научная статья по теме СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ЭЛЕКТРОННОГО ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСНОГО НАГРЕВА НА УСТАНОВКЕ ГДЛ Физика

Текст научной статьи на тему «СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ЭЛЕКТРОННОГО ЦИКЛОТРОННОГО РЕЗОНАНСНОГО НАГРЕВА НА УСТАНОВКЕ ГДЛ»

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.

Показать целиком