引言

在托卡馬克等離子體物理放電過(guò)程中，破裂與據(jù)齒的研究具有重要的意義。在大多數(shù)托卡馬克放電過(guò)程中都存在破裂與鋸齒。破裂是一個(gè)值得注意的事件，其間等離子體的約束遭到嚴(yán)重的破壞，它不僅限制了等離子體的電流和密度的運(yùn)行區(qū)域，而且它造成的機(jī)械應(yīng)力和熱負(fù)荷給等離子體容器壁帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害。對(duì)破裂，目前在理論上仍缺乏詳盡理解，大體上可將其分為低q破裂和密度極限破裂。利用村上(Murakami)參數(shù)作橫坐標(biāo)的Hugill圖，我們可以得到破裂和托卡馬克等離子體運(yùn)行區(qū)域的初略了解。

在大多數(shù)情況下托卡馬克等離子體中心存在馳豫振蕩，也就是溫度和密度的鋸齒振蕩。在上升期，磁軸附近的電流密度增加，中心q值下降，在下降期，磁軸附近的電流密度下降，中心值增加。鋸齒的機(jī)制不太清楚，一般由卡達(dá)姆采夫重連模解釋。

破裂與鋸齒的軟X-射線行為大體可以分為四個(gè)階段，即預(yù)前兆期、前兆期、快速下降期、以及恢復(fù)或熄滅期。對(duì)于破裂與鋸齒的快速下降期，通常人們對(duì)它有一種誤解，即認(rèn)為在此期間，軟X-射線信號(hào)是單調(diào)或準(zhǔn)單調(diào)地下降的。事實(shí)上，只要采樣頻率足夠高，仔細(xì)觀察，不難發(fā)現(xiàn)軟X-射線是振蕩下降的，而且一階小量大于零階量(通常將直流成分定義為零階量)。

可見(jiàn)，為了獲得破裂和鋸齒行為的詳盡信息，必須采用時(shí)間分辨率較高的等離子體診斷方式。隨著采樣頻率的增加，獲得的數(shù)據(jù)量也成倍增加，這給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理帶來(lái)了極大的困難。要在漫長(zhǎng)的放電過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集，并在給定的短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理成為構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)要解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。

構(gòu)建VXI測(cè)試系統(tǒng)

由于在托卡馬克等離子體物理漫長(zhǎng)的放電過(guò)程中，破裂和鋸齒是非常短暫的過(guò)程，這為我們克服這些困難提供了條件。

我們以這樣的方式組成40通道VXI數(shù)據(jù)采集測(cè)試系統(tǒng)，針對(duì)漫長(zhǎng)的放電過(guò)程除破裂和鋸齒等短暫過(guò)程外其緩慢變化的特征，在各個(gè)通道采用較低的采樣率采集全過(guò)程數(shù)據(jù)，確保能采集到放電全過(guò)程的數(shù)據(jù)，就可以滿足對(duì)放電過(guò)程的概況測(cè)試。將其戰(zhàn)速采集時(shí)間設(shè)定為1.6秒，可以覆蓋所有放電過(guò)程。但由于采樣頻率低，整個(gè)持續(xù)1.6秒的慢采集過(guò)程形成的數(shù)據(jù)量也就僅僅每通道幾十K。

低速采集的同時(shí)，每通道還有一個(gè)與低速采集并行進(jìn)行著的高速采集，專門(mén)用來(lái)采集破裂和鋸齒事件。

高速采集和低速采集有各自不同的存儲(chǔ)器存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，高速采集的存儲(chǔ)器被分為很多片段，最多可分為16段，每段存儲(chǔ)器采集存儲(chǔ)一個(gè)破裂和鋸齒事件數(shù)據(jù)。在低速采集開(kāi)始以后，由一個(gè)專門(mén)的事件觸發(fā)模塊多次觸發(fā)快速采集，每次觸發(fā)啟動(dòng)一次快速采集過(guò)程，記錄一個(gè)事件信號(hào)。由于破裂和鋸齒事件非常短暫，持續(xù)時(shí)間也就幾毫秒，對(duì)于2MSa/s的高速采集，每通道存儲(chǔ)器總的長(zhǎng)度不到100K就可滿足多次快速采集的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的需要。

