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CN114114375B - 一种等离子热电子测量系统及测量方法 - Google Patents

一种等离子热电子测量系统及测量方法 Download PDF

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CN114114375B CN202111389678.XA CN202111389678A CN114114375B CN 114114375 B CN114114375 B CN 114114375B CN 202111389678 A CN202111389678 A CN 202111389678A CN 114114375 B CN114114375 B CN 114114375B
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Abstract

本发明属于等离子热电子测量技术，具体涉及一种等离子热电子测量系统及测量方法。系统包括数据服务器、采集显示、VME机箱、脉冲数据统计分析模块、FPGA计数器、探测器信号处理模块、碲化镉热电子探测器；测量方法包括采用碲化镉热电子探测器进行等离子体热电子的测量、对探测器得到信号进行放大和反堆积处理、进行热电子脉冲的数据并行计数和采集、进行热电子脉冲的分离处理、得到等离子放电过程中热电子能量谱分布曲线。本系统及方法实现了热电子测量系统的电子能量分布的实时探测和分析，碲化镉器完成了热电子的测量，提高了热电子测量系统的测量精度和运行效率。

Description

一种等离子热电子测量系统及测量方法
技术领域
本发明属于等离子热电子测量技术，具体涉及一种等离子热电子测量系统及测量方法。
背景技术
在托克马克装置放电实验中，不仅在常规欧姆放电中会产生大量的超热电子，此外在辅助加热特别是进行波加热及低杂波电流驱动的实验过程中会有大量的超热电子存在。等离子体中的超热电子与等离子体中的电子和离子相互作用产生的X射线韧致辐射其能量范围在几十至几百keV之间,因此我们可以通过测量不同的能量分布来进行等离子参数的分析。通常我们运用探测器测量等离子体20Kev到160Kev的热电子分布，通过对这种中等能量的X射线的辐射强度和能谱测量分析，我们可以得到在辅助加热条件下等离子体辐射中的X射线辐射强度的时空分布，通过分析X射线的强度分布获得等离子体的热电子能量沉积的范围和区域，同时可以得到外来即波的可接近性及回旋共振层的位置，超热电子的速率分布和此分布的时空变化等参数。同时热电子的测量分布也可用于研究等离子电流的内破裂、大破裂、热电子和超热电子的输运、与模式波共振引起的不稳定性、辅助加热引起和诱发逃逸电子雪崩等一系列等离子体物理现象的研究是等离子体物理实验一种极重要的诊断手段，完成对热电子的测量需要开发一套能较好完成测量任务的诊断测量系统。
传统的热电子测量系统由于采用垂直于等离子的方法进行热电子测量并不能很好的测量等离子体各个方向的热电子辐射能量分布。此外由于采集速率的限制时间分辨率、空间分辨率和能量分辨率往往不能同时兼，造成等离子热电子测量的时空分辨率较差不能很精确的测量热电子的能量分布。因此设计和开发一套更精确的测量系统解决传统系统的测量范围小，测量精度低和数据处理速度慢等缺点。
发明内容
本发明的目的是提供一种等离子热电子测量系统及测量方法，解决传统系统的测量范围小，测量精度低和数据处理速度慢等缺点。
本发明的技术方案如下：
一种等离子热电子测量系统，包括数据服务器、采集显示、VME机箱、脉冲数据统计分析模块、FPGA计数器、探测器信号处理模块、碲化镉热电子探测器；
碲化镉热电子探测器进行等离子体热电子的测量；
采用碲化镉能根据辐射强度生成不同强度电压的脉冲信号波实现对热电子的电子能量探测；
探测器信号处理模块实现对探测器信号的放大和信号的反堆积处理，同时设计去噪电路实现噪声抑制；
FPGA计数器实现热电子探测器信号的数据采集和脉冲计数；
脉冲数据分析模块完成对数据的分析和统计实时得到20Kev-160Kev能量段的热电子分布情况。
