CN106772540A - 一种j‑text托卡马克装置的硬x射线通量检测系统 - Google Patents

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高海龙
黄都伟
徐涛
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Abstract

本发明公开了一种J‑TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统，包括硬X射线探测模块、检波电路和AD数据采集模块；J‑TEXT托卡马克装置运行破裂时会产生大量高能高速逃逸电子，轰击该装置的第一壁材料，对材料造成直接损伤；所以对逃逸电子密度监测变得尤为重要；逃逸电子损失到第一壁时与材料发生厚靶韧致辐射，产生高能硬X射线，能量高达0.5‑10MeV；撞击器壁的逃逸电子越多，产生的硬X射线辐射能量越强，探测器输出脉冲电压越高；硬X射线光信号经硬X射线探测模块转换为脉冲电压信号，再由检波电路检测到脉冲信号峰值信号，经过数据采集卡传输到电脑终端进行存储，进而可确定辐射强度，因为辐射强度与脉冲信号幅值成正比，可得到逃逸电子分布情况。

Description

一种J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统
技术领域
本发明属于托卡马克装置检测技术领域，更具体地，涉及一种J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统。
背景技术
电子逃逸是托卡马克等离子体中的普遍现象；由于电子受到电场力的加速，热电子的撞击阻尼小于其受到的电场力时，热电子会转化为逃逸电子。等离子体破裂或者低密度放电都会带来高通量逃逸电子。由于逃逸电子能量高达几百MeV，在等离子体破裂时，会局域损失到装置第一壁材料，直接损伤材料的性能和寿命，所以必须对逃逸电子能量以及通量进行监测。逃逸电子损失到第一壁时与材料发生厚靶韧致辐射，产生高能硬X射线，能量高达0.5-10MeV。
现有的聚变反应装置如EAST、HL-2A均采用多道切向FEB阵列式硬X射线测量系统来测量高能快电子辐射，其检波电子系统复杂，成本高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种J-TEXT托卡马克装置硬X射线通量检测系统，对破裂运行等离子中体逃逸电子密度进行实时监测。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统，包括依次连接的硬X射线探测模块、检波电路和AD数据采集模块；
其中，硬X射线探测模块用于探测能量为0.5～10MeV的硬X射线并将其转换成电压脉冲信号；检波电路用于获取电压脉冲信号的峰值包络电压；AD数据采集卡用于采集该峰值包络电压；通过外部快速离散频谱分析仪根据脉冲信号峰值包络电压得到能谱分布，获得硬X射线通量。
优选的，上述的硬X射线通量检测系统，采用NaI闪烁探测器作为硬X射线探测模块；由于待检测的硬X射线能量高，能量波段为接近伽马射线能量范围，采用NaI闪烁探测器来探测处于该能量范围的硬X射线，分辨时间短、探测效率高。
优选的，上述的硬X射线通量检测系统，其硬X射线探测模块输出离散的窄脉冲信号；要通过检波电路把脉冲幅值筛选出来形成包络线信号，检波电路的响应速度不低于1us，时间分辨率为1ms，失真率低于20％。
优选的，上述的硬X射线通量检测系统，其数据采集模块的采样率不小于50KHz。
本发明提供的上述的硬X射线通量检测系统，具有结构简单的特点，可准确测量高能高速粒子的辐射；总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的J-TEXT托卡马克装置硬X射线通量检测系统，采用硬X射线探测模块通过光电效应将硬X射线能量光信号转化成电压脉冲信号；有优选方案采用NaI闪烁探测器作为硬X射线探测模块，对高能硬X射线的测量具有探测分辨时间短、探测效率高，并具有能准确测量射线的能量的优点；
(2)本发明提供的J-TEXT托卡马克装置硬X射线通量检测系统，通过硬X射线探测模块将硬X射线转换成电信号，并对转换获得的电信号进行放大整形，使得整个系统比较紧凑，操作简洁。
(3)本发明提供的J-TEXT托卡马克装置硬X射线通量检测系统，采用模拟的检波电路，首先对输入的信号进行整流，然后通过带通滤波器筛选出中频信号，可准确反映输入中频信号的包络幅值的变化；可在1ms左右的时间尺度上输出准确的波形包络线；并且其检波电路原理简单、工作性能优越，成本低廉。
(4)本发明提供的J-TEXT托卡马克装置硬X射线通量检测系统，采用高采样率的快速数据采集处理模块，可实时获取硬X射线辐射强度，进而高效计算反演破裂运行装置逃逸电子浓度。
附图说明
图1是实施例提供的J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统的功能框图；
