《高等核电子学》PPT课件.ppt

高等核电子学,第五讲ICF实验数据综合采集处理和管理系统,第五讲ICF实验数据综合采集处理和管理系统,惯性约束核聚变（ICF）实验ICF实验的数据采集处理和管理系统综述数据采集处理系统数据管理系统,惯性约束核聚变（ICF）实验,聚变核物理惯性约束聚变研究ICF实验诊断,返回,聚变核物理,1)聚变与裂变反应理论基础2)聚变反应的条件3)核聚变和聚变反应方式,返回,1)聚变与裂变反应理论基础,爱因斯坦著名的质量与能量等价关系式 E=mc2 是核聚变和核裂变的基础原子核的结合能 Eb=M核 mi c2 其中 M核为原子核的质量，mi为组成原子核的核子质量。如果参与反应的原子核的核子结合能（单位核子结合能为Eb/n）小于反应产物的核子结合能，将会产生聚变和裂变反应，从而释放出巨大能量。,1)聚变与裂变反应理论基础,图为原子核的核子结合能与核的质量关系式，由图中所示，裂变将发生在重核区，而聚变发生在轻核区。,Binding Energy per Nucleon as a Function of Nuclear Mass,1)聚变与裂变反应理论基础,由爱因斯坦质能关系式E=mc2推得 反应能Ef=k(mi-mf)c2其中Ef 每次反应的能量变化mi 反应物的总质量mf 反应产物的总质量k是转换系数，在自然单位中，E的单位为Mev，m的单位是原子质量单位，则k 931.466 MeV/c2 系统的能量变化正比于反应物和反应产物的质量差(mi-mf),1)聚变与裂变反应理论基础,两种重要的聚变反应 D+T=4 He+n“P-P”聚变链（在太阳中发生的聚变反应）,返回,2)聚变反应的条件,只有当两个原子核靠近到1015m时，通过强相互作用，克服质子之间库仑斥力，达到相互吸引，产生聚变。只有获得足够的动能进行碰撞，才能使原子核之间靠得如此近，产生反应。只有在极高的温度下，才能使原子核获得足够的动能。等离子体聚变反应速率Rn1n2 n1，n2 为反应物的密度（粒子数/m3）R 为反应速率系数（m3/s）,2)聚变反应的条件,图为两种聚变反应的速率系数与温度之间关系，可以发现，“P-P”聚变反应链的R值比D+T反应小20多个数量级，这说明“P-P”聚变链极难实现，人类在地球上实现的聚变反应是D+T反应。,聚变反应的速率系数R与离子温度之间关系,2)聚变反应的条件,聚变要求高温等离子状态下能维持足够时间，使聚变产生释放出足够的能量，以保持足够温度而进行持续的聚变。约束方法 加热机制重力 压缩（重力）聚变反应（P-P链）惯性 压缩（由激光或离子束直接内爆驱动，或由 激光或离子束产生X射线间接内爆驱动）聚变反应(主要是D+T)磁 压缩（磁场）聚变反应（主要是D+T）加热（电磁波，欧姆加热电流,中性粒 子束氢原子）,返回,目前最主要的聚变反应：,D+THe+n,聚变反应方式：,引力聚变反应,磁约束聚变反应,惯性约束聚变反应,1.聚变核物理,核聚变和聚变反应方式,3)核聚变和聚变反应方式,恒星和星系 激光束驱动聚变 托克马卡,返回,惯性约束聚变研究,ICF(Initial Confinement Fusion)的基本概念惯性约束聚变（ICF）研究的意义,返回,1)ICF(Initial Confinement Fusion)的基本概念,“惯性约束”的原始含义是：在充分高的燃料密度(n)状态下产生聚变反应，利用物质密度惯性来维持所需燃烧时间()，当燃料飞散前，热核燃料n值已达到劳森判据 对于氘-氚(D,T)反应，劳森判据为：n 1014 cm-3.s式中的n为DT燃料密度，是核反应持续时间，对应燃料温度为10kev ICF的完整概念是：利用高功率驱动器（现在主要是高功率激光），通过聚心内爆，压缩加热DT靶丸，使之达到高温、高密度的热核燃料点火状态，在惯性约束的条件下发生自持热核反应,1)ICF的基本概念,惯性约束聚变的物理过程大致分为如下三个阶段：1激光束-靶物质能量耦合：驱动器能量转换为等离子体能量，含能量吸收、X光转换及输运。