一种等离子热电子测量方法，包括如下步骤：
步骤1、采用碲化镉热电子探测器进行等离子体热电子的测量；
步骤2、对探测器得到信号进行放大和反堆积处理；
步骤3、进行热电子脉冲的数据并行计数和采集；
步骤4、进行热电子脉冲的分离处理；
步骤5、得到等离子放电过程中热电子能量谱分布曲线。
每个碲化镉热电子探测器分别以相差1.9度的测量角度方向进行探测器的布置。
所述的步骤2利用放大和反堆积电路实现，其包括三个反向放大器和与之连接的电容及电阻；第一反向放大器的反相输入端连接电子R1，同相输入端连接电阻R3，并且接地；在反相输入端和输出端并联电阻R2和电容C1；第二反向放大器的反相输入端连接电子R6并且接地，同相输入端和第一反向放大器的输出端之间依次连接电阻R5和电容C2；在同相输入端和输出端并联电阻R7；第三反向放大器的反相输入端和第二反向放大器的输出端之间依次串联电阻R9和R8，R9和R8之间接引线连接电容C3并接地；第三反向放大器的反相输入端和输出端并联电子R11，同相输入端连接电阻R10并接地；整个电路的输入端为电阻R1的电流输入端，输出端为第三反向放大器的输出端并联电路交汇端。
调节R1和R2的电阻值实现对电压信号的调节，电容C1用来补偿探测器信号的相位及抑制高频噪声。
C2和R4所在的微分电路，检测探测器信号里的信号峰值变化，且R4*C2小于所有探测器输出的脉冲宽度。
所有反向放大器均连接微分电路和积分电路，且R5和R7阻值相同。
R8和C3所在的积分电路实现对微分信号的还原和分离，且时间常数与脉冲信号频率一致。
采用标准碲化镉模块校准电路电平输出时对R9和R11的电阻值进行调整校准。
所述的步骤3以FPGA并行计数和采集的方式完成对19条热电子脉冲的数据采集和脉冲高度的计数，具体为
3.1)采用电压幅度鉴别器实时鉴别热电子脉冲的电平幅度并根据幅度信号生成不同电平的脉冲信号；
3.2)实时计数器对不同电平的脉冲进行采集并进行热电子脉冲的分离处理。
所述的步骤4中，热电子脉冲的电压幅值设计为1V、1.5V、2V、2.5V、3V、3.5V、4V、4.5V，根据电压幅值设定进行热电子脉冲的分离处理。
所述的步骤5中，热电子能量范围限定为20Kev-160Kev。
本发明的显著效果如下：实现了热电子测量系统的电子能量分布的实时探测和实时分析的功能，通过采用碲化镉器完成了热电子的测量。同时通过信号调理电路和甄别，完成对探测器信号的实时处理，最后通过采用以FPGA为核心的数据采集系统实现了对脉冲信号的实时采集和统计分析，并实时得出等离子热电子的能量分布图，提高了热电子测量系统的测量精度和运行效率。
热电子测量系统包括碲化镉探测器、数据服务器、采集显示、VME机箱、脉冲数据统计分析模块、FPGA计数器、探测器信号处理模块等，实现了信号前置放大、信号驱动、高精度线性放大和反堆积处理，同时进行脉冲鉴别和计数统计，探测器与采集器采用同轴线布置，连接采集器与数据处理系统采用桥接卡并采用光纤进行连接以满足热电子测量的精度要求。
热电子探测器采用碲化镉为核心采用合理的前置放大电路、差分驱动电路、线性放大电路和反堆积电路进行探测器的信号处理设计，进一步提高等离子热电子的测量精度。
数据处理系统采用FPGA计数器，以FPGA为核心进行设计,主要包括脉冲采集卡，VME采集机箱和数据处理计算机，采集机箱与数据处理计算之间采用光纤进行连接通信实现探测器与采集分析和计算机的抗干扰连接；
碲化镉探测器完成热电子的测量、脉冲信号放大电路和反堆积电路完成对探测器信号的处理，数据采集和分析系统完成对热电子的能量分布的统计分析实现对等离子的热电子准确测量。
反堆积电路的设计能够实现热电子探测器脉冲信号的自动反堆积去除重复信号，保证了热电子探测器脉冲信号的单一性。
附图说明
图1为等离子热电子测量系统组成示意图；
图2为电子能量探测器测量范围和测量方向的布局测量通道示意图；
图3为探测器脉冲单一性放大和反堆积电路示意图；
图4为通过探测器信号放大和反堆积电路处理后的测量波形信号测试；
图5为等离子超热电子不同能量段分布的测量统计结果分布和显示。
具体实施方式
