ФИЗИКА ПЛАЗМЫ, 2004, том 30, № 2, с. 195-199
ДИАГНОСТИКА ^^^^^^^^^^^^^^ ПЛАЗМЫ
УДК 533.9.082
МГД-ДИАГНОСТИКА НА ТОКАМАКЕ Т-11М
© 2004 г. А. М. Белов, И. Н. Макашин
ГНЦ РФ "Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований"
Поступила в редакцию 24.07.2003г.
Представлен комплекс МГД-диагностики, созданный на токамаке Т-11М для исследования динамики развития срыва и предшествующей ему фазы разряда. Комплекс обеспечивает исследование структуры магнитных флюктуаций плазменного шнура. Состав комплекса: набор точечных магнитных зондов, размещенных в нескольких полоидальных сечениях тора; система сбора данных, обеспечивающая синхронность регистрации сигналов точечных магнитных зондов; система синхронизации, обеспечивающая запуск системы сбора данных при регистрации срыва; система обработки и представления результатов регистрации магнитных флюктуаций плазменного шнура. Приводятся примеры работы комплекса МГД-диагностики на токамаке Т-11М.
ВВЕДЕНИЕ
Процесс саморазрушения магнитной термоизоляции плазмы в будущих термоядерных реакторах - один из наиболее актуальных предметов физических исследований на современных тока-маках. Общепринято, что наиболее опасен в этом отношении большой срыв. Комплекс МГД-диагностики на токамаке Т-11М создавался с основной задачей - обеспечение возможности исследования динамики развития срыва и предшествующей ему фазы разряда. Эта задача накладывает на диагностику требование высокого временного и пространственного разрешения МГД-возмуще-ний плазмы. В работе представлен комплекс МГД-диагностики, созданный на токамаке Т-11М в период 1994-2000 гг. Основные результаты, полученные с помощью комплекса МГД-диагностики токамака Т-11М, опубликованы в [1-11].
КОМПЛЕКС МГД-ДИАГНОСТИКИ НА ТОКАМАКЕ Т-11М
Задачи МГД-диагностики на токамаке Т-11М состоят в исследовании МГД-возмущений плазмы как быстротечных - таких как большой срыв с характерным временем порядка сотен микросекунд, так и существенно более продолжительных процессов с временем до десятков миллисекунд, например, - развитие запертой моды. Также диагностика должна обеспечивать определение структуры магнитных возмущений плазмы и проведение рутинных измерений МГД-активнос-ти в течение всего времени разряда. Таким образом, требования к диагностике следующие:
размещение большого числа точечных магнитных зондов (т.м.з.) в нескольких полоидальных сечениях тора для обеспечения пространственного разрешения магнитных флюктуаций плазмы;
высокое временное разрешение точечных магнитных зондов, обеспечивающих исследование развития неустойчивости срыва;
наличие быстрой многоканальной системы сбора данных (ССД) с синхронной регистрацией сигналов магнитных зондов. ССД должна иметь режимы работы: непрерывный для регистрации заранее определенного временного отрезка разряда и непрерывный с предысторией для регистрации заранее неопределенного во времени процесса (регистрация срыва);
специальная система синхронизации, обеспечивающая запуск ССД при регистрации срыва.
Набор точечных магнитных зондов выполнен в виде нескольких линеек, разнесенных в тороидальном направлении, в каждой линейке зонды располагаются равномерно по полоидальному обходу тора. Для обеспечения защиты и быстродействия зонды размещаются в металлических трубках, которые установлены внутри камеры вдоль полоидального обхода тора, трубки открыты на атмосферу (постоянная времени трубки тг = 2 мкс). Верхняя частотная характеристика точечных магнитных зондов определяется тг. На выходе магнитного зонда может использоваться ИС-ячейка (ткс ~ 88.4 мкс), что обусловлено не столько традиционными причинами (получение сигнала пропорционального полю), а обеспечением максимального разрешения сигнала в диапазоне преобразования АЦП как до срыва, так и в самом срыве, в течение которого происходит многократное увеличение амплитуды и частоты сигнала. Восстановление значения самого
поля Вр (флюктуации поля Вр) осуществляется численным интегрированием сигнала магнитного зонда с учетом постоянной времени защитой трубки, в которой размещены зонды, и постоянной времени иС-ячейки. Учитывая коэффициент
195
6*
Mcs2 8 т.м.з.
C
диафрагма
(a)
C
диафрагма
Mcsl 24 т.м.з.
Mcs4 Mcs3 16 т.м.з. 32 т.м.з.
(б)
Mcs2 32 т.м.з.
Mcsl 32 т.м.з.
Li
диафрагма
Рис. 1. Схема расположения набора точечных магнитных зондов в токамаке Т-11М до (а) и после (б) модернизации установки.
I Mcs2
7
| Mcs3 [
32
Mcs4
l6
сигналы других диагностик
RC ~RC RC "RC
-1 ВОЛС-Al |-
-ВОЛС-Al-
старт
синхронизации I ^loop
система синхронизации
Рис. 2. Структурная схема регистрации сигналов точечных магнитных зондов в Т-11М.
