EAST水平硬X射線(xiàn)診斷單元研究
托卡馬克研究作為目前世界上最成功的受控核聚變裝置已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)展。EAST是我國自主建設具有D形截面的大型全超導托卡馬克實(shí)驗裝置，它的高參數穩態(tài)等離子體運行及相關(guān)工程技術(shù)和物理研究，對于正在建設的國際熱核聚變實(shí)驗堆的穩態(tài)運行及物理研究有著(zhù)十分重大的參考意義。
低雜波電流驅動(dòng)（LHCD）是目前托卡馬克裝置中電流驅動(dòng)效率最高的非感應電流驅動(dòng)方法。LHCD通過(guò)朗道阻尼驅動(dòng)快電子來(lái)維持等離子體電流，因此可以利用快電子和主等離子體相互作用時(shí)發(fā)出的特定波段輻射（主要是韌致輻射）來(lái)研究LHCD的驅動(dòng)效果。LHCD驅動(dòng)的快電子能量從外部到芯部逐漸衰減，分布在數十到數百keV之間，相應的韌致輻射在硬X射線(xiàn)(HXR)能段。因此通過(guò)測量特征硬X 射線(xiàn)快電子行為可以研究低雜波的電流驅動(dòng)行為。近年來(lái)，工作溫度在室溫區域的新型半導體CdTe探頭成為最佳的替代品，并在HT-7上獲得成功應用，解決了上述的諸多限制條件，等離子體小截面上徑向二維HXR診斷已經(jīng)取得了相當滿(mǎn)意的結果。但是由于HT-7缺少切向窗口，因此在剛剛開(kāi)展物理實(shí)驗的全超導托卡馬克EAST上研制了這套基于CdTe探頭的HXR水平切向陣列（Hard X-rayHorizontal Tangent array spectroscopic Analyzer）, 簡(jiǎn)稱(chēng)HXHTA，主要目的是研究水平方向快電子行為、LHCD的沉積及LHCD的驅動(dòng)效率等物理特性，并為進(jìn)一步建立垂直HXR 系統提供經(jīng)驗。
HXHTA的簡(jiǎn)要工作流程是：主等離子體特定水平位置的X射線(xiàn)特征能量在半導體探頭里激發(fā)電子—空穴對，在偏壓的作用下，形成相應能量的輸出電流信號，經(jīng)過(guò)兩級放大變成窄脈沖電壓信號，信號高度（正比于X射線(xiàn)能量）被多道脈沖分析儀（MCA）轉變成數字信號，再輸入計算機進(jìn)行相應的物理分析。為了得到盡可能準確的物理分析結果，X射線(xiàn)能譜篩選、探測器匹配以及裝置抗干擾設計就顯得尤為重要。本文介紹了HXHTA的設計及其實(shí)現、與EAST裝置聯(lián)機得到的實(shí)驗結果，并根據實(shí)驗數據驗證了本設計的正確性和可靠性。
2、基于CdTe探頭的HXR診斷
EAST裝置等離子體放電是在縱向磁場(chǎng)和極向磁場(chǎng)與等離子體自身產(chǎn)生的極向磁場(chǎng)復合作用形成螺旋變化的復雜磁場(chǎng)位形中約束定向運動(dòng)的電子和相應反向運動(dòng)的離子形成的電流，如圖1所示。
圖1 托卡馬克裝置等離子體磁場(chǎng)位形
根據準線(xiàn)性理論計算的低雜波電流驅動(dòng)的驅動(dòng)效率ηcd與低雜波被等離子體吸收時(shí)的平行折射率平方N2成反,所以低雜波主要朝大環(huán)的一個(gè)切線(xiàn)方向發(fā)射，從而在電子速度分布的高能尾部形成速度平臺，使得ηcd最大。如果需要精確地測量快電子分布函數以及角向動(dòng)量分布，則需要切向多角度的快電子韌致輻射（FEB）診斷。雖然測量到的切向HXR是單個(gè)切線(xiàn)方向上的第二類(lèi)曲線(xiàn)積分，但是由于快電子韌致輻射具有角向不均勻性，而且由于相對論效應其輻射主要集中在低雜波入射方向，可以近似認為是切線(xiàn)所在弧對應的FEB。等離子體放電的大環(huán)主要區域是在半徑130cm 到235cm 之間。HXHTA的正向和反向探頭都為16個(gè)，把等離子體區域劃分為16個(gè)同心圓環(huán)，空間分辨率為7cm。因為窗口水平尺寸有限，各方向的探頭按奇偶數分置兩層，層距3 cm，而等離子體小截面高度接近3m，經(jīng)過(guò)計算大環(huán)半徑誤差小于0.1cm，誤差對空間分辨率影響可以忽略，如圖2所示。
（射線(xiàn)分別表示探測器所在等離子體層中單個(gè)切向發(fā)射出的HXR 向量和，其值為第二類(lèi)曲線(xiàn)積分）
圖2 C窗口HXHTA示意圖
CdTe探頭體積小，對HXR具有較高的能量沉積率，能在有限的空間內實(shí)現多道測量，同時(shí)在無(wú)防護的情況下探頭抗中子干擾能力也比同類(lèi)探測器強，即使在中子輻射很強的情況下，由LHCD產(chǎn)生的HXR能譜也能被很好地識別出來(lái)，因此CdTe探頭作為可靠的測量手段在很多托卡馬克裝置上得到應用。我們使用的法國Eurorad公司制造的CdTe 能譜型探頭，尺寸為5×5×3mm,有效測量范圍在20～200keV，且吸收率的線(xiàn)形較好，如圖3所示，圖中低能段是在探測狹縫口上加裝1mm厚的鋁膜用于截止低能射線(xiàn)。它對200keV的HXR 吸收率是31.6%；對57Co的122keV 的特征峰最好，分辨率可達3.8%，如圖4所示。
圖3 切向HXR探測系統的探測效率
圖4 探頭No.301+PR16-SFN0301FWHM=4.7keV
