[发明专利]一种电子倍增管的电流反馈保护方法及系统

说明书

本发明涉及一种电子倍增管的电流反馈保护方法及系统，包括接收、转换、放大、采集电子倍增管的阳极电流信号，与额定安全电流阈值比较以控制可编程控制器PLC的输出，生成PLC控制信号，用来控制电机转动带孔圆形碟片，碟片上环向均布有不同面积的圆孔以调节粒子接收面积。该系统包括有采样、控制及调节模块。采样模块包括前置放大器、数据采集卡；控制模块包括计算机及PLC；调节模块包括电机及带孔圆形碟片。本发明通过检测电子倍增管的阳极电流大小，利用反馈控制的思想实时改变粒子接收面积以控制入射粒子通量，从而调节阳极电流，使得在逼近安全阈值的电流以及过载电流出现的情况下，保护电子倍增管不被损坏。

技术领域

本发明属于高温等离子体诊断技术领域，具体涉及一种电子倍增管的电流反馈保护方法及系统。

背景技术

在托卡马克聚变装置中最常见的用于诊断中性粒子的设备是中性粒子分析仪，工作原理是首先将中性粒子电离，然后加上电磁场来偏转离子，分析其能量。但是这种方法只适用于测量能量在keV量级的粒子，而等离子体边界区域产生的中性粒子能量一般没有这么高，因此需要采用基于飞行时间的低能中性粒子分析仪(Low Energy Neutral ParticleAnalyzer,LENPA)，可以准确测量能量低于300eV的中性粒子，飞行时间分析法的基本原理是测量粒子在给定距离里的飞行时间，从而获得粒子的飞行速度、能量及其分布。LENPA的主要结构包括一套斩波器系统(电机、带有极小狭缝的转盘)，飞行管道，探测器及数据采集系统，真空泵组及真空检测系统，高压电源及控制系统等。首先，从托卡马克装置中出射的中性粒子被斩波器变成脉宽1～2μs左右的脉冲，经过飞行管道后被探测器接收，变成倍增的电流信号，再经过前置放大器转变为电压信号，最后被数据采集系统收集并获得入射粒子的通量。探测器部分目前使用电子倍增管直接面对等离子体，接受中性粒子入射。分别记录中性粒子通过斩波器转盘和到达电子倍增管的时刻即得到飞行时间，再结合固定的飞行距离可获得入射粒子的速度、能量及其分布。电子倍增管接收到的中性粒子多数由电荷交换反应产生，其反应速率与局部中性粒子密度、离子密度和温度等均相关。中性粒子轰击电子倍增管的转换极，激发出二次电子并经过多次倍增后，被阳极收集并输出阳极电流信号。

目前国内外托卡马克聚变实验堆的LENPA系统上，并没有为电子倍增管发展可靠的保护方法及系统。而当托卡马克装置进行长脉冲高功率等离子体放电时，入射的中性粒子通量、能量明显增高，这会导致电子倍增管的阳极电流迅速升高，甚至逼近电子倍增管的额定电流安全阈值，带来安全风险。特别的，发现以下两种情形多次发生时，在运行的LENPA系统会出现电子倍增管损坏的情况。第一，等离子体聚变实验过程中破裂发生时，粒子失去约束，极短的时间内大量中性粒子入射电子倍增管，带来较大的阳极电流，可能造成电子倍增管电子学部件的损坏；第二，为了保持聚变反应的持续进行，需要通过充气、弹丸注入或超声分子束注入等方式加料来维持等离子体密度，加料的总量需要根据偏振干涉仪等诊断给出的密度测量结果来进行反馈，但是由于托卡马克装置附近复杂的电磁环境，诊断的测量结果偶尔出现错误，进而导致了加料不够或者加料过剩的后果。在2021年夏季EAST实验中，多次出现了等离子体密度反馈错误导致超声分子束系统大量、高频加料的事件，对电子倍增管的影响表现为中性粒子信号急剧增多，阳极电流迅速增大并超过额定安全电流阈值，而电子倍增管多次受到中性粒子密度过高的等离子体辐照后出现了损坏的情况。因此迫切需要一种可以适当调节电子倍增管阳极电流的，并且在入射中性粒子通量异常增大、阳极电流过载情况下保护电子倍增管不被损坏的方法及系统。

发明内容

本发明技术解决的问题：是针对现有的LENPA运行时电子倍增管部分存在的风险，即在托卡马克装置长脉冲高功率运行条件下，电子倍增管阳极电流过大可能影响使用寿命，以及等离子体破裂、密度反馈加料系统出错时电子倍增管易损坏的问题，提供一种电子倍增管的电流反馈保护方法及系统，具有经济、简单可靠的优点，实现对电子倍增管的保护。

本发明采用的技术方案是：一种电子倍增管的电流反馈保护方法，包括：