EAST第一轮等离子体实验目标及要求

等离子体实验报告等离子体实验报告引言：等离子体是一种高度激发的物质状态，具有独特的物理性质和广泛的应用前景。

本实验旨在通过制备等离子体并研究其性质，探索其在科学研究和工业应用中的潜力。

1. 实验原理等离子体是由离子和自由电子组成的，其中的电子被高能量的热激发或电场激发所产生。

等离子体的特点是具有高度激发的电子和离子，呈现出与固体、液体和气体不同的物理性质。

2. 实验装置本实验采用了等离子体发生器、真空室、电极和探测器等装置。

等离子体发生器通过高电压放电产生等离子体，真空室则提供了一个低压环境，以便观察和研究等离子体的性质。

3. 实验步骤首先，将实验装置连接好并确保安全。

然后，通过控制电压和电流，使等离子体发生器产生稳定的等离子体。

接下来，将探测器放置在真空室中，以测量等离子体的密度和温度。

最后，根据实验数据进行分析和讨论。

4. 实验结果与讨论实验结果显示，等离子体的密度和温度与电压和电流有关。

随着电压和电流的增加，等离子体的密度和温度也随之增加。

这表明，电场激发对等离子体的产生和维持起着重要作用。

此外，实验还观察到了等离子体的发光现象。

当电场激发等离子体时，激发的电子会从高能级跃迁到低能级，释放出能量并产生光。

这种发光现象在等离子体显示器和气体放电管等设备中得到了广泛应用。

5. 应用前景等离子体作为一种新型物质状态，具有广泛的应用前景。

它可以用于制备高能量材料、进行精细加工和材料表面改性等工业应用。

此外，等离子体还可以用于太阳能电池、医学诊断和治疗等领域。

6. 实验总结通过本实验，我们对等离子体的性质和应用有了更深入的了解。

等离子体作为一种新型物质状态，具有独特的物理性质和广泛的应用前景。

我们相信，随着科学技术的不断发展，等离子体将在更多领域展现其潜力，为人类带来更多的福祉。

结论：本实验通过制备等离子体并研究其性质，探索了等离子体在科学研究和工业应用中的潜力。

实验结果表明，等离子体的密度和温度与电压和电流有关，并且等离子体具有发光现象。

等离子体分析实验报告摘要: 本文阐述了气体放电中等离子体的特性及其测试方法，分别使用单探针法和双探针法测量了等离子体参量，并简要介绍了等离子体的应用,最后对实验结果进行讨论。

关键词:等离子体、单探针、双探针(一) 引言等离子体作为物质的第四态在宇宙中普遍存在。

在实验室中对等离子体的研究是从气体放电开始的。

朗缪尔和汤克斯首先引入“等离子体”这个名称。

近年来等离子体物理学有了较快发展，并被应用于电力工业、电子工业、金属加工和广播通讯等部门，特别是等离子体的研究，为利用受控热核反应，解决能源问题提供了诱人的前景。

（二）实验目的1，了解气体放电中等离子体的特性。

2，利用等离子体诊断技术测定等离子体的一些基本参量。

（三）实验原理1，等离子体的物理特性等离子体定义为包含大量正负带电粒子、而又不出现净空间电荷的电离气体。

等离子体有一系列不同于普通气体的特性：（1）高度电离，是电和热的良导体，具有比普通气体大几百倍的比热容。

（2）带正电的和带负电的粒子密度几乎相等。

（3）宏观上是电中性的。

描述等离子体的一些主要参量为：（1）电子温度e T 。

它是等离子体的一个主要参量，因为在等离子体中电子碰撞电离是主要的，而电子碰撞电离与电子的能量有直接关系，即与电子温度相关联。

（2）带电粒子密度。

电子密度为e n ，正离子密度为i n ，在等离子体中e i n n 。

（3）轴向电场强度L E 。

表征为维持等离子体的存在所需的能量。

（4）电子平均动能e E 。

（5）空间电位分布。

本实验研究的是辉光放电等离子体。

辉光放电是气体导电的一种形态。

当放电管的压强保持在10～102Pa 时，在两电极上加高电压，就能观察到管有放电现象。

辉光分为明暗相间的8个区域，在管两个电极间的光强、电位和场强分布如图一所示。

8个区域的名称为（1）阿斯顿区，（2）阴极辉区，（3）阴极暗区，（4）负辉区，（5）法拉第暗区，（6）正辉区，（7）阳极暗区，（8）阳极辉区。

等离子体放电调试及实验组安排草案根据指挥部要求，工程调试及国家工艺验收后将进行等离子体调试及实验。

本轮预期达到等离子体参数为：limiter: Ip=100-500kA, t=2-5s, ne=1-3⨯1019m-3DN,SN: Ip=100-300kA, t=2-5s, ne=1-3⨯1019m-3为了尽快掌握非圆截面等离子体控制技术，现首先成立:等离子控制理论及模拟组，组长:肖炳甲组员: 朱思铮、吴斌、王华中、黄勤超、袁旗平、钱金平、沈飙及相关学生等该工作组将针对击穿（零场区）、电流建立、位形控制工状给出若干组放电的参考数据组，并与GA工作组讨论共同制定出每日放电的标准放电波形。

