EAST托卡馬克激光吹氣雜質(zhì)注入系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計及測試

范玉 趙宇紅 張洪明 呂波,3 林子超,3 沈永才 尹相輝 王福地 符佳 計華健,3 曾超 毛立宇 孫波

1（南華大學(xué) 電氣工程學(xué)院 衡陽 421001）

2（中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 等離子體物理研究所 合肥 230031）

3（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院 科學(xué)島分院 合肥 230031）

4（合肥師范學(xué)院 物理與材料工程學(xué)院 合肥 230601）

在托卡馬克裝置運行期間，等離子體不可避免地與裝置第一壁、偏濾器等面向等離子體的材料發(fā)生相互作用，會在材料表面通過濺射等方式產(chǎn)生各種粒子，這些粒子作為雜質(zhì)進(jìn)入等離子體后會稀釋主離子濃度，而且將通過線輻射和軔致輻射等使等離子體損失巨大能量，進(jìn)而嚴(yán)重降低等離子體的約束性能，輻射損失會冷卻等離子體，影響功率平衡，甚至引起等離子體破裂［1］。因此，研究等離子體中的雜質(zhì)輸運行為并發(fā)展有效的雜質(zhì)控制方法對于實現(xiàn)高性能等離子體放電與保證裝置安全運行具有重要意義。

瞬態(tài)微擾法是一種在托卡馬克裝置上開展等離子體雜質(zhì)輸運研究的常用方法。在放電期間，通過脈沖式主動注入少量示蹤雜質(zhì)，并觀測等離子體中相應(yīng)元素雜質(zhì)輻射強度的變化行為，進(jìn)而研究雜質(zhì)的輸運行為。過程中既要保證注入的微量雜質(zhì)對主等離子體不產(chǎn)生顯著影響，又要保證所注入的雜質(zhì)量可以產(chǎn)生足夠的響應(yīng)。目前，5 種常見的雜質(zhì)注入技術(shù)已經(jīng)在托卡馬克裝置上得到應(yīng)用：激光吹氣雜質(zhì)注入（Laser Blow-off，LBO）、彈丸注入、插入侵蝕探針、普通雜質(zhì)氣體充氣（General Gas Puffing，GP）和超聲分子束注入（Supersonic Molecular Beam Injection，SMBI）［2］。原則上只要使雜質(zhì)源的脈沖寬度小于雜質(zhì)輸運時間就可以研究等離子體中雜質(zhì)輸運過程，其中LBO正是提供這種脈沖式雜質(zhì)源的有效工具。由于該雜質(zhì)注入速度非?？欤虼丝梢愿_地獲得雜質(zhì)在等離子體中的輸運行為［3］。這種技術(shù)應(yīng)用廣泛，通過瞬態(tài)注入雜質(zhì)并對雜質(zhì)輸運行為進(jìn)行分析可以精確計算雜質(zhì)濃度，并且還可以用于電子熱輸運、等離子體邊緣低密度區(qū)的電子密度和溫度的測量以及分析等過程［4-6］。

激光吹氣雜質(zhì)注入系統(tǒng)現(xiàn)已成功應(yīng)用在JET、HL-2A、TVC 和Wendlstein7-X 等［7-10］托卡馬克裝置上，并且結(jié)合具有良好時間和空間分辨率的X射線、真空紫外（Vacuum Ultraviolet，VUV）光譜儀和測輻射熱相機進(jìn)行檢測、跟蹤雜質(zhì)進(jìn)入等離子體的過程，通過測量確定雜質(zhì)輸運特性，如雜質(zhì)輸運時間、擴散系數(shù)和對流速度等［4，11］。在HL-2A 上，利用LBO 系統(tǒng)注入鋁雜質(zhì)研究了ECRH（Electron Cyclotron Resonance Heating）對于鋁雜質(zhì)的輸運行為的影響［2］；在JET 上也被用來研究歐姆放電和H 模放電條件下的雜質(zhì)輸運；在Wendlstein7-X上的LBO系統(tǒng)對7 種不同的材料進(jìn)行了300 多次注射并且證實了LBO雜質(zhì)注入不會顯著干擾等離子體。

