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Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术

周少彤 黄显宾 任晓东 王昆仑 徐强 张思群

周少彤, 黄显宾, 任晓东, 等. Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
引用本文: 周少彤, 黄显宾, 任晓东, 等. Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
Zhou Shaotong, Huang Xianbin, Ren Xiaodong, et al. Triggering and anti-interfering technology of diagnostic systems used in Z-pinch experiments[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
Citation: Zhou Shaotong, Huang Xianbin, Ren Xiaodong, et al. Triggering and anti-interfering technology of diagnostic systems used in Z-pinch experiments[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200

Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术

doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
基金项目: 国家自然科学基金项目(11575167)
详细信息
    作者简介:

    周少彤(1979—),男,硕士,从事Z箍缩实验及诊断技术研究;jadegoat@163.com

  • 中图分类号: TN972

Triggering and anti-interfering technology of diagnostic systems used in Z-pinch experiments

  • 摘要: 通过对时间关联信号的筛选、转换和延时等方法建立了用于8 MA脉冲功率装置上Z箍缩实验中诊断设备的触发网络,其输出触发信号与被测X射线之间的时间抖动小于2 ns,满足了纳秒级的诊断时间同步要求。采用屏蔽、接地等有效措施基本消除了放电产生的强电磁环境以及其它杂散信号对触发线缆和诊断设备的干扰,保证了诊断设备的正常工作和实验数据的质量。
  • 图  1  诊断系统的触发线路框图

    Figure  1.  Schematic of triggering circuitry used for diagnostics

    图  2  实验中测量的空间电磁信号以及信号的频谱特征

    Figure  2.  Electromagnetic signal measured in the experiment and the spectrum character of the signal

    表  1  Z箍缩实验参试诊断系统

    Table  1.   Diagnostic systems used in Z-pinch experiments

    diagnostic systemsapplication
    laser probe system laser shadowgraph of imploding plasmas and density of coronal plasma or precursor
    gated X-ray pinhole camera X-ray framing image
    large format time-resolved pinhole camera high-resolution X-ray framing image
    X-ray streak camera X-ray streak image
    optical streak camera radial optical streak image
    multi-spectral or monochromatic X-ray time-integrated camera high-resolution time-integrated images of various spectrum
    flat spectral response XRD detector soft X-ray power and energy
    bolometer soft X-ray energy
    scintillator detector soft X-ray power and energy
    filtered XRD array soft X-ray power and energy
    time-integrated crystal spectrometer time-integrated X-ray line spectrum
    time-resolved crystal spectrometer time-resolved X-ray line spectrum
    transmission grating spectrometer time-integrated continuous spectrum
    axial gated X-ray pinhole camera axial X-ray framing image
    axial XRD array axial soft X-ray power and energy
    axial crystal spectrometer axial time-integrated X-ray spectrum
    thermo luminescent dosimeter radiation dose of gamma ray
    filtered Si-PIN array radiation dose rate of gamma ray
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-15
  • 修回日期:  2020-11-03
  • 网络出版日期:  2020-10-30

Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术

doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11575167)
    作者简介:

    周少彤(1979—),男,硕士,从事Z箍缩实验及诊断技术研究;jadegoat@163.com

  • 中图分类号: TN972

摘要: 通过对时间关联信号的筛选、转换和延时等方法建立了用于8 MA脉冲功率装置上Z箍缩实验中诊断设备的触发网络,其输出触发信号与被测X射线之间的时间抖动小于2 ns,满足了纳秒级的诊断时间同步要求。采用屏蔽、接地等有效措施基本消除了放电产生的强电磁环境以及其它杂散信号对触发线缆和诊断设备的干扰,保证了诊断设备的正常工作和实验数据的质量。

English Abstract

周少彤, 黄显宾, 任晓东, 等. Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
引用本文: 周少彤, 黄显宾, 任晓东, 等. Z箍缩诊断系统的触发和抗干扰技术[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
Zhou Shaotong, Huang Xianbin, Ren Xiaodong, et al. Triggering and anti-interfering technology of diagnostic systems used in Z-pinch experiments[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
Citation: Zhou Shaotong, Huang Xianbin, Ren Xiaodong, et al. Triggering and anti-interfering technology of diagnostic systems used in Z-pinch experiments[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202133.200200
  • 脉冲功率驱动的Z箍缩技术作为一种强X射线辐射源,可用于惯性约束聚变、辐射效应以及实验室天体物理等高能量密度物理问题的研究[1-3]。其中,对箍缩等离子体的时空演变特性和X射线辐射参数诊断是Z箍缩技术研究的一项重要内容[4-5]。通过获取等离子体的温度、密度及其时空分布信息等状态参量以及X射线辐射功率、能量、能谱结构等辐射数据,可以研究不同负载类型等离子体的内爆动力学过程及其不稳定性发展,掌握其内爆特征和辐射参数的变化规律,实现对物理模型和数值模拟程序的校验。

