СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОЙ ПЛОТНОСТЬЮ ПЛАЗМЫ НА УСТАНОВКАХ ТИПА ТОКАМАК
ELECTRONIC PLASMA DENSITY CONTROL SYSTEM AT THE TOKAMAK TYPE PLANTS

Изобретение относится к области физики плазмы и исследований по управляемому термоядерному синтезу (УТС) на установках типа токамак. Предлагаемое техническое решение направлено на обеспечение работы системы газонапуска в разрядную камеру токамака для получения устойчивых разрядов и для организации надежной диагностики плазмы. Чтобы разряд был стабильным и устойчивым во времени, необходимо соблюдение по крайней мере двух условий:
1) обеспечение выбранного оптимального начального давления рабочего газа в разрядной камере для обеспечения начала разряда;
2) обеспечение заданного временного хода потока газа на стадии роста тока плазмы, а также в квазистационарном режиме разряда для регулирования плотности плазмы.
Подача рабочего газа в камеру токамака обеспечивается через быстродействующие пьезоклапаны (с постоянной времени <3 мс).
Первая стадия газонапуска необходима для обеспечения начальных условия получения разряда. На этой стадии управление газонапуском в камеру осуществляется по заданной программе с помощью ПИД-регулятора с обратной связью по датчику давления в камере токамака.
е
Вторая стадия газонапуска необходима для поддержания заданной в сценарии эксперимента плотности плазмы и осуществляется с помощью ПИД-регулятора с обратной связью по значению электронной плотности плазмы (n), вычисляемой в реальном времени по данным диагностики СВЧ-интерферометра. Полученные разности между заданным и фактическим значениями электронной плотности плазмы и обрабатываются ПИД-регулятором, и по результатам обработки производится управление пьезоклапанами газонапуска. Усиление потока газа увеличивает значение электронной плотности плазмы, а уменьшение потока газа приводит к снижению электронной плотности плазмы. Контроль плотности плазмы в режиме реального времени необходим для формирования сигналов обратной связи для контура управления электронной плотностью плазменного шнура.
Известны устройства регулирования газонапуска в плазму см. АС №1376791, опубл. 23.03.90, Система газонапуска в разрядную камеру установки «Токамак15», препринт ИАЭ., Москва, 1986 г. Система газонапуска в термоядерных установках, опубл. 23.03.90.
Данная система основана на измерении сигнала МГД (Магнито-гидродинамической) активности. Сигнал с МГД зонда приходит на ПИД-регулятор, который сравнивает его с сигналом программы МГД. Далее ПИД-регулятор обрабатывает разностный сигнал по пропорционально-интегрально-дифференциальному закону и по результирующему сигналу происходит управление газонапуском.
Данное решение имеет следующие недостатки: при заданном уровне МГД возможно неоднозначное определение электронной плотности плазы в стационарной фазе разряда; при низком токе плазмы сигнал МГД имеет малую амплитуду и становится малоинформативным, что в свою очередь приводит к невозможности управления газонапуском.
Известно авторское свидетельство №1076841 «Преобразователь фаза-напряжение», опубл. 28.02.1984. Изобретение относится к фазометрической технике и представляет собой электронное устройство, содержащее формирователи импульсных последовательностей, сумматор импульсных последовательностей, фильтр нижних частот и выходной каскад, причем выход сумматора соединен с входом фильтра нижних частот, выход которого соединен с выходным каскадом, и направлено на измерение фазового сдвига электромагнитной волны.
Данное решение имеет следующие недостатки: в разряде при появлении помех или слишком быстром росте плотности плазмы возможно возникновение неоднозначности определения фазы, в связи с чем возникает некорректное управление клапаном газонапуска.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является Система контроля электронной плотности плазмы (nе) (В.Ф. Денисов, В.В. Хилиль "Одноканальный СВЧ-интерферометр для измерения концентрации плазмы в установке ТОКАМАК Т-7", препринт ИАЭ-3689/14, М., 1982 г.). Система предназначена для контроля плотности плазмы в режиме реального времени для формирования сигналов обратной связи для контура управления электронной плотностью плазменного шнура с помощью изменения газонапуска рабочего газа с помощью пьезоклапанов.
Данная система состоит из СВЧ-интерферометра, содержащего лампу обратной волны (ЛОВ), модулируемой генератором пилообразных колебаний, основной СВЧ-канал, проходящий через разрядную камеру ТОКАМАКа, опорный СВЧ-канал, проходящий в обход камеры ТОКАМАКа, детекторный блок СВЧ излучения, блок усиления и фильтрации, преобразователь фаза-напряжение.