目前，EAST托卡馬克裝置上已經(jīng)發(fā)展了從軟X射線、極紫外、真空紫外以及可見光波段的雜質(zhì)診斷系統(tǒng)，可以提供從芯部到邊界的全空間雜質(zhì)輻射信息。但由于目前尚無有效的微量雜質(zhì)注入系統(tǒng)，因此尚且無法在EAST裝置上開展精細(xì)的雜質(zhì)輸運研究。因此，在EAST 上開展LBO 雜質(zhì)注入系統(tǒng)研制對于進(jìn)一步提升雜質(zhì)輸運研究水平和發(fā)展雜質(zhì)控制方法有重要意義。

LBO 的控制系統(tǒng)主要用于控制雜質(zhì)注入時刻與雜質(zhì)注入量，是LBO系統(tǒng)的核心部分。在HL-2A上，通過反射鏡把激光器產(chǎn)生的光束引導(dǎo)到激光吹氣窗口，利用計算機串口控制電控升降臺來移動聚光鏡調(diào)節(jié)光斑大小及燒蝕位置。在Wendlstein7-X仿星器上，將涂有雜質(zhì)薄膜的玻璃靶支架安裝在多功能機械手上，通過一個光學(xué)系統(tǒng)將光束引導(dǎo)到真空，并可以在兩個脈沖之間調(diào)整光斑直徑和玻璃靶上的位置。

本研究主要開展了EAST裝置LBO雜質(zhì)注入系統(tǒng)的控制系統(tǒng)研究，并對研制完成的控制系統(tǒng)進(jìn)行了測試與評估。

1 系統(tǒng)工作原理與整體設(shè)計

1.1 LBO雜質(zhì)注入系統(tǒng)基本原理

LBO 雜質(zhì)注入系統(tǒng)的系統(tǒng)示意圖如圖1 所示。高功率激光器發(fā)射出的激光脈沖通過聚焦透鏡聚焦在涂有雜質(zhì)薄膜的靶板上，通過一個三維位移控制系統(tǒng)改變聚焦透鏡在空間中的位置，從而改變激光聚焦在靶板上的位置。在高功率激光的作用下，雜質(zhì)薄膜在激光聚焦區(qū)域內(nèi)的溫度急劇上升，隨后在靶板表面附近蒸發(fā)、膨脹、氣化，進(jìn)而形成具有幾電子伏特能量的中性原子束、原子團(tuán)，然后沿著真空管道向等離子體運動并在極短的時間內(nèi)到達(dá)等離子體邊界，同時與等離子體中的離子、電子、原子相互碰撞被電離［12］。在湍流的作用下，離子沿著徑向向內(nèi)擴散進(jìn)入等離子體形成示蹤粒子并在不同的溫區(qū)激發(fā)到不同的電離態(tài)，產(chǎn)生從紅外到軟X 射線波段的輻射，可通過現(xiàn)有的軟X 射線和真空紫外診斷設(shè)備開展雜質(zhì)輸運研究［13-14］。

圖1 激光吹氣（LBO）雜質(zhì)注入系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of a laser blow-off (LBO) system

1.2 激光吹氣雜質(zhì)注入系統(tǒng)整體設(shè)計

LBO 雜質(zhì)注入系統(tǒng)三維建模圖如圖2 所示，主要由激光器、聚焦透鏡、三維（3D）位移機構(gòu)、靶材和真空管道組成，靶材放在真空管道內(nèi)。

圖2 LBO雜質(zhì)注入系統(tǒng)三維建模圖Fig.2 Three-dimensional modeling diagram of the LBO system

圖 3 電源模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of power module circuit design

圖 4 穩(wěn)壓模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of voltage-stabilizing module circuit