    中国工程物理研究院于2014年成功研制一台输出电流峰值8~10 MA、电功率超过10 TW的大型脉冲功率装置[6]。自装置建成以来,已经开展了多轮与Z箍缩惯性约束聚变和辐射效应相关的高能量密度物理实验并获得了丰富的实验结果[7-8]。在实验过程中,装置瞬时放电对参试诊断系统造成了严重的干扰,导致诊断设备或工作稳定性下降,或获取数据的信噪比降低,甚至引起设备的故障和损坏。经分析,产生这些影响的主要原因包括:装置各类开关部件及负载区瞬时放电时产生的强电磁脉冲环境,会干扰诊断系统的触发线路和自身的电子器件,导致诊断设备被误触发工作以及稳定性下降;负载区放电时会产生高能射线,它和强电磁脉冲信号会影响诊断系统的探测器和数据记录设备,导致数据的信噪比变差;高能射线还对一些敏感的电子元器件产生辐射累积效应,致使设备在使用一定时间后出现故障;另外,装置放电还会导致实验室地线的瞬间电位抬升,影响到诊断系统的供电电源,从而影响设备的工作性能等。因此,针对这些干扰信号的来源、类型和严重程度,必须采取有效的隔离、电磁屏蔽和辐射防护等措施,提高诊断系统的抗干扰能力,确保诊断系统的工作性能和使用寿命[9]。针对现有诊断系统的测试需求和易被干扰的现象,本文建立了用于各类诊断设备同步工作的触发网络,同时通过屏蔽、隔离等措施,有效地抑制了干扰信号对设备的影响,提升了诊断系统的抗干扰能力和测量数据的质量。

    • 用于脉冲功率装置上Z箍缩实验的诊断系统包括从可见、紫外光到X射线、伽马射线的宽光谱范围以及纳秒级时间分辨和百微米级空间分辨的物理图像拍摄和辐射参数测量设备[10],主要用于获取内爆等离子体各类图像和状态参量、X射线辐射功率和能量以及辐射谱和辐射剂量(率)等,具体的测试设备内容见表1

      表 1  Z箍缩实验参试诊断系统

      Table 1.  Diagnostic systems used in Z-pinch experiments

      diagnostic systemsapplication
      laser probe system laser shadowgraph of imploding plasmas and density of coronal plasma or precursor
      gated X-ray pinhole camera X-ray framing image
      large format time-resolved pinhole camera high-resolution X-ray framing image
      X-ray streak camera X-ray streak image
      optical streak camera radial optical streak image
      multi-spectral or monochromatic X-ray time-integrated camera high-resolution time-integrated images of various spectrum
      flat spectral response XRD detector soft X-ray power and energy
      bolometer soft X-ray energy
      scintillator detector soft X-ray power and energy
      filtered XRD array soft X-ray power and energy
      time-integrated crystal spectrometer time-integrated X-ray line spectrum
      time-resolved crystal spectrometer time-resolved X-ray line spectrum
      transmission grating spectrometer time-integrated continuous spectrum
      axial gated X-ray pinhole camera axial X-ray framing image
      axial XRD array axial soft X-ray power and energy
      axial crystal spectrometer axial time-integrated X-ray spectrum
      thermo luminescent dosimeter radiation dose of gamma ray
      filtered Si-PIN array radiation dose rate of gamma ray

      在靶室径向方向,激光探针光诊断系统用于拍摄不同内爆时刻的等离子体阴影图像以及内爆初期低密度等离子体的密度测量[11];门控X射线针孔相机和多种X射线积分针孔相机分别用于拍摄等离子体自发射的X射线时空分辨图像和各种能谱范围或单色线谱的、高空间分辨的X射线时间积分图像,给出等离子体的动态演化过程和压缩比等信息[12];X射线和可见光条纹相机用于拍摄等离子体自发射的X射线和可见光条纹图像,给出等离子体在一维空间上强度分布的连续变化过程[13];平响应X射线二极管探测器及探测器阵列和闪烁体功率计用于X射线的辐射功率测量,其测量结果对时间积分后可以给出X射线的辐射总能量,与图像数据结合还可以给出类黑体辐射等离子体的辐射温度[14-15];金属薄膜量热计用于软X射线的辐射总能量测量[16];时间积分和时间分辨的晶体谱仪分别用于测量X射线线谱的具有一维空间分辨的谱强度分布信息以及线谱的时间和空间分辨信息[17];透射光栅谱仪主要用于X射线连续谱的强度分布测量[18];热释光剂量片阵列和滤波Si-PIN阵列探测器用于硬X射线和伽玛瞬时剂量和剂量率测量。在靶室轴向方向,参试的诊断系统主要包括X射线二极管探测器阵列、X射线晶体谱仪和门控X射线针孔相机,主要用于轴向方向的X射线辐射功率、能量、辐射线谱的测量以及动态黑腔实验中黑腔的轴向时空分辨图像的拍摄,给出黑腔中冲击波的运动特征和温度分布等信息。