Излучение ЛОВ разделяется на два канала: основной СВЧ-канал, проходящий через камеру ТОКАМАКа в детекторный блок и опорный СВЧ-канал, проходящий в обход камеры ТОКАМАКа в тот же детекторный блок. Усиленный с помощью блока усиления и фильтрации сигнал с детекторного блока попадает на преобразователь фаза-напряжение (ПФН), который производит сравнение этого сигнала с сигналом опорного канала, приходящего от генератора пилообразного напряжения в преобразователь фаза-напряжение и выдает значение вычисленной фазы. Вычисленное значение фазы, пересчитанное в единицы электронной плотности плазмы, передается на ПИД-регулятор, который сравнивает значение электронной плотности плазмы, соответствующее этому значению фазы, со значением электронной плотности плазмы, заданной с автоматизированного рабочего места АРМ оператора. После сравнения ПИД-регулятор вычисляет необходимые поправочные коэффициенты, на основании этих коэффициентов формирует выходной сигнал и передает его на цифро-аналоговый преобразователь ЦАП. Таким образом, преобразователь фаза-напряжение и ПИД-регулятор составляют модуль определения разности вычисленного и заданного значений электронной плотности плазмы. На цифроаналоговом преобразователе формируется управляющий сигнал, который подается на управляемый источник напряжения, после чего соединенный с ним пьезоклапан газонапуска открывается пропорционально этому напряжению, осуществляя поступление потока рабочего газа в разрядную камеру токамака.
Недостатком системы является то, что при высокой скорости нарастания плотности плазмы возникают неоднозначности определения фазы, что приводит к некорректному управлению пьезоклапаном газонапуска.
Технической проблемой и результатом, решаемыми изобретением, является обеспечение точного соответствия фазы и открытия клапана газонапуска при высокой скорости нарастания плотности плазмы, что позволит более гибко управлять разрядом и предотвращать его срывы.
Для достижения указанного результата предложена система управления электронной плотностью плазмы на установках типа токамак, состоящая из СВЧ интерферометра 1, с опорным каналом 19 и основным каналом 18, проходящим через камеру токамака 2, на одном конце которого установлена лампа обратной волны ЛОВ 3, соединенная каналом сигнала модуляции 20 с генератором модулирующего сигнала 11, а на другом - блок детекторов СВЧ излучения 4, соединенный с опорным каналом СВЧ интерферометра 19 и через блок усилителей 5 и модулем определения разности вычисленного и заданного значений фазы с управляемым источником напряжения 7, выход которого соединен с пьезоклапаном газонапуска 21, при этом модуль определения разности вычисленного и заданного значений фазы соединен с AMP оператора, при этом модуль определения разности вычисленного и заданного значений фазы выполнен в виде аппаратно-программного комплекса АПК 6, состоящего из генератора модулирующего сигнала 11, соединенного каналом модуляции волны 20 с лампой обратной волны 3, модуля синхронизации 12, соединенного по входу каналами сигнала синхронизации начала газонапуска 16 и сигнала синхронизации запуска интерферометра 17 с АРМ оператора, блока оцифровки сигнала АЦП 8, вход которого соединен с блоком усиления и фильтрации 5, а выход с первым входом блока вычисления фазового набега 9, второй вход которой соединен с выходом модуля синхронизации 12, а выход с первым входом блока управления 10, второй вход которого соединен каналом связи 15 с установленной на АРМ модулем программы электронной плотности плазмы, а выход через блок согласования цифровых и аналоговых сигналов 13 со входом управляемого источника напряжения 7.
Кроме того, блок управления 10 соединен с блоком хранения данных 22.
На фиг. 1 дана блок-схема системы управления электронной плотностью плазмы (nе) на установках типа токамак, которую можно использовать, например, на токамаке Т-10.
На схеме: 1 - СВЧ интерферометр;
2 - камера ТОКАМАКа;
3 - лампа обратной волны;
4 - блок детекторов СВЧ излучения;
5 - блок усиления и фильтрации;
6 - АПК «ED-control»;
7 - управляемый источник напряжения;
15 - канал связи с модулем программы электронной плотности плазмы;
16 - канал сигнала синхронизации начала газонапуска;
17 - канал сигнала синхронизации запуска интерферометра;
18 - основной СВЧ - канал интерферометра;
19 - опорный СВЧ-канал интерферометра;
20 - канал сигнала модуляции ЛОВ.