這樣一來(lái)，我們構(gòu)建的VXI測(cè)試系統(tǒng)用一種變通的方式實(shí)現(xiàn)既可以由低速采集觀察到漫長(zhǎng)的放電過(guò)程的全貌，又可以由高速采集仔細(xì)分析破裂和鋸齒的短暫過(guò)程，以及判斷事件出現(xiàn)在放電過(guò)程的時(shí)刻，將常規(guī)方式采集下每通道約3MSa的存儲(chǔ)器需求降到100KSa左右，解決了由于采樣頻率的增加而產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量成倍增加的矛盾。為在給定的短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳送和處理提供了保證。

功能設(shè)計(jì)考慮

要構(gòu)建測(cè)試系統(tǒng)，我們首先需要一個(gè)最基本的VXI平臺(tái)：13槽的VXI機(jī)箱和零槽控制器，在此平臺(tái)基礎(chǔ)上，我們開(kāi)始構(gòu)建這套專用系統(tǒng)的測(cè)試功能部分。系統(tǒng)測(cè)試功能部分的硬件被抽象為兩個(gè)基本功能：一個(gè)是信號(hào)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，包括慢速的全過(guò)程采集和同時(shí)進(jìn)行的快速的破裂和鋸齒事件捕捉;另一個(gè)是識(shí)別和判斷破裂和鋸齒事件，產(chǎn)生對(duì)采集的觸發(fā)。兩個(gè)抽象的基本功能確定了測(cè)試系統(tǒng)要開(kāi)發(fā)的兩種類型的VX I模塊：數(shù)據(jù)采集模塊和事件觸發(fā)模塊。

在我們的測(cè)試系統(tǒng)中，需要40個(gè)并行采集通道，數(shù)據(jù)采集模塊被設(shè)計(jì)為每模塊4個(gè)通道，需用到10個(gè)采集模塊數(shù)。40個(gè)通道并行工作，系統(tǒng)的快速采集只需要由一個(gè)事件觸發(fā)模塊來(lái)啟動(dòng)，只需要對(duì)被監(jiān)視的一路信號(hào)來(lái)加以判別產(chǎn)生動(dòng)作。13槽的VXI機(jī)箱剛好滿足使用。

系統(tǒng)工作模式是這樣進(jìn)行的：工作開(kāi)始時(shí)，事件觸發(fā)模塊首先接受代表放電過(guò)程開(kāi)始的外部觸發(fā)信號(hào)，來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊的慢速采集，同時(shí)啟動(dòng)事件觸發(fā)模塊內(nèi)部的破裂和鋸齒事件鑒別工作。每當(dāng)事件觸發(fā)模塊鑒別出設(shè)定事件時(shí)，它就立即通過(guò)TTLTRGn線發(fā)出觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊的一次快速的數(shù)據(jù)采集，捕捉破裂和鋸齒事件信號(hào)。破裂和鋸齒事件的發(fā)生到事件觸發(fā)模塊鑒別出事件，給出觸發(fā)信號(hào)總會(huì)有延遲，所以，在快速的每一次數(shù)據(jù)采集對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)中，還必須使用負(fù)延遲觸發(fā)功能。一次快速數(shù)據(jù)采集完成自動(dòng)進(jìn)入下一段存儲(chǔ)器，準(zhǔn)備接受下一次觸發(fā)，啟動(dòng)下一次采集，直到設(shè)定的快速數(shù)據(jù)采集次數(shù)全部完成。

最后，當(dāng)數(shù)據(jù)采集模塊1.6秒的慢速采集數(shù)據(jù)過(guò)程全部完成，整個(gè)采集過(guò)程宣告結(jié)束，才可以開(kāi)始處理數(shù)據(jù)，并準(zhǔn)備下一次的工作。