    • 实验中,驱动装置放电过程的持续时间为微秒量级,而高温等离子体从形成、向心运动到滞止、飞散的持续时间约为数十纳秒,其X射线辐射脉冲的半高宽最短仅为数纳秒。针对测量目标物的瞬态特性,诊断系统的工作模式主要分为两种:获取信号的时间积分结果的被动等待诊断模式和获取具有时间分辨信息的实验数据的主动外触发诊断模式。实验中,除去对X射线时间积分的图像和能谱测量的诊断设备,多数具有时间分辨功能的诊断系统为了实现工作时间与被测量信号时间的同步,必须选取与被测量的信号具有时间关联特征的信号以作为诊断系统的工作触发信号。

      对于主动外触发模式的诊断系统,被触发的设备主要包括本身需要触发信号才能工作的诊断设备(例如具有时间分辨的各类相机)和需要触发的数据记录设备(这里主要指用于各种电信号记录的数字示波器)。实验中,不同诊断设备的触发特性、固有延时和设备工作持续时间不同,因此对触发信号的前沿、幅值、信号到达设备的时间以及信号到达时间的时间抖动等要求也有所不同。因此,建立一个具有信号自身参数和时序可调的、多通道输出的、时间抖动足够小的、稳定的触发系统,是满足上述各类诊断系统的基本要求。基于以上需求,选取了装置的激光触发开关的激光光信号或激光同步输出电信号作为诊断触发系统的触发信号,建立了诊断设备的触发网络,如图1所示。

      图  1  诊断系统的触发线路框图

      Figure 1.  Schematic of triggering circuitry used for diagnostics

      经过对实验中装置和负载区输出的各种时间关联信号进行比较后发现,激光触发开关输出的激光光信号和同步输出电信号的波形较稳定,信号上升前沿时间短(小于10 ns),同时它与被测X射线信号之间的时间长度满足所有诊断系统对时间延时的需求,并且时间间隔的抖动较小。图1中,激光同步电信号经过功分器一分为二,分别触发两台数字延时发生器;其中1号数字延时发生器经过相同的延时时间后,输出三路逻辑电平信号(TTL),每路TTL信号再经过功分器分成若干信号,同时触发三个数字示波器群,使示波器的记录时间范围在满足时间分辨的同时覆盖被测信号的时间长度,记录诊断系统获取的电信号数据;2号数字延时发生器经过不同的时间延时后依次输出三路TTL信号,分别触发三台X射线分幅相机,保证相机的拍摄时间和X射线发光时间同步。激光信号采用分光器分成两路,通过光电转换器转换为电信号后触发数字延时发生器,数字延时发生器经过不同的时间延时,依次输出若干路TTL信号,触发X射线或可见光条纹相机,使相机的记录时间范围与被测X射线或可见光的发射时间同步。

      触发网络最终触发各诊断系统或示波器的触发信号与被测X射线信号之间的时间抖动决定于激光光信号与X射线信号之间的时间抖动以及触发线路中每个元器件的时间抖动。在触发网络中,同轴电缆和光纤的时间抖动可以忽略,光电转换器和数字延时发生器的时间抖动一般为数十皮秒,它们都远小于激光信号与X射线信号之间的时间抖动。测量结果表明[13],激光信号的上升沿与X射线信号之间的时间抖动小于2 ns。因此,触发网络最终输出的触发信号与被测X射线信号之间的时间抖动基本满足了各诊断系统对纳秒量级的时间同步的需求。

      显而易见,触发同步的时间抖动主要来自于触发源信号和X射线信号之间的延时时间的抖动。经分析,其主要原因为:首先,装置工作在相同状态时,激光触发开关到负载区之间各类开关的导通时间分散性是时间抖动的主要来源;其次,负载区由于加工和装配精度的变化导致其阻抗有所不同,对电流的时间波形有一定影响;最后,对于同一类型负载靶,靶的制作精度和装配精度不可能完全一致,导致负载靶的内爆初始条件不一致,从而影响了内爆过程和X射线的辐射波形。在实验的准备过程中,只能尽量减小实验初始条件的变化,但是不可能完全避免。

    • 实验中,为了满足诊断数据的信噪比和精度需求,各诊断系统和设备位于真空靶室端距靶心10 m以内的距离,从而导致诊断系统受到装置放电的严重干扰。影响诊断系统正常工作的干扰主要包括:装置各开关部件和负载区放电时发射的强电磁辐射对诊断系统的触发电路和系统电子设备的干扰;放电导致实验室地线的瞬间电位抬升对诊断设备电子器件的干扰;放电对实验室供电电源的影响;负载区产生的高能X射线和γ射线对测量数据信噪比的影响以及对诊断系统中敏感电子元器件的累积效应造成的器件故障。针对不同干扰信号的特征和干扰途径,必须采取有效的方法来提高诊断系统的抗干扰性能。

