J-TEXT托卡马克高性能多道光电探测系统的研究

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高温等离子体很多参数无法直接测量,必须采用一些间接方式获得。等离子体在放电过程中会辐射出大量光谱信号,通过对这些光信号的测量,能推断出等离子体许多重要参数与相关运行状态。光谱诊断中普遍使用阵列型光电探测器,探测器可以将接收到的光信号转成微弱的电流信号。为了便于采集和分析,需要根据探测器自身特性设计合适的放大电路。在托卡马克装置放电时,整个探测系统处在一个大电流、高电压和强磁场的复杂环境中,因此需要充分考虑多道光电探测系统的电磁兼容能力。本文以AXUV热辐射诊断系统为例,详细讨论了多道光电探测系统的设计过程。在充分调研了三类光电探测器工作原理的基础上,对多种放大电路进行了对比分析,选择了适合阵列型探测器的跨阻放大(TIA)电路。对跨阻放大电路的稳定性、带宽和噪声做了详细分析,并且利用电路仿真给出了采用频率补偿技术提升系统带宽的优化方案。通过对电路板合理布局以及采用适当的接地与屏蔽,完善了多通道放大电路的电磁兼容性能。通过实验测试,验证了光电探测系统稳定工作时,可以达到500kHz带宽、噪声电压均方根值(RMS)660uV的高性能。设计制作的工程样机成功应用到了J-TEXT托卡马克热辐射诊断系统中,观测到了正式放电条件下的热辐射信号。在AXUV探测系统设计的基础上,对J-TEXT托卡马克其他几类光电探测系统的特性进行了分析,给出了这些系统的设计思路与参考解决方案。
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