下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
等离子热电子测量系统的组成包括数据服务器、采集显示、VME机箱、脉冲数据统计分析模块、FPGA计数器、探测器信号处理模块、碲化镉热电子探测器；
碲化镉热电子探测器进行等离子体热电子的测量；
采用碲化镉能根据辐射强度生成不同强度电压的脉冲信号波实现对热电子的电子能量探测。
探测器信号处理模块实现对探测器信号的放大和信号的反堆积处理，同时设计去噪电路实现噪声抑制；
FPGA计数器实现热电子探测器信号的数据采集和脉冲计数；
脉冲数据分析模块完成对数据的分析和统计实时得到20Kev-160Kev能量段的热电子分布情况。
等离子热电子测量方法，按照如下步骤实施
步骤1、采用碲化镉热电子探测器进行等离子体热电子的测量，其中每个探测器分别以相差1.9度的测量角度方向进行探测器的布置；
如图2所示，1.9度的角度方向进行探测器的布置确保能覆盖较大范围的等离子热电子测量范围。
步骤2、对探测器信号进行处理
包括信号放大处理、反堆积电路处理，具体包括
2.1)首先设计信号放大和反堆积电路；
如图3所示的放大和反堆积电路，包括三个运算放大器和与之连接的电容及电阻；
第一反向放大器的反相输入端连接电子R1，同相输入端连接电阻R3，并且接地；在反相输入端和输出端并联电阻R2和电容C1；
第二反向放大器的反相输入端连接电子R6并且接地，同相输入端和第一反向放大器的输出端之间依次连接电阻R5和电容C2；在同相输入端和输出端并联电阻R7；
第三反向放大器的反相输入端和第二反向放大器的输出端之间依次串联电阻R9和R8，R9和R8之间接引线连接电容C3并接地；第三反向放大器的反相输入端和输出端并联电子R11，同相输入端连接电阻R10并接地；
整个电路的输入端为电阻R1的电流输入端，输出端为第三反向放大器的输出端并联电路交汇端；
2.2)进行探测器信号放大
通过调节R1和R2的电阻值实现对电压信号的调节，电容C1用来补偿探测器信号的相位同时也起到防止震荡和抑制高频噪声的作用，确保探测器信号的质量。
2.3)由C2和R4所在的微分电路，检测探测器信号里的信号峰值变化。C2和R4的参数需要确保R4*C2小于所有探测器输出的脉冲宽度，因此就能够确保该电路能正确快速的检测到热电子信号的实时变化情况。
2.4)采用有源同向放大器实现微分电路和积分电路的分离，去除电路间的耦合干扰。
设定R5和R7阻值相同，不对信号进行任何处理，R6是接地电阻，用来防止高频地噪声对探测器信号质量影响，确保测量信号的准确性。
2.5)采用R8和C3所在的积分电路实现对微分信号的还原和分离。时间常数与脉冲信号频率一致，实现对每个脉冲信号的自动分离，确保探测器热电子脉冲信号的单一性。
2.6)第三反向放大器还原热电子脉冲信号的相位和幅度
后端增加的第三反向放大器能够还原热电子脉冲信号的相位和幅度，同时在采用标准碲化镉模块校准电路电平输出时对R9和R11的电阻值进行调整校准，实现电子脉冲幅度的准确输出。
整个信号处理电路实现了热电子脉冲信号的准确测量和处理，满足了热电子测量中对探测器脉冲信号的脉宽和信噪比的需求。
步骤3、用以FPGA并行计数和采集的方式完成对19条热电子脉冲的数据采集和脉冲高度的计数，实现对热电子脉冲信号的幅度的采集和脉冲高度的计数
3.1)采用电压幅度鉴别器实时鉴别热电子脉冲的电平幅度并根据幅度信号生成不同电平的脉冲信号
3.2)实时计数器对不同电平的脉冲进行采集并通过VME机箱和总线协议把获取的数据发送到上位机数据处理中心进行处理；
步骤4、热电子脉冲的分离处理
如图1所示上位机数据处理计算机获取到热电子数据后实时根据热电子脉冲的电压幅值(1V、1.5V、2V、2.5V、3V、3.5V、4V、4.5V)进行热电子脉冲的分离处理，实现对不同电压的等离子热电子脉冲幅值进行计数和分布统计。
步骤5、如图5所示根据步骤4的热电子脉冲电压幅度统计结果得到等离子放电过程中热电子能量20Kev-160Kev的能量谱分布曲线，并统计出不同能量段热电子的分布情况和分布特性最后将获取的测量分析结果存入数据库。