并设计在PCS不能工作条件下，单用极向场程序放电方案。

从本周开始开展讨论学习，数据不断完善、成形、公开。

具体工作讨论会由肖炳甲负责并上网通知。

工程支持组组长：武松涛，副组长：武玉、白红宇。

组员: 姚达毛、吴维越、宋云涛、杜世俊、刘正之、刘小宁、许留伟、陶骏、陈灼民、辜学茂、王小明、毕延芳、吴宜灿、吴杰峰、陈尔恋、提运喜、张祥勤、提运喜、胡纯栋等(请各室添加必要及感兴趣人员) 本组为EAST运行提供各方面的工程技术保障，请根据需要安排各子系统工作,值班人员，不用每日24小时参加运行。

参照HT-7成功运行的经验，拟成立以下两个24小时实验组：控制运行组：组长：罗家融，副组长：张晓东、龚先祖运行一组：罗家融、付鹏、黄勤超、胡燕兰、林士耀、吴振伟….运行二组: 龚先祖、王华中、钱金平、凌必利、张晓东..运行三组: 胡立群、肖炳甲、沈飙、秦品健、袁旗平、李建刚.(请各室添加你们认为必要及感兴趣人员)该组负责每日放电运行，并与GA工作组密切配合，获得预期等离子体。

以罗家融为主，尽快使总控、安全巡检、特别是PCS在8月15日左右全部到位。

物理实验组：组长：万宝年，副组长：高翔、赵君煜物理实验一组: 万宝年、赵燕平、丁伯江、石跃江、罗广南…物理实验二组: 高翔、毛玉周、刘甫坤、徐国盛、陈俊凌..物理实验三组: 赵君煜、秦成明、单家芳、杨愚、揭银先.(请各室添加你们认为必要及感兴趣人员)本组负责等离子体参数获取、性能评价，以及在实验后期（如果实验一切顺利）组织实验提案及实施（如定标率、PSI等）。