為減少換靶次數(shù)，通過移動激光光束的聚焦點改變激光燒蝕位置來提高靶材利用率。聚焦透鏡安裝在由三個步進(jìn)電機驅(qū)動的三維位移軌道上，可以實現(xiàn)透鏡在空間范圍內(nèi)的精準(zhǔn)移動，其中X和Y方向與靶材所在平面平行，通過調(diào)整聚焦透鏡在Z方向的位置，從而調(diào)整激光打在靶材上的光斑大小改變燒蝕能量，再通過對標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析過程中激光燒蝕質(zhì)量的精確測量，從而精確地控制雜質(zhì)注入量，并在控制系統(tǒng)的操縱下實現(xiàn)聚焦透鏡在X-Y平面上一系列位置掃描，從而改變激光在目標(biāo)靶板上的燒蝕位置。為此，我們利用STM32與PyQT5開發(fā)了一套三維位移系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以精確并快速地改變聚焦透鏡的位置，在放電過程中對靶板上的雜質(zhì)材料進(jìn)行多次的激光燒蝕，從而提高了效率、性能的可重復(fù)性以及靶板材料的充分利用性。

2 三維位移控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 微控制單元模塊

微控制單元（Micro Control Unit，MCU）是整個三維控制系統(tǒng)的核心，目前成熟的控制器主要有ARM（Advanced Risc Machine）微處理器、PLC（Programmable Logic Controller）可編程邏輯控制器以及FPGA（Field Programmable Gate Array）可編程邏輯門陣列。對于MCU的選擇，需要考慮其芯片的性能以及可靠性、設(shè)備擴展難度、后期維護(hù)以及成本等方面。

綜合考慮對三維控制系統(tǒng)的設(shè)計需求，選擇基于ARM Cortex-M3 內(nèi)核的STM32 系列微處理器作為主控芯片，型號為STM32F103ZET6，該芯片具有如下特點：1）其工作頻率最高可達(dá)72 MHz；2）具有512 K 的FLASH 和64 K 的SRAM，同時擁有SWD和JTAG 接口，方便進(jìn)行在線編程及調(diào)試；3）具有144 個引腳且包含112 個通用I/O 口，在滿足設(shè)計要求的基礎(chǔ)上還有很多端口可用于后期外設(shè)擴展；4）有4 個通用定時器及2 個高級定時器每個定時器有4 個獨立通道用于PWM 輸出，完全滿足對3 個步進(jìn)電機實時控制的需求。

2.2 電源電路設(shè)計

對于控制系統(tǒng)而言，電源尤為重要，除了給微處理器供電以外，還需給后續(xù)光電傳感器、步進(jìn)電機驅(qū)動器等模塊提供電壓。其中MCU 模塊以及以太網(wǎng)芯片采用3.3 V 電壓供電，光電傳感器采用15 V 電壓供電，步進(jìn)電機驅(qū)動采用24 V和5 V電壓供電。

電源模塊電路如圖3 所示，采用AC/DC 模塊將220 V 交流電轉(zhuǎn)化為5 V 和15 V 兩路電壓輸出。為了更好地抑制輸出端的高頻噪聲和雜波干擾，我們選擇配合使用104電容和電解電容對輸出電源進(jìn)行處理，防止噪聲影響其他電路，降低交流脈動波紋系數(shù)提升高效平滑直流輸出，使得電源更加穩(wěn)定并且不易產(chǎn)生自激現(xiàn)象。穩(wěn)壓模塊電路如圖4 所示，穩(wěn)壓環(huán)節(jié)采用7805 三端穩(wěn)壓芯片，可穩(wěn)定輸出5 V 電壓供步進(jìn)電機脈沖和方向信號線使用。

由于MCU 與以太網(wǎng)芯片工作電壓為3.3 V，因此需要進(jìn)一步降壓后供其正常工作。降壓調(diào)節(jié)電路如圖5所示，采用AMS1117-3.3V穩(wěn)壓器組成外部穩(wěn)壓電路［15］，輸入端并聯(lián)兩電容主要用來穩(wěn)定輸入電壓和濾除高頻雜波，輸出端并聯(lián)的電容為了使輸出的電壓進(jìn)一步穩(wěn)定。

圖5 AMS1117降壓調(diào)節(jié)電路Fig.5 Circuit diagram of AMS1117 voltage-reducing regulating circuit

