Author(s):
　　Milan Aftanas - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
　　Petra Bilkova - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
　　P. Bohm - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
　　V. Weinzettl - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
　　M. Hron - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i
　　R. Panek - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
　　Dr. Daniel Kaminsky - Elcom, a. s.
　　T. Wittassek - Elcom, a.s.
　　M. Rumpel - Elcom, a.s.
　　J. Sima - Elcom, a.s.
　　
　　核聚變是恒星的力量源泉，它是將多個(gè)原子核合并在一起形成一個(gè)單一的重原子核的過(guò)程。加入較輕的原子核，如氫原子，產(chǎn)生巨大的能量釋放。聚變具有成為未來(lái)幾代安全、潔凈且近乎無(wú)限的能量來(lái)源的潛力。但是它的應(yīng)用要求非?？量?，這使控制聚變用于民用目的非常困難。磁約束可以作為克服核聚變困難的一種方法，這樣我們就可以利用核聚變作為能量來(lái)源。最近我們確定托克馬克為最具應(yīng)用前景的磁約束裝置，且目前托克馬克比其他磁約束裝置或慣性聚變裝置更接近聚變。
　　
托克馬克裝置COMPASS
　　托克馬克是利用磁場(chǎng)維持高溫高密度等離子體的裝置，捷克科學(xué)院等離子體物理研究所（IPP ASCR）作為歐洲原子能共同體（EURATOM）的成員，參與了全球聚變研究計(jì)劃。我們將原來(lái)位于英國(guó)卡爾漢姆聚變能研究中心（Culham Center for Fusion Energy，CCFE）的托克馬克裝置COMPASS（圖1）重新安裝到了位于捷克布拉格的捷克科學(xué)院等離子體物理研究院[1]，并在2008年12月首次生成等離子體。
　　
湯姆遜散射
　　為了研究和控制等離子體行為并維持其平衡，我們需要一系列診斷工具。聚變等離子體研究最重要的參數(shù)之一就是等離子體溫度和密度。湯姆遜散射（Thomson Scattering，TS）是用于診斷這些參數(shù)的獨(dú)特方法，這是一種可提供高度本地化測(cè)量的激光輔助等離子體診斷方法[2]。設(shè)計(jì)復(fù)雜和由于散射效率極低導(dǎo)致需要相當(dāng)大量的工作是湯姆遜散射的一些缺點(diǎn)。
　　
　　現(xiàn)在COMPASS裝置上的TS系統(tǒng)正在建設(shè)中[3]，圖2顯示了這個(gè)系統(tǒng)的布局示意圖，其主要組成部分有高能激光器、用于測(cè)量散射光譜的多色器以及快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器（Analog-to-Digital Converters，ADCs）。我們使用了兩臺(tái)釹釔鋁石榴石激光器（Nd:YAG）,二者重復(fù)頻率為30Hz，最大輸出能量為1.5J。激光穿過(guò)等離子體并部分被散射。單色光在散射后光譜展寬，散射光從56個(gè)空間點(diǎn)經(jīng)過(guò)光路和光纖組合系統(tǒng)到多色器（設(shè)計(jì)于英國(guó)卡爾漢姆聚變能研究中心CCFE），在這里入射光通過(guò)級(jí)聯(lián)光譜濾波器和雪崩光電二極管（Avalanche Photodiodes，APD）進(jìn)行光譜分析。該系統(tǒng)的每個(gè)多色器使用多達(dá)5個(gè)光譜通道用于光譜測(cè)定，最終實(shí)現(xiàn)每個(gè)從雪崩光電二極管傳來(lái)的信號(hào)都被快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器數(shù)字化。
　　
數(shù)據(jù)采集需求
　　每個(gè)激光脈沖持續(xù)時(shí)間為8ns，且激光器可以在不同機(jī)制下工作（如圖3）。兩個(gè)激光器可以同時(shí)工作，或者分別按可調(diào)的延遲時(shí)間（1 μs–16.6 ms）進(jìn)行工作。該系統(tǒng)對(duì)快速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的要求反映出它對(duì)數(shù)字化這樣的信號(hào)需要足夠的采樣率來(lái)重建激光脈沖時(shí)間演化。
　　
系統(tǒng)硬件
　　我們使用高速NI PXI-5152數(shù)字化儀和低速D-Tacq ACQ196C PCI ADC板卡來(lái)同步來(lái)自所有多色器（120個(gè)光譜通道）的數(shù)字化信號(hào)?？焖倌?shù)轉(zhuǎn)換器擁有高達(dá)1GS/s的轉(zhuǎn)換速率，8位分辨率以及小于300ps的通道間偏移。這些ADC板卡（每個(gè)板卡兩個(gè)通道）每通道擁有8MB板載內(nèi)存并被安放在四個(gè)PXI-1045機(jī)箱中。
　　
