高等核电子学5-1

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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 = mc,2,是核聚变和核裂变的基础,原子核的结合能,E,b,= M,核, m,i,c,2,其中,M,核,为原子核的质量，,m,i,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,E,b,/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 = mc,2,推得,反应能,E,f,= k,(m,i,-m,f,),c,2,其中,E,f,每次反应的能量变化,m,i,反应物的总质量,m,f,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/c,2,系统的能量变化正比于反应物和反应产物的质量差,(m,i,-m,f,),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,10,15,m,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,R,n,1,n,2,n,1,，,n,2,为反应物的密度（粒子数,/m,3,）,R,为反应速率系数（,m,3,/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+T,He+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, 10,14,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,10,8,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, B,11-,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,