      强电磁辐射是诊断系统最主要的干扰源。电磁辐射主要来自装置各开关部件和负载区放电对空间发射的电磁脉冲信号,信号的频率范围根据各部件的放电特性一般小于百MHz,其持续时间在微秒量级。实验中获取的空间电磁信号如图2所示。电磁辐射会干扰所有的电子设备,导致大部分设备工作失常;另外,电磁辐射会干扰诊断系统的触发、测试等用于电信号传输的线缆,导致系统被线缆中的干扰耦合信号误触发以及电信号数据测量噪声的增大。

      图  2  实验中测量的空间电磁信号以及信号的频谱特征

      Figure 2.  Electromagnetic signal measured in the experiment and the spectrum character of the signal

      屏蔽是消除电磁干扰的十分有效的办法。密封金属板对静电和高频电磁场具有吸收和反射效应,因此,利用屏蔽柜对诊断系统进行屏蔽是一种有效的屏蔽手段。屏蔽柜对高频信号的衰减可以达到80 dB以上,实验中,诊断系统的电子设备都应尽量位于屏蔽柜中。对于无法放置在屏蔽柜中的电子设备和电缆,可以采用铜网和屏蔽线等网状屏蔽层进行屏蔽。铜网对于高频电磁场主要起反射作用,其效果远不如全金属板,为了改善屏蔽效果,可以采用双层或多层铜网,层与层之间除一点电连接外互相绝缘,其对电磁信号的衰减可以比单层铜网增加数十dB。

      接地是脉冲功率电流放电实验中需要特别注意的问题。即使在装置接地线和接地点与大地连接良好、接地线上没有电流流过的情况下,放电过程中装置的接地外壳仍然会感应较高的瞬变电压,干扰测试结果,并很容易对仪器造成损害。因此,实验平台上的屏蔽柜和测量系统应该各自安装单独的接地线接到大地,并且最好彼此相互绝缘。应当注意的是,各电子器件之间以及器件与其所放置的电路之间应保持单线连接,尽量避免它们之间形成大的闭合回路。另外,实验中还需要对诊断系统的供电电源采取滤波和隔离措施,避免干扰信号通过供电电源以及电源地线对设备造成干扰。

      实验中,供电电源的地线通过隔离变压器与屏蔽柜和诊断系统断开;电源进入屏蔽柜时通过滤波器过滤掉干扰产生的高频信号,特殊情况下还可以采用不间断电源(UPS)对屏蔽柜内的诊断系统进行供电;屏蔽柜和诊断系统的地都与装置的真空靶室单线连接,靶室通过地线接入大地,装置接地电阻小于0.5 Ω。对屏蔽柜内诊断设备的远程控制和数据传输全部采用光纤通讯,避免造成屏蔽柜屏蔽性能的下降。

      高能X射线也是诊断系统的干扰源之一。在装置放电过程中,负载区电子发射会产生高能X射线和伽马射线,其光子能量可达到数百keV甚至MeV量级,主要对用于等离子体图像和X射线能谱测量的诊断系统的CCD相机、成像板、胶片等图像记录介质进行干扰,造成图像读出噪声增大,严重降低了图像的信噪比和分辨率。消除高能射线的干扰主要还是采用高Z金属材料对射线的散射效应。例如,对于轴向门控针孔相机,设计多重光路准直的铅金属准直部件,尽量阻挡等离子体之外的高能X射线直接辐射到CCD相机的芯片和数据读出电路上。除此之外,还要考虑高能射线在系统结构件内部的散射对成像器件的干扰。

    • 本文介绍了用于MA级脉冲功率装置上的物理诊断系统,建立了满足诊断设备同步要求的触发网络,其输出触发信号与被测量X射线信号之间的抖动小于2 ns,基本满足了现阶段物理实验对诊断设备的需求。针对装置在放电过程中产生的强电磁辐射和其它干扰源对诊断设备的干扰以及对测量数据质量的影响,通过隔离、屏蔽、接地等措施有效地抑制了干扰,提升了诊断设备的抗干扰能力。

      目前,驱动装置实验测试平台基本解决了诊断系统的触发和干扰问题,但缺乏对干扰信号的特征参量、干扰过程等系统的测量和分析。下一阶段,将对强电磁干扰信号和干扰途径进行系统研究,在新型诊断设备研制的过程中强化抗电磁干扰设计,提升诊断系统自身的抗干扰能力,满足不同强电磁干扰及辐射环境下的测试需求。

      致 谢 感谢装置运行团队的工作人员给予的指导和帮助。

参考文献 (18)

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