等离子体等离激元激发实验的操作指南近年来，等离子体等离激元激发实验成为了材料科学和光学研究的热点领域。

通过激发等离子体所产生的等离激元，我们能够探索材料的光学性质以及制备高性能光电器件。

本文将为大家介绍一套操作指南，帮助研究者们顺利进行等离子体等离激元激发实验。

1. 实验设备准备在开始实验之前，我们需要准备一些实验设备。

首先是光学激发系统，这包括一个激光源（可见光或红外），激光扫描器和一个反射镜。

其次，需要一个等离子体反应室，它应该具备高真空环境和稳定的气体流动控制系统。

最后，需要一台高分辨率的光学光谱仪来记录等离子体等离激元的光谱响应。

2. 样品制备在进行实验之前，我们需要制备合适的样品。

通常，金属或半导体的薄膜是最理想的样品。

首先，需要清洗样品表面，以确保表面的纯净度。

然后，通过蒸镀或溅射等方法，在样品表面沉积一层均匀的金属或半导体薄膜。

3. 实验条件调节在进行等离激元激发实验之前，我们需要优化一些实验条件。

首先是激光功率的调节，需要将激光功率调整到适当的水平，以确保等离子体的激发效果。

其次是激光入射角度的调节，需要将激光束入射到样品表面的适当位置，以激发出等离激元。

最后是等离子体发生器气体流动的调节，需要确保气体流动稳定且合适以促进等离子体的形成。

4. 等离激元激发实验在调节好实验条件后，我们可以开始进行等离激元激发实验。

首先，将样品放置在等离子体反应室中，并建立高真空环境。

然后，通过激光扫描器将激光束聚焦到样品表面，使其与样品表面发生相互作用。

当激光与样品表面相互作用时，产生的等离子体将会激发等离激元。

通过光学光谱仪记录等离激元的光谱响应，并根据实验需求进行数据分析。

5. 数据分析与结果讨论在实验结束后，我们需要对实验结果进行数据分析和结果讨论。

通过分析光谱数据，可以得到等离激元的频率、衰减长度等参数。

此外，还可以通过改变实验条件，如激光功率或激光入射角度，来研究等离子体等离激元的特性。

等离子操作说明一、引言等离子操作指的是通过加热物质到高温下并施加电场，使其转化为等离子体的一种技术。

等离子体是由带正电荷的离子和带负电荷的电子组成的高度激发的气体态物质。

等离子操作在许多领域中得到应用，例如材料加工、工业等离子体应用、等离子体诊断和等离子体物理研究等。

本文将为您介绍如何进行等离子操作。

二、准备工作进行等离子操作之前，需要准备以下材料和设备：1. 等离子操作设备：包括等离子体发生器、电源、放电室等。

2. 物质样品：根据实验需要选择合适的材料进行处理。

3. 安全设施：安全眼镜、手套、防护服等，以确保操作过程中的安全。

三、操作步骤1. 设置设备：将等离子体发生器连接到电源，并将放电室放置在适当的位置。

2. 样品处理：将待处理的物质样品放置在放电室内，并关闭放电室的盖子。

3. 调整参数：根据实验需要，调整等离子操作设备的电压、电流和频率等参数，以及放电室的温度。

4. 启动设备：打开电源开关，启动等离子体发生器，使其产生等离子体。

5. 等离子处理：通过放电室的气氛和电场作用，将物质样品转化为等离子体。

6. 控制操作时间：根据需求，控制等离子体处理的时间，以达到预期的效果。

7. 停止操作：等离子处理完成后，关闭电源开关，停止等离子发生器。

等离子状态消失后，打开放电室的盖子，将处理过的样品取出。

四、注意事项1. 安全操作：在进行等离子操作时，务必佩戴安全设施，包括安全眼镜、手套和防护服等，以减少因操作失误导致的伤害。

2. 保持通风：由于等离子体发生过程会产生有害气体，操作时需确保通风良好的环境。

3. 控制电压：操作时应注意控制电压的大小，确保其在安全范围内，避免设备和样品的损坏。

4. 调整参数：根据不同的样品和需求，合理调整等离子操作设备的参数，以获得最佳的处理效果。

5. 阅读说明书：在操作之前，务必仔细阅读设备的说明书，了解设备的使用方法和注意事项。

五、总结通过以上操作说明，我们可以了解到等离子操作的基本步骤和注意事项。

等离子体实验中的技术要点与问题等离子体是一种高温离子化气体状态，具有电中性和准电中性的性质。

它在物理学、化学、材料科学等领域有着广泛的应用和研究。

等离子体的研究不仅能够帮助人们更好地理解自然界中的现象，还能够为人类的科技发展做出重要贡献。

在等离子体实验中，一些关键的技术要点和问题需要被重视和解决。

首先，等离子体的产生是实验中的首要问题。

常见的等离子体产生方法包括电离、激波、光离子化等。

其中，电离是最常用的方法之一。

电离过程中，需要提供足够的能量使原子或分子中的电子从原子或分子中脱离，形成带正电的离子和自由电子。

在实验中，可以通过加热、加电压等方式来提供能量，使气体处于电离状态。

另外，激波产生等离子体的方法也较为常见。

通过用强激波冲击气体，可以使气体中的原子或分子获得足够的能量，从而形成等离子体。

这些产生等离子体的方法对于实验的成功与否有着重要影响，需要根据实验目的和条件选择合适的方法。

其次，等离子体的控制也是一个关键问题。

由于等离子体具有高温、高能量等特性，它具有很强的活性和不稳定性。

在实验中，需要通过控制温度、压强、电场等因素来控制等离子体的性质和行为。

例如，在等离子体聚变实验中，通过控制等离子体的密度、温度、稳定性等参数，可以实现核聚变反应。

而在等离子体处理技术中，通过控制等离子体的能量和流密度，可以实现对材料的表面处理。

因此，对于等离子体的控制问题需要进行深入的研究和实践，以充分发挥等离子体在科学研究和实际应用中的作用。

另外，等离子体实验中还存在一些仪器和设备上的技术要点和问题。

例如，在等离子体产生的设备中，需要使用高功率电源和高频发生器来提供电磁场和电流。

这些设备在工作过程中会产生较大的电磁辐射和热量，对于设备的设计和维护提出了更高的要求。

此外，在等离子体诊断技术中，需要使用光学仪器、探测器等设备来观测和测量等离子体的性质和行为。

这些设备在高温和高能量等环境下的使用需要考虑到耐受能力、精度和稳定性等因素。

（二）实用类文本阅读（本题共3小题，12分）阅读下面的文字，完成4～6题。

材料一：我国的“人造太阳”东方超环ESA T目前取得了多项重大的技术突破，包括加热功率超过10兆瓦，等离子体储能增加到300千焦，等离子体中心电子温度达到1亿度等，这标志着中国的人造太阳已轻取得了世界领先的地位，为未来国际热核聚变实验堆运行和正在进行的中国核聚变工程实验堆CFETR工程和物理设计提供了重要的实验依据与科学支持，为人类开发利用核聚变产生电能奠定了重要的技术基础。

东方超环（EAST）是中科院等离子体所自主设计、研制并拥有完全知识产权的磁约束核聚变实验装置，是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克，也是我国第四代核聚变实验装置，它的科学目标是让海水中大量存在的氘和氚在高温条件下，像太阳一样发生核聚变，为人类提供源源不断的清洁能源，所以也被称为“人造太阳”。

（摘编自帅俊全《中国人造太阳首次实现1亿度运行，为核聚变能源奠定基础》，2018年11月13日）材料二：国际热核聚变实验堆计划是目前世界上仅次于国际空间站的国际大科学工程计划，是人类受控核聚变研究走向实用的关键一步，因此受到各国政府与科技界的高度重视和支持。

（摘编自杨卫国《中国研制人造太阳20年后见成效》，2010年6月17日）材料三：前不久，中国核工业集团宣布，新一代可控核聚变研究装置“中国环流器二号M”，预计于2020年投入运行，其等离子体温度有望超过2亿摄氏度。