2.3 步進(jìn)電機模塊

整個控制系統(tǒng)的精度和速度的要求都取決于對步進(jìn)電機的控制，通過控制步進(jìn)電機的移動進(jìn)而控制聚焦透鏡在空間的移動可以實時地調(diào)整激光打在靶板上光斑的大小以及打在靶板上的位置，這樣不僅可以控制系統(tǒng)的雜質(zhì)注入量而且提高了靶板的材料利用率。

步進(jìn)電機利用MCU 輸出PWM 波（Pulse Width Modulation Wave）來驅(qū)動，MCU 通過輸出脈沖的數(shù)量和頻率結(jié)合步進(jìn)電機驅(qū)動器的細(xì)分功能，進(jìn)而達(dá)到對步進(jìn)電機位移和速度的控制，而PWM 波可以通過改變PSC（記為PSC）和ARR（記為ARR）等值來改變占空比與輸出頻率［16-17］，計算公式如下：

式中：f為輸出頻率；ζ為占空比；Tclk為MCU 的時鐘頻率；ARR為計數(shù)器重裝載值；PSC為定時器預(yù)分頻系數(shù)；CRR為定時器輸出比較值。

由于MCU的供電電壓較小，因此需要給步進(jìn)電機加驅(qū)動器，采用細(xì)分驅(qū)動的方式分割步距角，將一個完整的步距角分為數(shù)個微步實現(xiàn)高精度移動［18］，考慮到系統(tǒng)安裝尺寸大小、控制精度以及功率特性等問題，選擇使用3個兩相42HBS04步進(jìn)電機，步進(jìn)電機參數(shù)如表1所示。

表1 步進(jìn)電機參數(shù)Table 1 Parameters of the stepper motor

步進(jìn)電機控制方案如圖6 所示，驅(qū)動器選擇HBS57，是一款采用32位雙核DSP芯片的閉環(huán)步進(jìn)電機驅(qū)動器，可以根據(jù)負(fù)載變化實時調(diào)整控制電流減少發(fā)熱，提升使用效能，并且具有過流、過壓、跟蹤誤差等保護(hù)功能。通過Z_PUL、Z_DIR、Z_ENA 三個信號分別控制Z軸運動速度、運動方向、運動使能，這些信號通過增強型NMOS管進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換后成對應(yīng)的步進(jìn)電機控制器信號。其中驅(qū)動設(shè)定1 000 細(xì)分?jǐn)?shù)，并外加了一個閉環(huán)編碼器，提高了平臺的移動精度，減少了抖動［19］。

圖6 步進(jìn)電機控制方案模塊圖Fig.6 Block diagram of stepper motor control scheme

2.4 限位模塊

三維移動平臺采用脈沖增量式電機，每次上電都需要獲取電機的絕對位置，所以需要在啟動后對電機進(jìn)行定標(biāo)處理，然后由MCU 發(fā)送數(shù)據(jù)移動，聚焦透鏡隨三維位移系統(tǒng)移動至初始工作點，等待下一步執(zhí)行指令。但是，MCU無法直接判斷透鏡是否移動超出了軌道，為了使聚焦透鏡實現(xiàn)在一個空間范圍內(nèi)安全地往返移動，系統(tǒng)選擇了光電傳感器作為限位模塊。在三軸的直線滑臺兩端設(shè)置共6 個NPN常開型光電傳感器，該種光電傳感器屬于一種觸電接近開關(guān)，并且光電傳感器需要與MCU共陰極才能正常工作，當(dāng)電機運動到直線滑臺設(shè)定的極限位置后，光電傳感器會產(chǎn)生響應(yīng)并給MCU對應(yīng)引腳一個低電平，MCU在接收到低電平信號后會阻止步進(jìn)電機繼續(xù)移動并防止堵轉(zhuǎn)，從而對步進(jìn)電機起到一定的保護(hù)作用，保護(hù)運動滑塊上聚焦透鏡的安全，限位模塊的電路如圖7所示。

