01 背景介紹

隨著聚變研究的深入發展，對等離子體參數測量的精度、時間分辨率和數據處理能力提出了更高的要求。湯姆遜散射診斷讀出電子學系統作為該技術的核心硬件載體，其性能直接決定了等離子體參數診斷的可靠性、適用邊界與工程化應用潛力。

湯姆遜散射診斷技術作為一種先進的高溫等離子體參數檢測手段，通過激光與等離子體電子的相互作用及光譜特征分析實現精密測量。該技術依托電子學系統的創新架構與精準調控機制，成功構建了兼具主動診斷靈活性、亞微秒級時空分辨率、多量程參數適應性和微克級測量精度等優勢，其技術特性與聚變等離子體的極端工況參數形成精準匹配，現已成為磁約束核聚變裝置中電子溫度、密度等關鍵參數診斷的核心技術方案。

02 面臨挑戰

• 極高時間分辨率需求：等離子體演化過程具有微秒至皮秒量級的瞬態特性，對讀出電子學系統的時間響應能力提出嚴苛要求，需實現納秒級甚至皮秒級的時間分辨率。
• 復雜極端環境下的系統可靠性：在高功率激光輻照、強電磁脈沖干擾等惡劣實驗條件下，電子學系統需同時具備硬件層面的抗干擾設計、信號完整性保障及長期運行穩定性。
• 高昂的硬件開發成本：高速高精度ADC器件受限于高頻信號處理對電路阻抗匹配、低噪聲供電、高制程工藝及良品率控制的嚴苛要求，導致基于多通道高速連續采樣架構的數據采集系統開發成本顯著增加。

03 解決方案

中科采象針對核聚變研究中的高精度等離子體診斷需求，提出高時間分辨率、高動態范圍、低噪聲的湯姆遜散射診斷讀出電子學解決方案。該方案集成信號采集模塊、μXI控制器及機箱、同步機、DAQ工作站及萬兆光口交換機等模塊，采用先進的數據采集、信號處理和高速存儲技術，結合優化的光學系統和數據分析算法，可支持多插槽機箱級聯的方法進行通道拓展，滿足高精度等離子體診斷的需求，實現以下功能：

• 多通道數據采集優化：支持數百至上千通道的靈活拓展，通過高密度信號采集架構有效提升空間分辨率。
• 實時信號處理增強：基于FPGA架構實現數據實時處理，有效減少實驗后處理時間。
• 遠程交互系統升級：支持以太網/光纖雙模傳輸，實現遠程數據交互與系統狀態監測，配備圖形化人機交互界面（GUI），提供便捷的實驗操作流程與實時數據可視化功能。

04 方案優勢

• 超高速數據采集：基于DRS-4 SCA芯片實現納秒級時間分辨率，該專用集成電路由瑞士保羅謝勒研究所（PSI）研發，采用獨創性多米諾環形采樣技術，突破傳統ADC的逐次逼近或流水線架構限制，在5GSPS采樣速率下仍保持顯著低功耗特性。支持4/8通道集成設計，相較同類高速ADC設備具有更高性價比，可精準捕獲高速等離子體瞬態演化過程。
• 可擴展系統架構：配備標準化數據接口協議，預留多維度擴展能力，確保與未來升級系統的無縫對接，支持分布式測量網絡構建。
• 高可靠性與環境適應性：采用抗干擾設計，適應高功率激光、強電磁場等惡劣實驗環境。
• 模塊化設計：采用緊湊型插拔架構設計，支持根據實驗場景的通道規模、采樣精度等參數需求，通過功能模塊組合實現系統快速重構，兼顧實驗室固定部署與移動測量場景。
  

[1] 商潔, 黃淵, 楊凱, 陳寶維, 劉春華, 楊屹. 湯姆遜散射技術在HL-2A裝置上的應用進展[J]. 光譜學與光譜分析, 2021, 41(2): 333. Jie SHANG, Yuan HUANG, Kai YANG, Bao-wei CHEN, Chun-hua LIU, Yi YANG. Progress of Thomson Scattering Diagnostic on HL-2A Tokamak[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2021, 41(2): 333.
————————————————

版權聲明：本文為博主原創文章，遵循 CC 4.0 BY-SA 版權協議，轉載請附上原文出處鏈接和本聲明。