该实验装置的建成将为人类真正掌握可控核聚变提供重要技术支撑。

我们距离“人造太阳”的梦想又近了一步。

可控核聚变以氘、氚为原料，不排放有害气体，也几乎没有放射性污染，反应随时可以中止，不会引起爆炸，也不会导致泄漏事故，具有相当高的安全性。

问题在于用什么容器来承载这种温度极高的核聚变。

为此，全世界的科学家前赴后继。

20 世纪60年代，苏联科学家提出托卡马克方案，国际聚变界随之转向于此。

早在1955年，钱三强和刚留美归来的李正武等科学家便提议开展中国的“可控热核反应”研究，与国际社会几乎同步。

等离子体实验报告摘要:本实验旨在研究等离子体的特性和性质。

通过在实验室中制备等离子体，运用各种工具和技术手段，对等离子体的形成、发展和维持条件进行探究。

本报告将详细介绍实验的步骤、实验结果和相关数据分析，以及对实验结果的讨论和结论。

引言:等离子体是一种极为特殊的物质状态，具有高温高能、带电等特性。

等离子体广泛存在于自然界中，例如太阳、星际空间和闪电等。

在地球上，等离子体也有很多应用，如等离子体显示器、等离子体喷雾技术等。

为了更好地理解等离子体的性质和应用，本实验使用等离子体发生器制备了等离子体，并对其进行了详细的观测和分析。

实验步骤:1. 实验仪器和材料准备：等离子体发生器、高压电源、压力计、真空泵、标准气体、观察窗等。

2. 系统组装：按照实验要求，将各个仪器和设备进行组装，确保实验系统正常运行。

3. 真空泵抽气：使用真空泵将实验设备的容器内的气体抽除，建立高真空环境。

4. 真空度测试：使用压力计对实验中的真空度进行测试，确保达到实验要求。

5. 充入标准气体：将标准气体充入等离子体发生器，调节气体流量和压力，使其满足实验条件。

6. 施加高压电源：将高压电源接通，施加合适的电压和电流，形成电弧放电。

7. 观察和记录：使用观察窗等设备对等离子体的形态、发展和维持条件进行观察和记录。

8. 数据采集和分析：记录实验过程中的数据，进行数据分析和处理。

实验结果:经过多次实验操作和观察，我们得到了以下实验结果：1. 在合适的压力和电压条件下，等离子体能够稳定形成，并呈现出不同的形态，如电弧、等离子球等。

2. 等离子体在高压电场作用下，呈现出辐射、发光等特性。

3. 等离子体的形成和稳定维持与气体种类、气体流量、电压和电流等因素密切相关。

4. 等离子体存在时间和空间的特性，可以通过相关仪器进行观测和测量。

讨论与结论:通过本实验，我们深入了解了等离子体的性质和特性。

在实验过程中，我们发现等离子体的形成和发展与气体种类、气体流量、电压和电流等因素密切相关。

等离子体点火安全注意事项等离子体点火是一种常用的实验技术，在许多实验室和工业环境中被广泛应用。

然而，等离子体点火存在一定的安全隐患，必须非常小心地操作，以确保人员和设备的安全。

以下是等离子体点火的一些安全注意事项。

1. 熟悉设备和操作规程：在进行等离子体点火实验之前，必须详细了解所使用设备的操作手册和操作规程。

熟悉设备的结构、原理和操作流程可以帮助避免操作错误和事故发生。

2. 佩戴个人防护设备：进行等离子体点火实验时，应佩戴适当的个人防护设备，如防护眼镜、实验室外套、手套和鞋套等。

这些个人防护设备可以有效地保护人员免受等离子体辐射和可能的溅射物的伤害。

3. 检查设备状态：在进行等离子体点火之前，必须仔细检查设备的状态。

确保设备电源、气源等供应正常，各连接接口紧固可靠，并且没有损坏或泄漏的情况。

如果发现任何异常情况，应及时报告并修复。

4. 操作与观察距离：在点火过程中，应保持适当的操作距离和安全距离。

尽量远离点火源，以免受到火焰、高温等辐射的伤害。

同时，应时刻保持对等离子体的观察，以便及时响应任何异常情况。

5. 控制燃气和电源：在进行等离子体点火实验之前，必须确保燃气和电源的控制在操作台的范围内。

燃气供应和电源应通过可靠的控制开关进行控制，以便在发生意外时能够迅速切断。

6. 避免堆积可燃物：在进行等离子体点火实验时，应尽量避免在操作区域堆积可燃物。

尽量保持操作区域整洁，并定期清理可燃物，以减少火灾的风险。

7. 做好防火准备：在进行等离子体点火实验之前，应随时做好防火准备。

在操作区域内设置灭火器，并确保操作人员知道如何正确使用灭火器。

在进行长时间操作时，应定期检查灭火器的有效期和性能。

8. 严格实验室规则：在进行等离子体点火实验时，必须遵守实验室安全规定和操作规程。

禁止单人操作、禁止未授权人员进入操作区域、禁止使用损坏或未经授权的设备等。

任何操作不当或违反规定的行为都可能导致严重的事故。

9. 做好应急处置：在进行等离子体点火实验时，应制定详细的应急处置计划。

EAST基本情况一.基本情况为了在近堆芯的高参数条件下研究等离子体的稳态和先进运行，深入探索实现聚变能源的工程、物理问题，等离子体所在成功建设中国第一个超导托卡马克HT-7的基础上，提出了“HT-7U全超导非圆截面托卡马克装置建设”计划。

为使国内外专家易于发音、便于记忆同时又有确切的科学含义，项目的名称在2003年10月正式由HT-7U改为EAST。

EAST由实验“Experimental”、先进“Advanced”、超导“Superconducting”、托卡马克“Tokamak”四个单词首字母拼写而成，它的中文意思是“先进实验超导托卡马克”，同时具有“东方”的含意。

EAST装置是我国自行设计研制的国际首个全超导托卡马克装置（右图），其主要技术特点和指标是：16个大型“D”形超导纵场磁体将产生纵场强度BT = 3.5 T ；12个大型极向场超导磁体可以提供磁通变化ΔФ≥10 伏秒；通过这些极向场超导磁体，将能产生≥100万安培的等离子体电流；持续时间将达到1000秒，在高功率加热下温度将超过一亿度。

EAST装置的主机部分高11米，直径8米，重400吨，由超高真空室、纵场线圈、极向场线圈、内外冷屏、外真空杜瓦、支撑系统等六大部件组成。

其实验运行需要有大规模低温氦制冷、大型高功率脉冲电源及其回路、大型超导体测试、大型计算机控制和数据采集处理、兆瓦级低杂波电流驱动和射频波加热、大型超高真空、以及多种先进诊断测量等系统支撑。