2球形聚爆：靶丸表面被烧蚀时，产生高速向外运动的气流，该过程类似于火箭排气，产生反向压力，压缩靶丸，加热内部DT燃料。3热核材料心部点火及燃烧：DT燃料心部达到高温、高密度时产生聚变反应，反应产生的粒子进一步加热燃料，使整个靶丸发生聚变反应。,1)ICF的基本概念,气团形成：激光束迅速加热聚变靶的表面，形成等离子体外壳 压缩：热的表面物质类似喷气式火箭向外喷发，将燃料压缩 点火：在激光脉冲最后阶段，燃料芯达到20倍的铅密度，温度升到108 燃烧：热核燃烧迅速扩展到被压缩的燃料，产生比输入高得多的能量,返回,惯性约束聚变研究的意义,长远目标：开发新能源近中期目标：为核武器物理研究和核爆 模拟服务牵引派生出来的多种学科和技术具有广阔的应用前景,美国国家点火装置（NIF),返回,一、惯性约束核聚变（ICF）实验2.惯性约束聚变研究,ICF实验诊断,ICF实验诊断的对象和目的 ICF实验诊断系统包含的内容ICF实验诊断装置布局,返回,1)ICF实验诊断的对象和目的,由于ICF研究的对象是激光打靶产生的高温高密度等离子体，这样的等离子体产生的辐射几乎遍布整个电磁波谱。即从微波谱段、光学谱段、X光谱段直到硬X光谱段，它还发射大量的电子、中子、粒子和其它状态的粒子。所以采用的诊断手段，几乎涉及到所有辐射测量技术 ICF实验诊断的目的之一通过测量等离子体的状态，来揭示靶等离子体的特征和行为，进而获得驱动器-靶最佳耦合设计的依据和选择实现热核点火与自持燃烧的最佳途径。目的之二验证理论分析和数值模拟的合理性，以便能提出更完善理论模型进行理论模拟，提高实验效率,返回,2)ICF实验诊断系统包含的内容,能量平衡测量 能量时间分辨测量 能量空间分辨测量 聚变中子诊断,能量平衡测量,能量平衡测量包括光学、X射线和等离子体等多种能量分量测量系统，主要包括以下几方面测量:入射激光和反射激光能量散射光和其谐波能量及角分布等离子体能量及角分布X光能量及角分布(包括亚千X光和硬X光)离子飞行时间谱、速度谱、能谱和角分布通过这些测量得出相应能量分量的分配情况和ICF实验靶发出的光辐射、X光辐射和各种粒子的能谱特征及角分布，准确地给出能量吸收效率,揭示激光靶的能量藕合机制,为研究靶能量吸收机制,提高靶的吸收效率提供实时的准确的依据。,能量时间分辨测量,测量仪器各种能区的条纹相机快X光二极管阵列热释电X 光分幅相机 等测量目标等离子体辐射的时间特性了解X光等离子体在时域的形成和演变过程,能量空间分辨测量,测量仪器光学波段的显微光学成象系统X 光波段的针孔相机编码孔径相机中子和离子针孔成象和波带编码系统 等测量目标靶等离子体的参数(如温度、密度在各种特征区域的细致的空间结构),从而了解内爆动力学的相关信息:对称性、稳定性、速度和压力,聚变中子诊断,测量仪器塑料闪烁体+微通道板光电倍加管 活化法中子产额测量探头单中子作用探测器阵列测量目标对ICF实验中子产额、中子能谱、中子时间特性和空间特性以及的诊断,从而获得中子产额、离子温度、燃料、推进剂、中子发射时间等内爆动力学参数,返回,3)ICF实验诊断装置布局,1.入射激光（南北各四束）2.OMA谱仪 3.晶体谱仪 4.针孔相机 5,10,19.条纹相机A,C，D 6,7.