圖7 限位模塊電路圖Fig.7 Circuit diagram of limit module circuit design

系統(tǒng)一共6 個限位模塊，為了避免電路間噪聲和干擾需要在MCU 與光電開關(guān)之間添加一個隔離電路對輸入/輸出信號進(jìn)行隔離。實現(xiàn)信號由電到光再到電的無觸點轉(zhuǎn)換，信號單向傳輸，輸入輸出兩端信號互不干擾，且具有極強的抗干擾能力和傳輸效率。

2.5 觸發(fā)模塊

由于該系統(tǒng)是針對EAST托卡馬克開展激光吹氣雜質(zhì)注入實驗而設(shè)計的，所以根據(jù)EAST 實驗的特點，我們對觸發(fā)模塊進(jìn)行了如下設(shè)計：

系統(tǒng)觸發(fā)模塊一共分為兩部分，第一部分觸發(fā)是讓系統(tǒng)進(jìn)入放電準(zhǔn)備狀態(tài)，在EAST 托卡馬克實驗放電開始前，總控系統(tǒng)會發(fā)出倒計時準(zhǔn)備指令，此時完成準(zhǔn)備的MCU 在接收到總控的信號后會進(jìn)入到等待發(fā)送指令階段；第二部分觸發(fā)是讓激光器動作，在第一部分觸發(fā)接收完成后，選擇合適的時刻向等離子體中注入雜質(zhì)。觸發(fā)電路如圖8所示，圖8上部分為用于進(jìn)行激光觸發(fā)的電路，圖8 下部分為接收EAST總控信號后進(jìn)入等待的觸發(fā)電路。

圖8 觸發(fā)模塊電路圖Fig.8 Circuit diagram of trigger module circuit design

2.6 通訊模塊

通訊模塊的主要作用是實現(xiàn)MCU 與上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸，本模塊采用以太網(wǎng)通信連接上下位機以及Socket 的編程技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在長距離條件下的穩(wěn)定傳輸，適用于EAST 放電期間在實驗控制大廳遠(yuǎn)程操控的場景。通訊模塊如圖9 所示，以太網(wǎng)通信部分采用W5500網(wǎng)絡(luò)芯片，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，由MCU+MAC（數(shù)據(jù)鏈路層）+PHY（物理層）再加網(wǎng)絡(luò)接口實現(xiàn)以太網(wǎng)的物理連接。該芯片可以通過SPI 串行口協(xié)議進(jìn)行外部擴展網(wǎng)絡(luò)通訊，圖9 中SCSn、SCLK、MISO 和MOSI 為W5500 網(wǎng)絡(luò)芯片與MCU 的SPI 接口，在占用芯片引腳較少的同時為PCB 布局上也節(jié)省了空間［20］。除此之外，通訊模塊包含網(wǎng)口RJ45，具有固定的IP 端口號，易于實現(xiàn)MCU 與上位機的通信傳輸，接口內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)變壓器，耦合隔離的同時減小了硬件體積。

圖9 通訊模塊電路圖Fig.9 Circuit diagram of communication module

3 三維位移控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖10 系統(tǒng)主程序流程圖Fig.10 Flow chart of system main program

3.1 上位機模塊

首先，將每一次激光吹氣實驗步進(jìn)電機速度、激光觸發(fā)延時時間以及每次移動三維位移平臺對應(yīng)的XYZ軸坐標(biāo)等數(shù)據(jù)保存在Excel 表格中。在上位機讀取預(yù)設(shè)置的Excel表格數(shù)據(jù)后，通過以太網(wǎng)通信與MCU 建立連接，并且將數(shù)據(jù)發(fā)送至MCU 數(shù)據(jù)接收緩存區(qū)并等待MCU 進(jìn)一步處理。然后上位機根據(jù)MCU 返回的反饋代碼實時反饋上下位機之間的通信連接狀態(tài)、判斷下位機是否準(zhǔn)備完成、是否接收到外觸發(fā)、位移平臺是否開始動作等一系列工作狀態(tài)，并且只有在軟件觸發(fā)完成（上位機）和接收到EAST總控的觸發(fā)信號時三維位移系統(tǒng)才能開始移動，然后等待下一個時序到來改變XYZ軸到位置并觸發(fā)激光器，直到完成預(yù)設(shè)置的最后一個時序?qū)?yīng)的動作才完成一次完整的LBO質(zhì)注入操作，激光吹氣雜質(zhì)注入時序圖如圖11所示。