学科涉及面广，技术难度大，许多关键技术目前在国际上尚无经验借鉴。

特别是EAST运行需要超大电流、超强磁场、超高温、超低温、超高真空等极限环境，从芯部上亿度高温到线圈中零下269度低温，给装置的设计、制造工艺和材料方面提出了超乎寻常的要求。

EAST的建造具有十分重大的科学意义，它不仅是一个全超导托卡马克（左图为托卡马克示意图），而且具有会改善等离子体约束状况的大拉长非圆截面的等离子体位形，它的建成使我国成为世界上少数几个拥有这种类型超导托卡马克装置的国家，使我国磁约束核聚变研究进入世界前沿。

第1篇一、实验目的1. 了解等离子体的基本特性和形成条件；2. 掌握等离子体实验装置的操作方法；3. 通过实验验证等离子体的应用及其效果。

二、实验原理等离子体是物质的一种状态，由带电粒子（离子和自由电子）组成。

在高温、高压、电磁场等条件下，气体分子可以被激发成等离子体。

等离子体具有很高的导电性和导热性，广泛应用于工业、医疗、科研等领域。

三、实验器材1. 等离子体发生器；2. 气源（氩气、氮气等）；3. 高压电源；4. 温度控制器；5. 激光发射器；6. 摄像头；7. 计算机及数据采集系统。

四、实验步骤1. 准备工作：检查实验器材是否完好，连接好相关设备，调试好实验参数。

2. 实验一：等离子体形成实验（1）开启高压电源，调节电压至设定值；（2）通入氩气，调整气体流量；（3）观察等离子体形成过程，记录等离子体颜色、形状等特征。

3. 实验二：等离子体导电性实验（1）将等离子体发生器放置在导电台上；（2）连接高压电源，调节电压至设定值；（3）观察等离子体导电性，记录电流大小、稳定性等数据。

4. 实验三：等离子体温度测量实验（1）将温度传感器放置在等离子体中心；（2）开启等离子体发生器，调节电压至设定值；（3）记录温度传感器读数，分析等离子体温度变化规律。

5. 实验四：等离子体应用实验（1）将激光发射器放置在等离子体发生器前方；（2）开启激光发射器，观察等离子体对激光的散射现象；（3）分析等离子体对激光的散射效果，探讨等离子体在光学领域的应用。

五、实验结果与分析1. 实验一：等离子体形成实验通过观察，等离子体呈现明亮的紫红色，形状为环状，中心温度较高。

2. 实验二：等离子体导电性实验实验结果显示，等离子体导电性较好，电流大小稳定。

3. 实验三：等离子体温度测量实验实验结果表明，等离子体温度随着电压升高而升高，呈现非线性关系。

4. 实验四：等离子体应用实验激光在等离子体中的散射现象明显，说明等离子体具有光学应用潜力。

EAST托卡马克等离子体可见光诊断系统光学设计杨晓飞【摘要】A visible optical plasma diagnostic system is designed for EAST Tokamak facility. Due to the particularity of performance demand and working environment, an innovated optical structure was adopted, which satisfy the optical indexes, and minimize the radiation and stain at the same time. At last the wide-angle and high-speed visible plasma imaging system was designed, with 2.5 mm aperture diameter, 6 mm focal length, 60°×50°field of view, and 380 ~780 nm wavelength. Th en the stray light was analyzed and the suppression method was implemented. After alignment, the optical performance was tested. The results show that all of the indexes satisfy the requirement of the system. Through the imaging experiment for the discharge process in the EAST Tokamak, the system was proved to achieving plasma imaging with wide-angle and high-speed.%针对EAST托卡马克等离子体可见光成像系统进行了设计.考虑等离子体成像性能要求和使用环境的特殊性,采用独特的光路形式,在满足光学指标前提下,减小了光学元件受到的辐射和污染.最终设计完成了通光口径2.5 mm,焦距6 mm,视场60°×50°,波段380 ~780 nm的广角高速可见光等离子成像系统,并对杂光进行分析,采取了有效的抑制措施.装调后对各项指标测试结果表明,系统性能达到设计要求.通过对EAST托卡马克装置的放电过程成像实验表明,系统实现了高速、广角、清晰的等离子成像.【期刊名称】《光电工程》【年(卷),期】2015(042)010【总页数】6页(P27-32)【关键词】托卡马克装置;等离子体成像;可见光诊断;折反射结构【作者】杨晓飞【作者单位】苏州大学物理与光电 ? 能源学部,江苏省先进光学制造技术重点实验室,教育部现代光学技术重点实验室,江苏苏州 215006【正文语种】中文【中图分类】TH751托卡马克(Tokamak)，又称环磁机，是一种利用磁约束实现受控核聚变的环性容器，通过约束电磁波驱动，创造氘、氚实现聚变的环境和超高温，实现对聚变反应的控制。