X, характеризующий фазовую асимметрию МГД-возмущений по полоидальному углу б, можно определить амплитуду и фазу соответствующей гармоники m ("преобразование Мережкина", б* = б + X sin б, где б = 0 на внутренней стороне тора, X = R- ^ß J + 2 + [12]). Использование нескольких полоидальных сечений для измерений дает важное преимущество: в этих сечениях можно сравнить разность фаз винтовых возмущений Вб(б, ф) = Вбcos(mб - пф) с равными m, найденными в результате гармонического анализа сигналов магнитных зондов. Если винтовая симметрия возмущений сохраняется, то из найденной разности фаз определяется тороидальное число n и, в итоге возможно определить локализацию этих возмущений по q(r) (q(rs) = m/n в предположении Vp = 0 около рациональной поверхности, p - давление плазмы). На рис. 1 представлена схема расположения точечных магнитных зондов в Т-11М в разные этапы времени работы установки.
На рис. 2 представлена структурная схема регистрации сигналов точечных магнитных зондов в Т-11М (до модернизации установки). Схема регистрации после модернизации не имеет принципиальных отличий, кроме количества линеек и зондов. Одновременно с сигналами магнитных зондов осуществляется регистрация сигналов других диагностик, что увеличивает возможности последующего анализа. Для обеспечения гальванической развязки сигналов некоторых датчиков от регистрирующей аппаратуры используется аналоговая волоконно-оптическая линия связи (ВОЛС-А1). Система сбора данных "Аметист" выполнена в стандарте КАМАК на базе АЦП ФК 4225 и работает под управлением персонального компьютера (РС). Основные параметры ССД: число синхронных каналов регистрации 86; частота дискретизации до 1 МГц; объем буферной памяти на канал - 4 к отсчетов, режимы работы -непрерывный и непрерывный с предысторией.
Синхронизация ССД осуществляется с помощью "Блока синхронизации", который обеспечивает временную "привязку" к разряду. "Блок син-
МГД-ДИАГНОСТИКА НА ТОКАМАКЕ Т-11М
197
блок синхронизации старт
<
Рис. 3. Структурная схема синхронизации ССД "Аметист".
хронизации" выполнен в стандарте КАМАК и работает под управлением PC. Регистрация заранее определенного временного интервала разряда не вызывает особых сложностей и осуществляется стандартным образом (режим работы ССД непрерывный, запуск ССД определяется таймером). Основная трудность - синхронизация ССД при регистрации срыва, так как возникает проблема временной неопределенности этого события. Для решения этой задачи реализуется режим работы ССД непрерывный с предысторией, а в качестве синхроимпульса используется отрицательный выброс напряжения на обходе плазменного шнура t/loop, который генерируется при срыве и тем самым является идеальным сигналом для запуска регистрирующей аппаратуры. Таким образом, задача сводится к определению времени прихода отрицательного выброса сигнала Uloop относительно начала разряда. На рис. 3 представлена структурная схема синхронизации ССД "Аметист". Принцип работы "Блока синхронизации" при регистрации срыва следующий. На блок подается синхроимпульс начала разряда (сигнал "Старт"), который одновременно поступает на таймер, программируемый с помощью PC, и на синхронизатор отрицательных выбросов Uloop. Синхронизатор отрицательных выбросов Uloop по приходу сигнала "Старт" вырабатывает два сигнала, поступающие на счетчик: - импульс "Reset", который обнуляет показания счетчика, и сигнал "Gate", в течение которого счетчик отсчитывает импульсы, подаваемые на него с генератора. Генератор работает в непрерывном режиме с частотой 1 МГц. По приходу отрицательного выброса сигнала Uloop "ворота закрываются" (сигнал "Gate"), счетчик прекращает отсчитывать импульсы, и вырабатывается синхроимпульс, запускающий ССД. По окончании сбора данных показания счетчика считываются PC и определяется время запуска ССД. Таким образом, комплекс МГД-диагностики может в автоматическом ре-
жиме регистрировать сигналы магнитных зондов при развитии неустойчивости срыва в течение всего экспериментального дня, пропуская разряды без срыва.
Работа ССД "Аметист" и системы синхронизации осуществляется под управлением РС. Сбор данных и первичная обработка осуществляется на этом же компьютере с последующей автоматической передачей информации на сервер после каждого разряда токамака. За один разряд осуществляется сбор информации ~0.7 МБайт.
Комплекс МГД-диагностики включает в себя систему обработки и представления результатов регистрации МГД-возмущений (программное обеспечение). Разработанное ПО обеспечивает:
визуальное представление исходных и обработанных данных;
вывод в полярных координатах (с использованием мультипликации) исходных и обработанных сигналов зондов одновременно нескольких линеек;
суммирование/вычитание сигналов зондов;
сигналы горизонтального и вертикального смещений ык, прирост тока плазмы А/;
коррекцию сигналов зондов на смещение, на прирост тока плазмы;
математическое интегрирование сигналов зондов с/без учета т, ткс;
математический фильтр с т;
корреляционный анализ;
определение амплитудных и фазовых характеристик гармоник т с/без учета фазовой асимметрии возмущения магнитного поля тока плазмы по полоидальному углу 6;
моделирование сигналов зондов в отсутствие некоторых гармоник т;
определение значений тороидальных номеров мод п;
(а)
7.5 22.5 37.5 52.5 67.5 82.5 97.5 112.5
9 127.5
10 142.5
11 157.5
12 172.5
13 187.5
14 202.5
15 217.5
16 232.5
17 247.5
18 262.5
19
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.