемещения внутри вакуумной камеры токамака.

3. Система по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в вакуумной камере установлен магнитный зонд, соединенный через дополнительный усилитель и аналого-цифровой преобразователь с системой обработки сигналов.

4. Система по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что в вакуумной камере установлен датчик жесткого рентгеновского излучения, соединенный через дополнительный усилитель и аналого-цифровой преобразователь с системой обработки сигналов.

РИСУНКИ

Рисунок 1