EAST远程等离子体控制门户系统的安全管理李刍;肖炳甲;袁旗平;张睿瑞【摘要】EAST装置是世界上第一个非圆截面全超导托卡马克核聚变实验装置,已经发展成为国际上重要的合作实验平台.为扩大和方便合作单位参与实验,提出开发EAST远程等离子体控制系统,系统采用Web开发模式,其功能是为远程客户提供获取实验数据、即时控制服务和放电方案设置服务.其门户系统设计主要负责身份验证与授权、请求格式检查和技术数据检查等安全性功能.身份验证与授权阶段采用三阶段验证,主要采用VPN,数字证书和随机验证码等网络安全技术.请求格式检查和技术数据检查采用模块化技术,针对不同放电方案单独编写模块,保证系统的可扩展性.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2018(027)007【总页数】6页(P78-83)【关键词】EAST;远程系统;数字证书系统;短信平台;安全模块【作者】李刍;肖炳甲;袁旗平;张睿瑞【作者单位】中国科学技术大学,合肥230022;中国科学技术大学,合肥230022;中国科学院合肥物质科学研究院,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院,合肥230031;中国科学院合肥物质科学研究院,合肥230031【正文语种】中文随着磁约束核聚变科学研究的蓬勃发展, 聚变装置托卡马克在规模、复杂性以及运行费用上不断增长.为了提高合作的便捷性, 利用先进计算机技术、网络技术构建远程合作研究平台, 可以避免传统合作方式带来的地理位置的局限性和人员精力财力的浪费, 从而推进聚变研究的发展. 随着32 s的H模和400 s长脉冲等离子体运行的实现和一系列物理成果的获得,EAST已经发展成为国际上重要的合作实验平台, 因此发展EAST上的支持远程参与的先进等离子体控制系统, 针对EAST等离子体远程控制的需要, 开发基于Web的远程等离子控制系统有着重要的意义. 基于Web的远程等离子体控制系统基本功能框图如图1所示, 主要由操作请求门户系统、即时控制服务系统、放电策略管理系统和等离子体控制(Plasma Control System, PCS)构成, 门户系统设计主要负责身份验证与授权、请求格式检查和技术数据检查. 当远程实验人员通过Web界面提交操作请求后, 将经过门户系统进行严格的安全和有效性检查, 有效的操作请求通过接口与PCS服务进程或者放电方案管理服务通讯, 实现等离子体放电参数的远程设置. 同时PCS运行的状态和本地设置参数可实时回馈给远程实验人员并在界面上显示.如今网络的技术日益成熟, 黑客对服务器攻击逐步转移到针对应用系统, 例如Web 站点等, 根据Gartner Group 的调查, 信息安全攻击有 75% 都发生在Web应用层面上. EAST远程等离子体控制系统连接国家大型热核聚变实验装置, 因此其门户系统是远程等离子体控制系统安全的重要因素.图1 远程等离子体控制系统基本功能框图1 门户系统总体原则和技术选择1.1 设计总体原则完善的纵深防御体系是Web站点安全的重要保证. 总体上纵深防御体系分为技术层面和管理层面两部分. 本文主要从技术层面进行对系统进行分析. EAST远程等离子体控制系统涉及重大装置实验, 要求系统比较高的安全性能, 根据纵深防御体系原则, 设定门户系统安全性能要求[1–5]如下:1) 用户需要登录认证;2) 所有用户访问有记录;3) 用户提交的数据必须有相应权限;4) 提交数据必须符合相应的规则限制;5) 所有提交数据有记录(特别是有危险性的数据绕过前端和后端提交到EAST等离子体控制系统要及时通知管理员).1.2 系统的技术选择C/S(Client/Server)结构和B/S(Browser/Server)结构是常用的应用系统软件结构, B/S结构在客户端采用浏览器, 不用针对不同的操作系统开发专门的客户端软件, 具有跨平台属性, 具有开发速度快, 成本小特点.特别是Web2.0时代, B/S结构被广泛应用. B/S结构采用AJAX在客户端进行局部处理, 增强了交互性, 实现实时刷新. 因此EAST远程等离子体控制系统其门户系统采用B/S结构进行设计开发.VPN是基于公共网络或其他网络的一种特殊通道, 其本质是一个逻辑的点到点链接, 这个链接为隧道的两个端点提供了认证、加密和访问控制, 可以提高服务器安全性. EAST远程等离子体控制系统设定为中国科学院等离子体物理研究所的内网, 世界各地合作单位在实验期间开通VPN服务连接到中国科学院等离子体物理研究所所网后访问EAST远程等离子体控制门户系统服务器. VPN在一定程度上加强了EAST远程等离子体控制门户系统的安全性, 提高了系统的服务质量.HTTPS双向认证在HTTP的基础上加入了SSL协议, SSL协议依靠数字证书来验证服务器和客户端的身份, SSL协议为浏览器和服务器之间的通信加密. 相比于HTTPS单向认证, 双向认证增强了服务器对客户端的认证, 有效降低非法用户访问门户系统.EAST用户必须安装服务器数字证书中心颁发的数字证书, 同时用户必须接受EAST服务器数字证书, 双方完成数字证书认证之后才进行正常通信. HTTPS 双向认证保证只有合法的客户端才可以访问EAST远程等离子体控制门户系统服务器. 数字证书一般放置在专门USB或者安装在浏览器中, 数字证书安装在浏览器中比放置专门的U盘中使用方便, 不需要针对不同操作系统开发不同USB插件, 降低了开发成本.验证码的功能主要是防止黑客使用程序恶意注册、暴力破解或批量发帖. 用户肉眼识别其中的验证码信息, 输入表单提交网站验证, 验证成功后才能提交数据. 随机验证码一定程度提高了系统的安全性. 邮箱验证和手机验证一般作为认证用户资料的一种方式,同时发送验证码作为确认用户信息的验证. 邮箱和手机私密性比较高, 被窃取的可能性小. 