CdTe探测器对EAST托卡马克中20–200 keV硬X射线测量

席 莹 林士耀 胡立群 徐立清 张继宗

(中国科学院等离子体物理研究所 合肥 230031)

EAST(Experimental advanced superconducting tokamak)托卡马克是我国自行设计、制造的全超导非圆截面托卡马克核聚变实验装置。它利用外部线圈产生的环向磁场与离子体电流自身感应产生的极向磁场，对等离子体进行约束。其高参数稳态等离子体运行及相关工程技术和物理研究，对于国际热核聚变实验堆(ITER)的稳态运行及物理研究有重大的参考意义。EAST全超导托卡马克的基本参数[1]为：纵场BT=3.5 T，大半径R0=1.75 m，小半径a=0.4 m，拉长比1.2–2，在限制器和偏滤器(单零，双零位形)条件下放电运行。

低杂波电流驱动(LHCD)是研究长脉冲稳态运行和先进托卡马克位形等物理问题的重要手段，是目前驱动效率最高的非感应电流驱动方法。低杂波通过朗道阻尼驱动快电子来维持等离子体电流，因此，可利用快电子和主等离子体相互作用(主要是轫致辐射)发出特定波段的射线来研究 LHCD的驱动效果。

Goeler等[2]在PLT装置上使用碘化纳(NaI)闪烁体阵列研究硬X射线的辐射强度及能谱分布，利用硬 X射线研究低杂波电流驱动。Peysson[3]在 Tore Supra装置上安装的碲化镉(CdTe)探测器阵列是研究快电子的有力工具。2012年在EAST托卡马克实验装置上，建立了水平七道的 CdTe探测器阵列，用来研究水平方向的快电子行为、LHCD的沉积以及驱动效果等的物理特性[4]。本文介绍了硬X射线诊断系统和电子线路，并给出EAST硬X射线诊断实验结果。

1 硬X射线诊断系统

低杂波通过平行朗道阻尼将超热电子加速至共振能量，高能快电子碰撞频率低、速度高，可有效携带非感应电流。快电子的共振能量在数十至两百keV，硬X射线测量的能段区域为20–200 keV，所以，探测器的选择是硬X射线测量的关键。碲化镉(CdTe)探测器是一种化合物半导体探测器，具有较高能量分辨率，室温下工作不受磁场干扰。而且体积小，对硬X射线具有较高的能量沉积率，能在有限的空间范围内实现多道测量，同时在无防护情况下，对探头抗中子干扰能力较强，即使在中子辐射很强情况下，由低杂波产生的硬X射线能谱也能很好的识别出来，因此CdTe探头可作为可靠的测量手段在托卡马克装置上得到使用。

我们使用的是法国 Eurorad公司生产的 CdTe能谱型探头，尺寸为5 mm×5 mm×3mm，有效测量范围在20–200 keV，且吸收率的线形较好。图1为硬X射线探测系统的探测效率，图2为57Co的标定能谱。图中低能段(小于20 keV)是在探测夹缝口上加装1 mm厚的铝膜用于截止低能段的射线。它对200 keV硬X射线的吸收率为31.6%，能量分辨率为4.7 keV@122 keV。

图1 硬X射线探测系统效率Fig.1 Detection efficiency of HXR detection.

图2 放射源57Co标定能谱Fig.2 57Co calibration spectrum.

EAST上硬X射线诊断系统如图3所示，该系统位于EAST水平A窗口上，空间分辨率约为10 cm，探测范围137–197 cm，基本覆盖等离子体全空间，为屏蔽非观测范围内的X射线[5]，我们利用2 cm厚的铅对探测器进行屏蔽，同时，每个探测器前均有直径2 mm、长度10 cm的准直孔进行准直。主等离子体特定水平位置的硬X射线在CdTe探头里激发电子-空穴对，其数目与X射线的能量成正比，在偏压电场作用下，电子和空穴被探头的两极收集在输出回路中形成信号，经电荷灵敏前置放大器(charge preamplifier)和线性电压放大器(linear amplifier)放大处理，初始信号形成窄脉冲的电压信号，脉冲高度(正比于X射线的能量)被多道脉冲分析器(MCA—multi-channel analyzer)变成数字信号送入计算机。所以X射线能谱测量系统也被称为高度脉冲分析器—PHA(pulse height analyzer)[6–8]。图4为硬X射线诊断系统数据信号流程示意图。