21 - пьезоклапан газонапуска;
22 - блок хранения данных.
На фиг. 2 дана блок-схема АПК «ED-CONTROL», где
8 - Блок оцифровки сигнала, выполненный на основе АЦП NI-5752 или NI-5752,
9 - Блок вычисления фазового набега, выполненный на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС)NI PXIe-7966R,
10 - Блок управления, выполненный на основе контроллера крейта PXIy-8135,
11 - Генератор модулирующего сигнала, выполненный на основе генератора сигналов NI PXI-5422,
12 - Модуль синхронизации выполненный на основе оборудования NI PXI-6682 или PXI-6683,
13 - Блок согласования цифровых и аналоговых сигналов, выполненный на основе АЦП/ЦАП NI PXIe-6358,
14 - Крейт PXIe-1075 или PXIe-1082.
АПК «ED-CONTROL» 6 построен на базе оборудования NI и содержит Блок управления - контроллер крейта PXIy-8135 10 с подключенными к нему Блок оцифровки сигнала - АЦП 8 NI-5752 или NI-5752, блок вычисления фазового набега 9, выполненный на основе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС)NI PXIe-7966R, генератором модулирующего сигнала 11, выполненным на основе генератора сигналов NI PXI-5422, модулем синхронизации 12, выполненным на основе NI PXI-6682 или PXI-6683, Блок согласования цифровых и аналоговых сигналов 13 - АЦП/ЦАП NI PXIe-6358. Все вышеперечисленное оборудование расположено в крейте 14 PXIe-1075 или PXIe-1082.
АПК «ED-CONTROL» 6 обеспечивает регистрацию опорного и до 31-го зондирующих сигналов (число опорных сигналов может быть увеличено за счет зондирующих) СВЧ интерферометра 1 с пространственным разделением лучей и с частотой модуляции 2 МГц. В реальном времени эксперимента осуществляется потоковая математическая обработка регистрируемых сигналов и вычисление фазового набега, пропорционального значению электронной плотности плазмы, для передачи в контур управления.
Высокое временное разрешение (до 1 МГц) детектирования фазы позволяет отследить быстрое изменение фазы в результате физических процессов при пелетт-ижекции в ТОКАМАКе.
После начала разряда в разрядной камере Токамака 2 на модуль синхронизации 12 с АРМ оператора по каналу 16 приходит сигнал синхронизации начала газонапуска и по каналу 17 сигнал синхронизации запуска СВЧ интерферометра 1. Одновременно с этим излучение от ЛОВ 3, разделенное на два канала: основной СВЧ-канал 18, проходящий через камеру токамака 2 и опорный СВЧ-канал 19, проходящий в обход камеры токамака 2, модулируется сигналом, проходящим по каналу модуляции 20 генератором модулирующего сигнала 11. Оба канала 18 и 19 соединены с блоком детекторов СВЧ излучения 4. Сигнал с 4 попадает на блок усиления и фильтрации 5. После усиления сигнал регистрируется блоком оцифровки сигнала АЦП 8. Модуль синхронизации 12 запускает программу на ПЛИС блока вычисления фазового набега 9 и данные из АЦП 8 передаются в память ПЛИС 9, в которой выполняется алгоритм предварительной обработки диагностических сигналов, вычисления фазового набега, преобразования единиц фазового набега в единицы электронной плотности плазмы и последующей передачи вычисленных значений в память контроллера крейта блока управления 10, на котором выполняется программа, выполняющая функции ПИД-регулятора, в котором происходит сравнение вычисленного значения электронной плотности плазмы со значением, поступающим по каналу связи 15 из модуля программы плотности плазмы, установленной в АРМ, и их разностный сигнал. Разностный сигнал передается в блок согласования цифровых и аналоговых сигналов ЦАП 13, после чего в соответствии с сигналом с ЦАП 13 на управляемом источнике напряжения 7 устанавливается соответствующее значение напряжения и пьезоклапан газонапуска 21 подает соответствующую порцию газа в камеру Токамака. После прохождения разряда данные из памяти блока управления 10 передаются в блок хранения данных 22.
Таким образом, данное решение позволяет обеспечить более гибкое управление электронной плотностью плазмы с помощью системы газонапуска в режиме реального времени, за счет более детального задания программы плотности, исключить возникновение ошибок в процессе газонапуска, т.к. позволяет вычислять фазовый набег в режиме реального времени и исключить появление перескоков фазы в полезном сигнале, более высокое быстродействие по сравнению с ПФН, за счет использования быстрых АЦП.