圖11 LBO時序圖Fig.11 Sequence diagram of LBO

通信部分采用Socket編程和UDP通信協(xié)議，配置MAC 地址、IP 地址和Gateway 等寄存器，確保W5500 的網(wǎng)關(guān)IP 地址與計算機的IP 地址處于同一網(wǎng)段才能建立網(wǎng)絡(luò)連接。

由于LBO 雜質(zhì)注入系統(tǒng)安裝在EAST 裝置內(nèi)部，在EAST 托卡馬克放電實驗期間無法直接從外部觀察到位移系統(tǒng)的具體工作情況，所以在設(shè)計上位機時我們還需要考慮到在遠(yuǎn)程操控時的問題。在每一次激光觸發(fā)后需要實時顯示安裝在三維位移系統(tǒng)上的聚焦透鏡的位置，以便我們在實驗開始前合理設(shè)置聚焦透鏡的移動數(shù)據(jù)，避免激光打在靶板以外的其他區(qū)域，從而保證激光吹氣雜質(zhì)注入系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性與可靠性。

3.2 STM32功能模塊

MCU 模塊分別與上位機、步進(jìn)電機、光電傳感器、激光等外設(shè)相連，起著承上啟下的作用，采用自上向下模塊拆分進(jìn)行設(shè)計，分別包含W5500端口收發(fā)數(shù)據(jù)模塊、運動控制數(shù)組模塊、觸發(fā)模塊、三通道PWM 信號模塊、定時計數(shù)模塊，STM32F103ZET6通過以太網(wǎng)與上位機相連，接收電機相關(guān)參數(shù)以及控制命令進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。進(jìn)行初始化配置主要包含I/O 口、中斷、W5500 端口、硬件復(fù)位W5500 以及裝載網(wǎng)絡(luò)參數(shù)等。硬件上電后首先需要W5500 接收上位機數(shù)據(jù)并發(fā)送給MCU，MCU 讀取端口接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其中包含復(fù)位數(shù)據(jù)、激光發(fā)射間隔時間以及每次XYZ軸改變位置的坐標(biāo)。除此之外，一共設(shè)置15個標(biāo)志位用來保證軟件邏輯清晰、硬件穩(wěn)定運行。

4 系統(tǒng)裝配與測試

系統(tǒng)實物圖如圖12所示。將各個模塊安裝、固定、接線完成后在光學(xué)平臺上進(jìn)行測試。PC 通過RJ45 網(wǎng)線與下位機通訊，在Excel 表格中建立24 組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)長度為303 bit，配置移動數(shù)據(jù)然后點擊“準(zhǔn)備”，此時MCU 收到數(shù)據(jù)并給上位機發(fā)送“準(zhǔn)備完成”，過程完成說明通訊正常。然后電機開始復(fù)位至初始工作點并等待外部觸發(fā)，此時模擬EAST 托卡馬克總控給系統(tǒng)一個外部觸發(fā)信號，結(jié)果系統(tǒng)可以快速檢測到外觸發(fā)信號，通過外部計時器計時，在預(yù)設(shè)值時間到來時刻，聚焦透鏡在三維位移系統(tǒng)的控制下開始按照我們預(yù)先設(shè)置的24組數(shù)據(jù)移動，驗證了系統(tǒng)定時的精確性，遠(yuǎn)程操控位置顯示如圖13所示。

