托卡马克空间等离子体硬X射线辐射强度和能谱空间分布测量系统的研究

In Tokamak plasma diagnostic study, in order to meet the requirements for Hard X-ray measurement with better temporal and spacial resolutions for fast electron characteristic analysis, We search for a novel real-time diagnostic system for Hard X-ray energy spectrum and intensity measurement, which has novel compact multi-channel detector array and custom digital pulse processing system for X-ray spectroscopy based on novel multi-channel parallel pipeline real-time data processing methods in FPGA. The possible application of new type Silicon Photomultiplier and LYSO scintillator will be studied, as well as a multi-channel pre-amplifier with short pulse shaping time; Signal disposal methods、pulse digitization processing、digital filtering、Campbell method、pulse shape recognition and other special algorithm for pulse processing will also be studied, we aim to reduce or eliminate the adverse effects on measurement accuracy from baseline drift、crosstalk、noise and spurious radiated interference and others, we try to realize the capability of real-time measurement with both good spacial resolution and energy resolution and offer a new technical approaches for Tokamak Hard X-ray diagnostic and fast electron characteristic study.

在托卡马克等离子体诊断研究中，针对通过硬X射线的空间分布能谱测量和强度测量进行高能量电子特性分析的需求, 探索一种具备多通道阵列化的同时具备实时能谱测量和辐射强度测量的新型探测系统和基于FPGA的多路并行流水线型实时在线数据处理新方法；探索新型固体硅光电倍增管和新型闪烁探测器阵列在该领域的应用、新型前置放大器阵列；以及探索研究信号调理方法、波形数字化处理、数字滤波、坎贝尔积分、脉冲波形识别等多种数据处理的特殊算法，降低或消除诸多不利因素如基线漂移、串扰、噪声及杂散辐射干扰等等对测量精度的影响，力求实现同时具备实时测量特性和好的空间分辨和能谱分辨能力，为托卡马克装置中高能量电子的测量研究提供一条新的技术途径。

在该项托卡马克等离子体硬X射线空间分布的能谱测量和强度测量的研究中, 我们提出了一种新的等离子体能谱和强度空间分布测量方法；我们采用粒子输运模拟软件Geant4，进行了系统的理论分析和Monte Carlo模拟，提出并构建了基于硅酸钇镥闪烁晶体（LYSO）和 硅光电倍增管 (SiPM, Silicon Photomultiplier)的新型硬X射线探测器，以及多通道探测器所组成的阵列结构，同时设计研制了系统的聚焦屏蔽单元；研究并实现了与该前端探测器阵列相匹配的前置放大器阵列；设计并实现了基于FPGA和高速ADC（250M，12bit）的数字化脉冲处理电子学实时信息处理系统；实现了高速数字化多路并行的流水线实时处理技术、在FPGA中实现粒子脉冲波形甄别算法、能谱测量实时处理算法、ADC积分非线性修正算法；研究并实现了Campbell积分算法，研制出了系统运行的软件系统，通过实验室的各项技术指标测试、模拟测试和在HL-2A装置上的现场实际测试，最终实现了阵列化新型托卡马克装置硬X射线（10keV~200keV）空间分布的能谱测量和强度测量，达到了预期目标。