Claims (10)

1.一种等离子热电子测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、采用碲化镉热电子探测器进行等离子体热电子的测量；
步骤2、对探测器得到信号进行放大和反堆积处理；
步骤3、进行热电子脉冲的数据并行计数和采集；
步骤4、进行热电子脉冲的分离处理；
步骤5、得到等离子放电过程中热电子能量谱分布曲线；
所述的步骤2利用放大和反堆积电路实现，其包括三个反向放大器和与之连接的电容及电阻；第一反向放大器的反相输入端连接电子R1，同相输入端连接电阻R3，并且接地；在反相输入端和输出端并联电阻R2和电容C1；第二反向放大器的反相输入端连接电子R6并且接地，同相输入端和第一反向放大器的输出端之间依次连接电阻R5和电容C2；在同相输入端和输出端并联电阻R7；第三反向放大器的反相输入端和第二反向放大器的输出端之间依次串联电阻R9和R8，R9和R8之间接引线连接电容C3并接地；第三反向放大器的反相输入端和输出端并联电子R11，同相输入端连接电阻R10并接地；整个电路的输入端为电阻R1的电流输入端，输出端为第三反向放大器的输出端并联电路交汇端。
2.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：每个碲化镉热电子探测器分别以相差1.9度的测量角度方向进行探测器的布置。
3.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：调节R1和R2的电阻值实现对电压信号的调节，电容C1用来补偿探测器信号的相位及抑制高频噪声。
4.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：C2和R4所在的微分电路，检测探测器信号里的信号峰值变化，且R4*C2小于所有探测器输出的脉冲宽度。
5.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：所有反向放大器均连接微分电路和积分电路，且R5和R7阻值相同。
6.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：R8和C3所在的积分电路实现对微分信号的还原和分离，且时间常数与脉冲信号频率一致。
7.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：采用标准碲化镉模块校准电路电平输出时对R9和R11的电阻值进行调整校准。
8.如权利要求1所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：所述的步骤3以FPGA并行计数和采集的方式完成对19条热电子脉冲的数据采集和脉冲高度的计数，具体为
3.1)采用电压幅度鉴别器实时鉴别热电子脉冲的电平幅度并根据幅度信号生成不同电平的脉冲信号；
3.2)实时计数器对不同电平的脉冲进行采集并进行热电子脉冲的分离处理。
9.如权利要求8所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：所述的步骤4中，热电子脉冲的电压幅值设计为1V、1.5V、2V、2.5V、3V、3.5V、4V、4.5V，根据电压幅值设定进行热电子脉冲的分离处理。
10.如权利要求8所述的一种等离子热电子测量方法，其特征在于：所述的步骤5中，热电子能量范围限定为20Kev-160Kev。
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