ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 5, с. 93-98
ОБЩАЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА
УДК 533.9.07
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ЭЛЕКТРОННОГО ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСНОГО НАГРЕВА НА УСТАНОВКЕ ГДЛ
© 2014 г. Ю. В. Коваленко*, **, Д. В. Яковлев*, **
* Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 11 ** Новосибирский государственный университет Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 E-mail: Yu.V.Kovalenko@inp.nsk.su Поступила в редакцию 14.01.2014 г.
Описана система управления комплексом электронного циклотронного резонансного (э.ц.р.) нагрева на установке ГДЛ (газодинамическая ловушка). Комплекс э.ц.р.-нагрева базируется на двух гиротронах с частотой излучения 54.5 ГГц суммарной мощностью 0.9 МВт и предназначен для дополнительного нагрева электронной компоненты плазмы. Приведена общая структура комплекса, рассмотрены требования к управляющим сигналам и каналам измерения параметров. Алгоритм системы управления и интерфейс оператора реализованы при помощи LabView 2010 для Linux. Необходимый набор каналов измерения и управления сформирован с использованием программируемых контроллеров. Созданная система в настоящее время используется в экспериментах по микроволновому нагреву плазмы на установке ГДЛ.
DOI: 10.7868/S0032816214050085
ВВЕДЕНИЕ
Установка ГДЛ (газодинамическая ловушка) в ИЯФ СО РАН — это открытая осесимметричная система удержания плазмы с магнитными пробками [1]. На установке проводятся исследования по удержанию и нагреву плазмы. Достигнутые параметры плазмы позволяют рассматривать установку как прототип мощного источника термоядерных нейтронов для материаловедческих и других применений [2].
В установке ГДЛ нагрев осуществляется за счет инжекции восьми дейтериевых атомарных пучков суммарной мощностью 4 МВт в мишенную плазму под углом 45° к оси установки. Пучки захватываются в плазме, ионизуются и образуют популяцию плещущихся ионов со средней энергией 10 кэВ и плотностью, достигающей 5 • 1013 см-3 в точках остановки. Именно в точках скопления быстрых частиц достигается максимальная интенсивность термоядерных реакций. Быстрые ионы теряют свою энергию за счет столкновений с электронами мишенной плазмы, при этом скорость потерь обратно пропорциональна электронной температуре. Поэтому одним из способов улучшения параметров нейтронного источника на основе установки ГДЛ, помимо увеличения мощности атомарной инжекции и повышения напряженности магнитного поля, является прямой нагрев электронной компоненты плазмы.
Электронный циклотронный резонансный (э.ц.р.) нагрев применяется на множестве термоядерных установок и зарекомендовал себя как один из самых надежных и эффективных методов нагрева плазмы. Конструкция системы нагрева и физика взаимодействия пучка с.в.ч. с плазмой установки ГДЛ были разработаны совместно с ИПФ РАН [3]. По предварительным оценкам [3], созданная система позволяет повысить электронную температуру плазмы с 200 до 350 эВ, что было подтверждено в экспериментах.
КОМПЛЕКС Э.Ц.Р.-НАГРЕВА
Система э.ц.р.-нагрева установки ГДЛ состоит из двух одинаковых частей, каждая из которых включает в себя: гиротрон Буран-А [4] с частотой излучения 54.5 ГГц, номинальной мощностью 450 кВт при напряжении 70 кВ; сверхпроводящий соленоид, охлаждаемый жидким гелием; подключенный к гиротрону квазиоптический преобразователь излучения в моду НЕ11; передающую линию из гофрированного волновода длиной ~15 м и внутренним диаметром 63.5 мм; два отражающих уголка для поворота излучения на 90°, в одном из которых установлен монитор проходящей мощности — с.в.ч.-диод; универсальный поляризатор, позволяющий менять поляризацию излучения; систему зеркал на конце волноводной линии, фокусирующую и вводящую излучение под
нужным углом в вакуумную камеру установки ГДЛ.
Пучки с.в.ч. вводятся в камеру вблизи магнитных пробок.
Комплект оборудования, обеспечивающего функционирование одного гиротрона, включает в себя: высоковольтный источник питания, трансформатор накала электронной пушки, блок питания магниторазрядного насоса, контур системы водяного охлаждения, шкаф с аппаратурой системы управления.
АППАРАТУРА Э.Ц.Р.-КОМПЛЕКСА
Ускоряющее напряжение на электронную пушку гиротрона подает созданный в ИЯФ импульсный высоковольтный источник питания, построенный по конденсаторной схеме и оборудованный системой стабилизации напряжения с точностью 1%. Максимальная длительность импульса составляет 5 мс. Рабочее напряжение перестраивается от 4.5 до 70 кВ с дискретностью 4.5 кВ.
Источник питания управляется последовательностью из двух импульсов: первый запускает зарядку конденсаторов, второй отвечает за длительность и время начала импульса высокого напряжения. Сигналы поступают в источник по единственной оптоволоконной линии. Первым подается световой импульс длительностью от 10 до 50 мкс, после чего начинается зарядка конденсаторных батарей, продолжающаяся 90 с. Импульс длительностью более 50 мкс приводит к подаче высокого напряжения на нагрузку, по окончании импульса напряжение выключается.