邮箱属于虚拟物品, 手机是实物, 在安全性上手机验证码安全性高于邮箱验证码. EAST远程等离子体控制系统属于内网, 无法利用外部短信平台发送短信, 而且存在手机号泄露风险, 建立EAST门户系统的专用短信平台, 不仅用户方便登录, 而且增强门户系统的安全性. EAST用户在世界各个地方登录EAST远程等离子体控制系统, 国外用户可以通过邮箱验证码登录系统, 国内用户可以采用手机验证码或邮箱验证码登录系统.2 系统实现2.1 系统网络拓扑架构系统网络拓扑图如图2所示, EAST远程等离子体控制门户系统属于等离子所内网, 外部研究所单位和办公地点需要通过VPN通道进入所网访问EAST远程参与服务器. EAST远程参与服务器通过内部网络访问EAST服务器群获取所需数据[4,6], 提供给用户. 短信平台和和邮箱系统属于门户系统的附属系统, 其功能是给用户发送邮箱验证码和手机验证码.EAST远程等离子体控制门户系统采用基于MVC设计模式的国产优秀ThinkPHP 开源框架稳定版本. ThinkPHP框架是一款性能卓越功能丰富的轻量级PHP开发框架, 支持ORM实现、扩展机制、分组模块、数据库特性和视图模型等众多优点. 优秀的开源框架通过专业人士不断迭代, 完善框架安全, 经过更多人的测试, 比自己单独开发更加安全, 设计更加完善.采用ThinkPHP框架可以加快开发和迭代速度, 更好更快的完善系统, 降低系统开发成本.图2 系统拓扑图2.2 数字证书系统EAST远程等离子体控制门户系统数字证书系统搭建基于OpenSSL开源软件包. OpenSSL软件由于其开源性使它经过众多开发和应用者的改进和完善的,可以直接下载编译使用, 安全性可以保证, 开发容易,是小范围系统使用自建数字证书系统的主要选择.OpenSSL软件主要包含三大体系: 密码算法库体系、SSL协议库体系和应用程序体系, 使用该软件包可以直接生产符合X.509标准的数字证书, 其中的CA 应用程序是一个证书管理中心(如图2中CA数字证书中心), 可以实现整数签发管理的整个流程, 修改OpenSSL配置, 实现HTTPS双向认证, 从而实现系统的身份认证功能[7–10].2.3 门户系统短信平台手机短信平台的构建是基于工业级WAVE短信猫、JAVA和Mysql数据库技术. WAVE短信猫是成熟的工业产品, 常用于公司内部短信平台的构建. 短信平台放置在EAST远程等离子体控制门户系统的下,设定为只允许EAST远程系统访问, 拒绝其他用户随意使用, 降低短信平台被攻击的可能性. 短信平台采用单例模式开发, 数据库设定为三张表: 用户表、待发送表和发送结果表. 用户表限制发送请求人的范围, 每人都有每天数量限制, 以提高平台稳定性. 门户系统把发送短信内容和手机号写入短信发送数据库待发送表,短信平台主机不停地扫描短信发送数据库并发送短信,成功后写入发送结果表, 门户系统查询发送结果表.2.4 身份验证与授权身份验证与授权分为数字证书认证和登录认证两部分. 数字证书认证部分用户需要向管理员申请数字证书, 管理员向EAST远程等离子体控制门户系统的CA中心申请数字证书发给用户, 用户在客户端(浏览器)安装数字证书后[4,6], 访问的EAST远程等离子体控制门户系统的登录页面登录, EAST远程等离子体控制门户系统的数字证书申请和验证流程. 在HTTPS双向认证的基础之上, EAST门户系统设计为用户每次采用用户名+密码+随机验证码+邮箱验证码/手机短信验证码进行登录(如图3). 例如用户输入用户名密码后点击选择手机验证码后, 门户系统验证用户名密码, 然后通过用户数据和LDAP用户数据库进行验证, 当验证通过时, 查询用户手机号, 同时生成六位随机验证, 并向短信平台短信数据库写入发送内容和手机号, 用户填入手机验证和随机验证码后, 门户系统进行综合验证.用户成功登录后获得相应的授权, 同时在登录界面设置本次操作的类型, 即时控制或方案设置. 用户信息及权限在用户管理数据库中记录, 登录界面从后台数据库中读取信息进行验证. 这种远程操作人员身份的双重验证, 可有效保证系统的安全. 用户可以在用户后台看到自己权限和个人资料, 可以完善手机号等信息, 可以查看自己拥有的权限并可以向管理申请提高权限.管理员后台可以查看和修改所有人拥有的权限, 查看所有人登录记录和提交数据记录.图3 用户登录界面2.5 请求格式检查和技术数据检查根据远程用户操作类型的选择, 获得界面数据, 反馈到用户操作界面. 若选择了即时控制服务, 则获得当前本地控制系统所有预设信息; 而方案预设服务则可选从历史炮、已有方案中调用, 界面上的所有数据从调用文件中获得, 或者是选择默认界面. 当完成界面参数的设置并提交后, 产生一个远程请求给操作请求门户系统, 首先对请求格式按照预先的定义进行检查, 若格式不符合规范, 则可能是网络传输中造成了错误, 结果反馈给用户界面. 若格式正确则进行更为严格的技术数据检查, 如图4所示, 检查规则由一系列的逻辑模块构成, 如EAST极向场电源的最大电压限定值, 线圈电流最大值, 等离子体密度设置范围等. 采用逻辑模块的方式, 便于各系统定义检查规则并纳入门户系统中.请求格式检查和技术数据检查是对用户提交实验数据设定的存储和数据效验规则. 为减轻EAST服务器的压力, EAST远程等离子体控制门户系统设计在前端用js编写请求格式检查验证, 在服务器端用php再次编写请求格式检查和技术数据检查模块对提交数据再次验证, 防止黑客绕过前端直接提交同时对数据进行保存, 在EAST服务器请求格式检查和技术数据检查模块做最后验证, 最大限度过滤非法数据提交. 用户后台可以查看自己数据提交记录和自己的权限, 可以沟通管理员提高权限. 管理员后台可以修改所有用户的权限和查看用户提交所有数据记录.图4 技术数据检查功能模块3 测试应用EAST远程等离子体控制门户系统部署环境:centos6.7 稳定版, Apache2.2.15, mysql 14.14 稳定版. 