圖12 測試系統(tǒng)實物圖Fig.12 Physical photo of test system

圖13 遠(yuǎn)程操控位置顯示Fig.13 Position display of remote control position display

為了驗證該系統(tǒng)位移控制的準(zhǔn)確性，在確定好激光器與聚焦透鏡的初始位置后在距透鏡后方250 mm有效焦距位置處放置一張網(wǎng)格邊長為5 mm的網(wǎng)格紙，在每一次移動以及激光觸發(fā)完成后，激光通過聚焦透鏡在網(wǎng)格聚焦出一系列的點，根據(jù)記錄并測量點的位置，對比實際聚焦點與預(yù)期設(shè)置點的位置判斷電機控制聚焦透鏡移動的精度。激光器實際聚焦點與預(yù)期設(shè)置點的對比如圖14 所示。由于光斑大小變化以及測量上的誤差導(dǎo)致不可避免的少數(shù)點與預(yù)期有小范圍偏移，但在進(jìn)行實際EAST 激光吹氣雜質(zhì)注入實驗時不會受到影響，測量實際聚焦點與預(yù)期設(shè)置點兩個光斑中心的偏移距離最大不超過0.40 mm，符合LBO實驗設(shè)計的要求。

圖14 測試預(yù)期點與實際聚焦點坐標(biāo)圖（其中圓為預(yù)期設(shè)置的點，菱形為實際聚焦點）Fig.14 Coordinate diagram of expected setting point and the actual focus diagram (where the circle is the expected point and the rhombus is the actual focus)

考慮到EAST托卡馬克每一次放電的脈沖長度還需測試LBO 系統(tǒng)的兩次激光觸發(fā)的最短時間間隔，確保在放電期間成功地注入預(yù)期的雜質(zhì)量，在確保主程序穩(wěn)定運行、步進(jìn)電機指令脈沖不故障的前提下測得兩次最短運行間隙為1.1 s。在量程范圍內(nèi)移動聚焦透鏡，光斑大小的變化范圍為1.18～2.10 mm。

5 結(jié)語

本研究完成了EAST托卡馬克激光吹氣（LBO）雜質(zhì)注入系統(tǒng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與測試，控制系統(tǒng)根據(jù)每一次實驗激光觸發(fā)次數(shù)可以控制雜質(zhì)的注入量并可以設(shè)定注入時間，以選擇在我們預(yù)期的放電階段將雜質(zhì)注入等離子體。通過電腦控制聚焦透鏡移動，使激光聚焦點每次打在不同的靶點上。后續(xù)工作將用激光進(jìn)行靶材燒蝕，調(diào)整Z軸位置改變光斑大小，進(jìn)而改變燒蝕靶材的激光能量，通過量取每一次燒蝕靶板材料的減少量來確定一次激光脈沖對應(yīng)的雜質(zhì)注入量，在離線光源上進(jìn)行光譜測量并跟蹤雜質(zhì)進(jìn)入等離子體的過程。為了提升通訊的穩(wěn)定性與可靠性，下一步我們將優(yōu)化通訊模塊，采用抗干擾能力和穩(wěn)定性更強的RS485、CAN、或Ethernet 通訊接口，確保在EAST 實驗大廳復(fù)雜的環(huán)境下保持可靠的通訊。此外，下一步將進(jìn)一步完成激光器調(diào)試和靶材設(shè)計，并將LBO 雜質(zhì)注入系統(tǒng)用于EAST 雜質(zhì)輸運實驗研究。

作者貢獻(xiàn)聲明范玉負(fù)責(zé)系統(tǒng)搭建與調(diào)試，提出實驗思路，完成論文起草與修改；趙宇紅、張洪明、呂波負(fù)責(zé)系統(tǒng)性能測試指導(dǎo)、文章修訂并審核文章嚴(yán)謹(jǐn)性；林子超負(fù)責(zé)提供技術(shù)支持以及文章修改建議；沈永才、尹相輝、王福地、符佳、計華健、曾超、毛立宇、孫波負(fù)責(zé)參考文獻(xiàn)以及相關(guān)資料搜集和整理。

1Shen Y C, Lyu B, Zhang H M,et al. Suppression of molybdenum impurity accumulation in the core using onaxis electron cyclotron resonance heating in EAST[J].Physics of Plasmas, 2019, 26(3): 030507. DOI: 10.1063/1.5052347.