塑料闪烁体A，B 8,9-DANTE谱仪A,B11-可见光条纹相机C 12-透射光栅谱仪 13-活化法中子产额测量探头 14-X光分幅相机 15-X光CCD 16-菲涅尔波带片 17-F.F谱仪 18-反射光测量仪 20-靶,返回,ICF实验的数据采集处理和管理系统综述,ICF实验的复杂性ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构,返回,ICF实验的复杂性,实验过程的复杂性：,专家评审实验方案：物理目标多样性 实验编排多变性 边界条件复杂多样,控制系统与参加实验人员准备实验：调整光路 测试诊断设备 核实或确认其它的实验参数,1.ICF实验的复杂性,实验装置的复杂性：(以NIF为例),NIF光路调整子系统的功能：,自动调整192束激光聚焦到极小的靶位点上打靶时的时间精确度极高,NIF光路调整子系统的组成：,600台视频相机、10000个步进电机、3000个传动器、110个支架、150英里电缆、一个用于传输数字视频图像的高速网络和集成这些硬件的软件组成,NIF光路调整子系统的信息交换：,管理系统与前端处理器之间在此期间大概要交换48000条信息,返回,ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构,ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构,ICF实验数据采集、处理和管理系统可分为实时控制层和管理控制层两个层次，中间用总线或网络相连接，应包括前端物理测量节点的数据采集（即各物理诊断项目的数据采集又叫前端处理器FEP）、所有测试项目的综合数据采集、实验数据库、实验数据处理程序库四部分组成集成计算机控制系统（ICCS),ICF实验的数据采集处理和管理系统基本结构,ICCS管理控制层ICCS实时控制层ICCS管理软件框架ICCS数据库,链接,2.基本结构,管理控制层的功能：,以操作台显示方式提供人机接口数据存储和处理 协调控制功能,管理控制层的组成：,管理控制层是一个大型的软件系统，一般集成在几台UNIX工作站上或高档的微机服务器上，由实验数据库和操作数据库来管理各类数据，也包括应用程序库。,ICCS管理控制层,2.基本结构,光路调整子系统等离子体电极普克尔盒单元（PEPC）电源调节子系统激光诊断子系统靶诊断子系统光脉冲产生子系统工业控制子系统,ICCS管理控制子系统,ICCS管理控制层,返回,2.基本结构,前端处理器FEP功能：,负责对所有控制节点的控制,前端处理器FEP结构：,一般安装在VME 总线系统或PXI总线系统的机箱内，这些机箱或者具有嵌入式控制器，或者连接到控制节点上的接口。,前端处理器FEP对控制节点管理方式：,集总式管理与控制,ICCS实时控制层,返回,2.基本结构,管理软件框架的概念：,ICCS的管理软件框架是用来建立应用软件的抽象化汇集。在框架中预先开发各种能适应附加需求可扩充的组件，在此基础上建立应用软件。,采用框架的优点：,代码和设计在应用程序之间复用，减少编码工作量，也奠定了长期维护和更新的基础。,ICCS管理软件框架,ICCS管理软件几种基本框架,2.基本结构,ICCS管理软件框架,返回,2.基本结构,实验数据库：,管理ICF实验的各种物理实验数据,运行数据库：,管理各种仪器参数和用于仪器校正和维护的数据,处理程序库：,将各种常用的数据分析与处理工具集成在一起,ICCS数据库,返回,ICCS的计算机与网络框架,计算机与网络框架的组成：,管理控制层和实时控制层运行所需的计算机设备和软件工具,开发和维护系统的计算机设备和软件,数据交换所用的网络设备和软件工具,设备管理、运行事务管理、每日实验日志用的计算机系统,NIF ICCS体系结构和各个子系统,返回,