Сигналы с низковольтных выводов источника пропорциональны выходному току и напряжению. Форма и амплитуда этих сигналов позволяют контролировать работоспособность источника питания и режим работы гиротрона. Отклонение напряжения от оптимального значения более чем на 1% или тока на 2.5% служит индикатором изменения выходной мощности гиротрона свыше 5%.
Дополнительным индикатором отклонений в работе гиротрона служит осциллограмма с с.в.ч.-диода, установленного за отверстием в одном из зеркал передающей линии.
Источник питания оборудован системой защиты, отключающей выходное напряжение при возникновении с.в.ч.-пробоя на входных и выходных окнах передающей линии. Сигнал отключения формируется датчиком-фотодиодом, вспышка от пробоя передается к датчику по оптоволоконной линии.
Постоянное магнитное поле (1.95 Тл) в области резонатора гиротрона создается сверхпроводящим соленоидом с рабочим током ~57 А. Ввиду
резкой зависимости выходной мощности гиротрона от магнитного поля ток криомагнита поддерживается постоянным с точностью 20 мА. Вследствие конструктивных особенностей соленоида подъем тока до рабочих значений и его уменьшение до нуля по окончании работы должны проводиться с постоянной скоростью <2 А/мин.
Питание соленоида осуществляется регулируемым стабилизированным источником тока Agilent N5763A [5]. Источник оборудован контроллером с интерфейсом Ethernet и протоколом обмена информацией SCPI. Команды протокола обеспечивают задание тока источника, измерение выходного тока и напряжения.
Сверхпроводящая катушка охлаждается жидким гелием, для контроля уровня которого в резервуар встроен датчик на основе сверхпроводящей NbSn-проволоки. Через проволоку пропускается прогревающий ток 300 мА. Часть проволоки, погруженная в жидкий гелий, остается в состоянии сверхпроводимости, а по падению напряжения на оставшейся части проволоки вычисляется уровень жидкости в резервуаре.
Катод электронной пушки гиротрона — накаливаемый. Для удержания гиротрона в оптимальном режиме напряжение на накальной спирали стабилизируется с точностью 0.5%.
Питание накальной спирали, находящейся под высоким напряжением, осуществляется через развязывающий трансформатор с напряжением изоляции 100 кВ от лабораторного автотрансформатора со схемой стабилизации напряжения вторичной обмотки. Лабораторный трансформатор запитан от сети 220 В через твердотельное реле.
Схема стабилизации имеет низковольтный выход, пропорциональный выходному напряжению.
Вакуум в гиротроне поддерживается встроенным магниторазрядным насосом. По току магни-торазрядного насоса можно судить о качестве вакуума в лампе. При импульсах гиротрона до 5 мс с периодом несколько минут ток насоса не превышает 5 мкА.
Для подачи напряжения на насос используется источник питания, состоящий из трансформатора, выпрямителя, шунта для измерения тока и твердотельного реле для включения питания. Выходное напряжение источника составляет 5 кВ, максимальный ток — 100 мкА.
Гиротрон оборудован водяной системой охлаждения. В нашем случае используется дистиллированная вода, контроль работы системы осуществляется при помощи датчиков расхода воды.
ТРЕБОВАНИЯ К СИСТЕМЕ УПРАВЛЕНИЯ
Задачи, возлагаемые на систему управления, заключаются в выводе гиротронов на заданный режим, поддержании этого режима работы, диа-
гностике параметров комплекса и выключении комплекса по окончании серии экспериментов или в случае возникновения опасной ситуации.
Комплекс способен функционировать как в автономном режиме, используемом при настройке гиротронов, так и в составе установки ГДЛ.
При совместной с установкой ГДЛ работе интерфейс системы управления э.ц.р.-комплексом интегрирован в систему управления установкой и доступен с рабочего места любого из операторов. Рабочий цикл системы э.ц.р.-нагрева синхронизирован с рабочим циклом установки.
Рабочие места операторов (до 20 человек) системы управления установкой ГДЛ базируются на тонких клиентах (X-сервер, Thinstation), выборочно подключаемых к двум серверам приложений, работающим под управлением ОС ScientificLinux 5. Полноценная интеграция системы управления э.ц.р.-нагрева в систему управления установки реализуется при запуске программы управления комплексом на сервере приложений, поддерживающем базы данных и архивы установки.
Система синхронизации рабочих циклов аппаратуры установки ГДЛ подразделяется на "быструю" и "медленную". Процессы, протекающие в рабочем цикле установки (во время поддержания магнитного поля), синхронизирует "быстрая" часть системы, реализованная аппаратно на структуре из последовательно соединенных программируемых блоков задержек. Дискретность и точность этой части системы находится в пределах 1 мкс, диапазон времен ~100 мс.
За процессы, протекающие вне рабочего цикла, отвечает "медленная" часть системы синхронизации, базирующаяся на программном протоколе обмена сообщениями и аппаратных блоках релейного типа. Дискретность и точность этой части ~1 с, диапазон времен ~1 ч.
Для запуска одного гиротрона используют
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.