图2是实施例提供的J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统的硬X射线探测模块的功能示意图；
图3是实施例提供的J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统的探测器接线接口示意图；
图4是实施例提供的J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统的检波电路的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1是实施例提供的J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统的功能框图；该硬X射线通量检测系统包括依次连接的硬X射线探测模块、检波电路和AD数据采集模块；实施例中采用闪烁体CH149-01型探测器作为硬X射线探测模块；
能量为0.5～10MeV的硬X射线，经过NaI探测器探测器转换成电压脉冲信号；由检波电路根据电压脉冲信号获得脉冲信号峰值包络电压；AD数据采集卡采集该脉冲信号峰值包络电压；通过快速离散频谱分析仪可根据脉冲信号峰值包络电压得到能谱分布；通过能谱分析可确定辐射强度，获得硬X射线通量；由于辐射强度与脉冲幅值成正比，进而得到逃逸电子分布情况。
如图2是实施例提供的J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统所采用的硬X射线探测模块的功能示意图；
本实施例中采用的NaI闪烁体CH149-01型探测器包括闪烁体、光电倍增管、高压电源和前置放大器；其中NaI闪烁体的规格为它通过光电效应将硬X射线能量转化为成比例的荧光量；光电倍增管包括入射窗，光电面，倍增系统和阳极；用于将荧光量转化成一定比例的电荷量；前置放大器用于将电荷量变换成电压脉冲信号；CH149型探测器为阴极接地加正高压工作，内置的前置放大器采用12V电压供电；该探测器的脉冲幅度分辨率为7.2％，工作温度为0～400C。
实施例中，探测器接线接口如图3所示；内芯线接入12V输入，七芯插座电源线屏蔽线接地，信号接口BNC接头信号线接入电路；高压接口坪长电压为240V。
由于硬X射线探测器输出的是离散的窄脉冲电压信号；因此通过检波电路采集每个脉冲的幅值并形成包络线信号；实施例中采用的检波电路包括带通滤波器、整流管、以及积分器；对输入的信号首先进行整流，然后通过带通滤波器筛选出中频信号，滤波器的输出只反映输入信号中的中频信号的包络幅度的变化；本实施例中采用通频带宽为50Hz～1.5KHz的无源带通滤波器作为检波电路。积分放大环节采用TL082运算放大器，可实现较低的输入偏置电压和偏移电流，该运放输入级具有较高的输入电阻，内建频率补偿电路，有较高的压摆率；实施例中的检波电路的时间常数为1ms，可提供较高时间分辨率的硬X射线辐射通量检波，可在1ms左右的时间尺度上可以输出准确的波形包络线。
实施例里的检波电路如图4所示意的，包括滤波器、整流管以及积分器；输入为正脉冲时，信号经过电阻R电容C串联组成的高通滤波器，稳压整流D1二极管导通，D2关断，并联的电阻R1电容C1可滤掉低频高频电流噪声信号，使得中频脉冲信号传输到A1，A2积分放大单元，获得探测器尖脉冲电压幅值。输入负脉冲时，稳压整流D2二极管导通，D1关断，串联电阻R电容C与并联的电阻R6电容C4级联形成带通滤波器，经过A2积分放大单元输出负脉冲。
实施例中，图4所示检波电路中，电阻R＝100KΩ，电阻R1＝R6＝1MΩ，R2＝R3＝R4＝R5＝100KΩ，电容C＝0.1uF，C1＝C2＝C3＝C4＝0.01uF；该检波电路时间常数为1ms，可以提供较高时间分辨率的硬X射线辐射通量；在1ms左右的时间尺度上可以输出准确的波形包络线。
本实施例中，采用16位分辨率、50KS/s采样率的AD数据采集模块对检波电路输出的模拟信号进行采样，将采集到的硬X射线通量数据传输到处理器。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种J-TEXT托卡马克装置的硬X射线通量检测系统，其特征在于，包括依次连接的硬X射线探测模块、检波电路和AD数据采集模块；
所述硬X射线探测模块用于探测能量为0.5～10MeV的硬X射线并将其转换成电压脉冲信号；所述检波电路用于获取电压脉冲信号的峰值包络电压；所述AD数据采集卡用于采集所述峰值包络电压；通过外部快速离散频谱分析仪根据所述信号峰值包络电压得到能谱分布，获得硬X射线通量。
2.如权利要求1所述的硬X射线通量检测系统，其特征在于，采用NaI闪烁探测器作为硬X射线探测模块。
3.如权利要求1或2所述的硬X射线通量检测系统，其特征在于，所述检波电路的响应速度不低于1us，时间分辨率为1ms,失真率低于20％。
4.如权利要求1或2所述的硬X射线通量检测系统，其特征在于，所述数据采集模块的采样率不小于50KHz。
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