其中 MCA 包含幅度-数字变换器(ADC)和数据缓存器(MEM)两部分。我们使用的是威金森(Wilkinson)型幅度-数字变换器，它采用线性法进行幅度-数字转换。数据缓存器的变换道数有 512或1024，硬X射线诊断用的道数为1024。主放的成形时间为0.3 μs，可容许200 kHz的计数率而不产生严重的堆积效应。数据存储器用来收集EAST托卡马克长脉冲放电的能谱。每幅谱的采样时间从1 ms到500 ms连续可调，能满足数十秒至上百秒的长脉冲放电需要。数据存储安放了内置式网卡，从主控计算机发出的指令和采集的数据通过网线传送，工作指令以UDP数据包形式发给数据缓存器后，指令将被MEM中的嵌入式CPU执行。图5为MCA工作流程图，一台数据缓存器可连接8个ADC，一台计算机又可通过 HUB控制多台数据缓存器，所以，在EAST控制室用一台电脑可以控制多个数据的采集[2,9–14]。

图3 EAST水平七道硬X射线诊断系统示意图Fig.3 The schematic view of the HXR diagnostic in EAST of 7 detectors.

图4 硬X射线诊断信号流程图Fig.4 Block diagram of hard X-ray.

图5 MCA系统工作流程图Fig.5 Schematic of MCA system.

2 实验结果

在EAST实验过程中，硬X射线CdTe探测器诊断系统工作良好，信号及信噪比较好，能够满足等离子体硬X射线轫致辐射的要求。图6为典型的EAST托卡马克LHCD等离子体的放电波形图，主要参数为：等离子体电流约250 kA，低杂波的注入功率约 500 kW，等离子体中心弦平均密度约为1.0×10−19m−3，低杂波维持时间约为 3.5 s。从图中可以看到在加波前后，等离子体密度Ne没有太大变化，环电压从加波前的约2.0 V降至加波期间的大约1.0 V。从环电压的下降可明显看出LHCD驱动电流的效果，由硬X射线能谱看出，加波前的欧姆放电中硬X射线计数非常少，加入LHCD后来自等离子体的硬X射线辐射通量明显增加。这是由于加波后有更多的快电子产生，使快电子的轫致辐射增强。图7给出不同密度下LHCD实验的硬X射线实验结果。在同一炮放电情况下，等离子体电流约300 kA，低杂波功率500 kW，由图7可见，在2.0–2.5 s间等离子体密度约为 1.7×10−19m−3，在 2.8–3.2 s等离子体密度约为 2.5×10−19m−3，可以看出，在等离子体电流、环电压以及低杂波功率基本保持不变时，等离子体密度升高后，硬X射线信号辐射强度减弱。图8为硬X射线在加低杂波平稳阶段的三维径向分布图，X轴为七道探测器的位置分布，Y轴为时间轴，Z轴为硬X射线的辐射强度。其中等离子电流为 400 kA，等离子体密度为 3.2×10−19m−3，低杂波功率约为900 kW，三维径向分布可给出低杂波能量的沉积位置。

图6 EAST实验低杂波电流驱动的典型实验结果Fig.6 Typical waveform of LHCD plasma in EAST.

图7 EAST不同密度的低杂波实验Fig.7 Different density of LHCD plasma in EAST.

图8 LHCD实验硬X射线径向强度分布Fig.8 The hard X-ray radial distribution.

3 结语

在EAST托卡马克装置上安装了基于CdTe(碲化镉)探测器的水平七道硬 X射线诊断系统，该系统具有较好的时间和空间分辨率，并在实验中取得较好的实验结果，验证了其具有较好的有效性和可靠性。CdTe探测器具有较高的探测效率、较好的能量分辨率，且可在常温下使用。CdTe探测器信号稳定、信噪比也较好。在EAST高参数实验中，等离子体的温度越来越高，相应辐射的硬X射线能量也随之增强，因此，将会被能量探测范围更高的半导体探测器CZT(碲锌镉)探头所取代。CZT是在CdTe中参入Zn，从而增加禁带宽度，CZT晶体探头相比CdTe探头，还具有暗电流更低、电阻率更高、热稳定性更好和带隙(～1.7 eV)更宽、能量分辨率更高等诸多优异的性能。

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