　　第一個(gè)機(jī)箱，也稱作主機(jī)箱，安放了一個(gè)嵌入四核的PXI-8110控制器，其同時(shí)擁有觸發(fā)和定時(shí)板卡以同步剩余三個(gè)附屬機(jī)箱。主機(jī)箱儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，執(zhí)行計(jì)算，通過(guò)MXI-4技術(shù)（78MB/s）與附屬機(jī)箱進(jìn)行刪除通信，并通過(guò)以太網(wǎng)與低速ADC板卡和COMPASS裝置控制系統(tǒng)（CODAC）進(jìn)行交互。所有機(jī)箱的所有通道都與NI PXI-6653的參考時(shí)鐘緊密同步。使用NI TClk技術(shù)以及內(nèi)嵌鎖相環(huán)（Phrase Locked Loops，PLLs），我們可以獲得小于300ps的通道間偏移，即便是在這個(gè)高通道數(shù)目的系統(tǒng)中。低速數(shù)字化儀每個(gè)通道都擁有16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器以實(shí)現(xiàn)真正采樣率為500kS/s的同時(shí)模擬輸入。我們使用兩塊低速ADC板卡，每塊擁有96個(gè)通道、400MHz的精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算（RISC）處理器以及512M的板載內(nèi)存。
　　
系統(tǒng)軟件
　　我們使用LabVIEW編寫(xiě)程序來(lái)控制TS系統(tǒng)中的數(shù)字化儀。軟件的基本功能包括參數(shù)設(shè)定、提供觸發(fā)、進(jìn)行采集和顯示采集記錄以及保存數(shù)據(jù)到文件（如圖4）。我們將在以后增添附加功能，如數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)接口和其他必要的更多功能。該軟件運(yùn)行于Microsoft Windows平臺(tái)。我們?cè)谝院罂刹捎肔abVIEW實(shí)時(shí)模塊來(lái)對(duì)托克馬克控制回路內(nèi)部進(jìn)行確定性操作。
　　
數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition，DAQ）特征
　　激光脈沖觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，這樣激光定時(shí)將是目前COMPASS裝置實(shí)時(shí)TS系統(tǒng)的限制因素。由于TS系統(tǒng)DAQ硬件和軟件是模塊化的，所以在以后我們可以增加數(shù)字化儀的數(shù)量，并可能使用主機(jī)箱的嵌入式電腦通過(guò)激光觸發(fā)數(shù)據(jù)采集，所得數(shù)據(jù)將分段獲取。
　　
　　由于NI PXI-5152數(shù)字化儀的多記錄采集功能，數(shù)據(jù)段僅需1 µs即可獲取。每段數(shù)據(jù)代表了一個(gè)激光脈沖或者雙脈沖，即處于兩臺(tái)激光器同時(shí)發(fā)射或發(fā)射延時(shí)非常?。ǘ逃? µs）機(jī)制時(shí)。來(lái)自激光器的硬件觸發(fā)脈沖無(wú)需操作系統(tǒng)（Operating System，OS）干預(yù)便可啟動(dòng)數(shù)據(jù)段收集。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)（等離子體發(fā)射），我們從每個(gè)數(shù)字化儀的板載內(nèi)存下載了所有數(shù)據(jù)段到主機(jī)箱的嵌入式電腦上，并在這里進(jìn)行原始數(shù)據(jù)處理。校準(zhǔn)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在嵌入式電腦中，并可獲取來(lái)自低速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的低速采樣背景輻射和來(lái)自能量監(jiān)測(cè)器的激光能量數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)整合了散射信號(hào)，同時(shí)將獲得的溫度和密度計(jì)算結(jié)果通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到CODAC。
　　
結(jié)論
　　針對(duì)湯姆遜散射診斷的COMPASS數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可以測(cè)量散射信號(hào)的演化，這給我們提供了需要重建的溫度和密度分布信息，也使我們可以在我們所需要的不同等離子體狀態(tài)通過(guò)三次激光定時(shí)設(shè)置進(jìn)行信號(hào)測(cè)量。
　　
　　到目前為止，我們已經(jīng)測(cè)試了所有的湯姆遜散射系統(tǒng)，并測(cè)量了拉曼散射信號(hào)。
　　
致謝
　　我們要感謝來(lái)自卡爾漢姆實(shí)驗(yàn)室的英國(guó)同事在這個(gè)項(xiàng)目中的大力支持和合作，即Michael Walsh博士（國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)堆組織，法國(guó)）和Rory Scannell博士、Graham Naylor博士和Martin Dunstan博士（卡爾漢姆聚變能研究中心，英國(guó)）。部分MAST設(shè)計(jì)也被采納。
　　
參考文獻(xiàn)
[1] R. Panek, J. Czech Physics 56 (Suppl. B) (2006) B125-B137.
[2] A. J. H. Donne et al., Fus. Sci. and Technology 53, 397-430 (2008)
[3] P. Bilkova et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2010), doi:10.1016/j.nima.2010.03.121