短信平台部署环境: windowserver2008R2 版本, mysql 14.14稳定版. EAST远程等离子体控制门户系统的CA证书中心部署环境: centos6.7稳定版. 按照企业测试流程编写测试计划、流程和测试用例, 分别进行UI测试、链接测试、表单测试、输入域测试、分页测试、交互性测试、功能测试和安全测试.首先测试系统是否实现HTTPS双向认证: 用户必须有经过管理员颁发数字证书才可访问EAST远程等离子体控制门户系统, 否则会提示服务器要求客户端提供合法数字证书. 其次进行登录功能验证测试、后台管理功能测试和用户后台测试, 经过大量测试实现预定目标. 针对手机验证和邮箱验证码功能测试, 对于邮箱验证功能测试主要在门户系统服务器端, 经过大量测试, 门户系统可以正常发送邮箱验证码. 针对短信验证功能测试包括服务器端功能测试和短信平台测试两部分, 需要编写专门的测试计划, 先测试程序无BUG, 再进行连接WAVE短信猫进行发送短信测试以节约测试成本, 通过不同方案测试测试短信平台是否可以稳定运行, 经过专业测试证实短信平台可以正常工作. 测试权限验证是否有效, 用户首次登录时用户名密码来源于LDAP账户, 用户只有读的权限操作, 用户可以在后台完善个人信息(手机号等)、向管理员申请提高权限. 权限测试如图5所示, 用户在一部分的category上具有写的权限, 其他部分只有读的权限, 当只有读的权限时, 用户无法提交当前category方案的数据. 测试技术数据检查模块是有效, 例如PS1放电方案约束电流值为[–350, 350], 当用户提交数据超过约束电流值范围时, 系统提示用户设定数据不符合规范, 请进行修改(如图6所示). 经过大量测试, 格式检查和技术数据检查模块完全实现预期设定目标, 同时保证了系统的可扩展性.图5 权限检查图6 数据有效性检查4 总结EAST远程等离子体控制门户系统采用VPN、数字证书认证系统和ThinkPHP框架等技术构建了完善的纵深防御体系, 保证了系统的安全性, 实现了EAST远程等离子体控制门户系统的身份验证与授权、请求格式检查和技术数据检查功能, 系统采用成熟的java和WAVE短信猫构建了EAST远程等离子体控制门户系统的短信平台, 同时利用现有的邮箱系统实现邮箱验证码发送, 建立功能完善的邮箱验证码和短信验证码发送功能. 采用独立的技术数据检查模块对各个放电方案分别进行检查, 保障了系统可扩展性. EAST远程等离子体控制门户系统设计和实现三大设定功能目标, 保证了远程等离子体控制系统的安全性、可扩展性和易维护性, 后续工作主要是根据科研工作需要进行扩展和升级门户系统功能.参考文献【相关文献】1Stepanov D, Abla G, Ciarlette D, et al. Remote participation in ITER exploitation-conceptual Design. Fusion Engineering and Design, 2011, 86(6-8): 1302–1305. [doi:10.1016/j.fusengdes.2011.01.120]2Lister JB, Farthing JW, Greenwald M, et al. The ITER CODAC conceptual design. Fusion Engineering and Design,2007, 82(5-14): 1167–1173. [doi: 10.1016/j.fusengdes.2007.01.013] 3TER Project Requirements. ITER D 27ZRW8 v4.6. ITER baseline documentation, 2010.4Schissel DP, Abla G, Fredian T, et al. An investigation of secure remote instrument control. Fusion Engineering and Design, 2010, 85(3-4): 608–613. [doi:10.1016/j.fusengdes.2010.03.019]5Yuan QP, Xiao BJ, Zhang RR, et al. The design of remote participation platform for EAST plasma control. Fusion Engineering and Design, 2016, (112): 1045–1048. [doi:10.1016/j.fusengdes.2016.04.044]6Schissel DP, Farthing JW, Schmidt V. Advances in remote participation for fusion experiments. Fusion Engineering and Design, 2005, 74(1-4): 803–808. [doi:10.1016/j.fusengdes.2005.06.066]7关振胜. 公钥基础设施PKI及其应用. 北京: 电子工业出版社, 2008.8林东岱, 曹天杰. 应用密码学. 北京: 科学出版社, 2009.9Peng YH. The application of PKCS#12 digital certificate in user identity authentication system.2009 WRI World Congress on Software Engineering. Xiamen, China. 2009.351–355. 10Hsu CM. A group digital signature technique for authentication. IEEE 37th Annual 2003 International Carnahan Conference on Security Technology. Taipei,China. 2003.。