【摘要】：论文以国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)使用的软X射线诊断系统为背景开展相关研究,该诊断主要用于测量等离子体辐射的软X射线,并获得高时空分辨率的极向辐射分布,通过对软X射线的测量可以实现对锯齿、鱼骨模等磁流体(MHD)现象的物理研究。由于ITER托卡马克装置等离子体运行的参数高,造成其周围环境复杂苛刻,软X射相机处于高温和真空环境,信号放大电路处于复杂的电磁环境中。高温环境很容易使探测器参数及性能发生改变,造成干扰增加,进而影响信号分辨;复杂的电磁干扰耦合到软X射线诊断系统中,会形成对采集信号的干扰,尤其是大功率电子回旋波加热(ECRH)及离子回旋共振加热/电流驱动(ICRH/ICCD)等会产生高频电磁干扰。因此设计出稳定可靠、电磁兼容性强的诊断系统才能满足ITER对软X射线检测的需求。基于上述存在的问题,本文对软X射线诊断系统及其电磁兼容进行了详细分析和深入研究,主要包括ITER环境中静态磁场及扰动磁场分析、电磁屏蔽体结构设计及屏蔽体的屏蔽效果分析、探测器特性分析及噪声抑制、电子线路电磁兼容设计,最后介绍了用来降低探测器温度的气体冷却回路,使探测器性能保持稳定。由于ITER装置中的电磁干扰源无法抑制,为了保护软X射线诊断系统不受电磁场干扰影响,只能采用被动的电磁防护,即利用屏蔽体来切断电磁干扰的传播路径。由于屏蔽体的结构、线孔、缝隙以及使用的材料对电磁屏蔽效果影响很大,本文使用磁场分析软件Maxwell对静态磁场分布进行分析,并使用HFSS仿真软件对扰动磁场大小及分布进行仿真,从而得到屏蔽体对电磁干扰的屏蔽效果。通过仿真确定了屏蔽箱体厚度、箱体结构、线孔结构、缝隙以及箱体材料对电磁屏蔽效果的影响,通过屏蔽体厚度、结构等优化设计使箱体内部的静态磁场由230mT降低到5mT以下,扰动磁场衰减约为60dB-80dB。其次,介绍了光电二极管探测器自身的参数对信号采集的影响,主要分析了光电二极管的结电容、暗电流及其反向偏置电压等。通过对探测器特性参数进行分析可知,当环境温度发生变化时,探测器热噪声、散射噪声以及暗电流等也会随着改变,造成输出信号中干扰增加。因此通过对探测器进行冷却和加反向偏置电压可以提高探测器的性能,并确定了光电二极管两端所加的适当的反向偏置电压。再次,对软X射线检测放大电路及其电磁兼容(EMC)进行设计:主要完成了电源系统噪声及其完整性分析;设计了电源EMI滤波器来降低电源系统的噪声;对电子元件的选择及电子线路板的布局进行优化,并采用SIwave仿真软件查找电路板上存在的谐振并对其进行抑制。通过信号检测电路的优化及抗干扰设计,使信号的总体噪声降至约8mV,从而提高了信号检测系统的性能。最后介绍了探测器气体冷却回路的设计及实验。由于DSM处于烘烤阶段时,其温度可以达到240(±10)℃,在氘-氘(D-D)阶段正常放电的时候DSM的温度大约为140℃,探测器吸收其传导或辐射过来的热,造成自身温度升高。探测器温度升高会使自身暗电流增大,探测器的噪声干扰随之增加,影响微弱信号检测。针对以上问题设计了探测器冷却回路来降低探测器的温度。目前很多托卡马克装置都是使用低温水对探测器进行冷却,但ITER处于氘-氚放电阶段时水容易活化。为了避免水冷却带来的活化及其废水处理等问题,本文设计一种采用氦气作为冷媒的闭循环冷却系统。主要对软X相机及其冷却系统进行了热学仿真,并搭建了烘烤冷却测试平台对冷却回路进行测试。测试结果表明,在环境温度为250℃时,通过冷却可使探测器的温度降到65℃以下,从而验证采用气体冷却的方式来保护探测器的可行性。通过改变冷却气体参数(比如流量、压力及气体温度)可以设定探测器温度阈值。
【图文】：
第１章引言ｓｈｋａ，意思是“环形室邋”（Ｔｏｒｏｉｄａｌ邋ｃｈａｍｂｅｒ）和“磁线圈邋”（Ｍａｇｎｅｔｉｃ邋ｃ前被一致认为能获得可控聚变能的最合适的实验装置。托卡马克装约束条件下实现热核聚变的装置，如果是通过使用超导磁体来产生场，则称其为超导托卡马克（Ｔｏｋａｍａｋ）邋［１２，，１３］。逡逑ｉｒｏｎ邋ｌｒａｉ？％ｆ？ｒｉｎ？？ｒ邋ｃｏｉｌｓ逡逑
ｆｏｒ邋｝＞Ｕｍｈ？邋ｃｈａｐｐｉｎｇ逦ｌｏｒｏｉｄｉｉｌ邋ｍａｇｎｅＩｋ邋ｆｉｅｌｄ逡逑ａｎｄ邋ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋ｃｏｎｔｒｏｌ逡逑图１．１托卡马克的原理结构逡逑Ｔｏｋａｍａｋ邋ｐｌａｓｍａ邋ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ邋ｄｅｖｉｃｅ逡逑Ｉ逦零丨？逦ｓＢＳ＾Ｉ逡逑ａ＊邋＾ｓｇｎｅｔｋ邋ｆｉｅｌｄ邋ｌｉｎｅｓ逡逑，邋．二邋＇；、）、‘逡逑图１．２托卡马克约束强磁场的位形图逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TL64
【参考文献】
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