Einsatz von NI LabVIEW und PXI zur Messung der Temperatur und Dichte des Fusionsplasmas eines Tokamak COMPASS

"Die Kanäle aller Chassis sind eng mit dem Referenztakt des NI PXI-6653 synchronisiert. Mithilfe der Technologie NI TClk und integrierter Phasenregelschleifen können wir einen Zeitversatz zwischen den Kanälen von unter 300 ps erreichen, und das sogar bei einem System mit dieser hohen Kanalanzahl."

- Milan Aftanas, Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.

Die Aufgabe:

Entwicklung eines Tokamak-Messsystems zur Erfüllung strenger Auflagen für den magnetischen Einschluss kontrollierter Kernfusion

Die Lösung:

Einsatz der Software NI LabVIEW und der PXI-Hardware zur Erstellung eines vollständigen Systems zur Messung von Fusionsplasma, das bei Bedarf aktualisiert werden kann

Autor(en):

Milan Aftanas - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
Petra Bilkova - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
P. Bohm - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
V. Weinzettl - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
M. Hron - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i
R. Panek - Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
Dr. Daniel Kaminsky - Elcom, a. s.
T. Wittassek - Elcom, a.s.
M. Rumpel - Elcom, a.s.
J. Sima - Elcom, a.s.

 

Die Kernfusion ist die natürliche Energiequelle der Sterne. Es ist der Prozess, bei dem mehrere Atomkerne verschmelzen, um einen einzigen schwereren Kern zu bilden. Durch Zusammenfügen leichter Kerne, wie Wasserstoff, kommt es zu einer großen Abgabe von Energie. Fusion hat das Potenzial, eine sichere, saubere und praktisch unbegrenzte Energiequelle für zukünftige Generationen zu sein. Allerdings machen strenge Anforderungen eine kontrollierte Fusion zur Nutzung für zivile Zwecke sehr schwierig. Ein magnetischer Einschluss könnte eine Möglichkeit sein, die Schwierigkeiten der Kernfusion zu bewältigen, so dass dieser Prozess als saubere Energiequelle dienen kann. Wir fanden kürzlich heraus, dass Tokamaks die vielversprechendsten Fusionsreaktoren für den magnetischen Einschluss sind, wobei derzeit Tokamaks der Fusion näher sind als jedes andere Gerät für den magnetischen Einschluss oder die Trägheitsfusion.

 

Tokamak COMPASS

Beim Tokamak handelt es sich um eine Bauform, die Plasma hoher Temperatur und hoher Dichte mithilfe eines Magnetfelds einschließen kann. Das Institute of Plasma Physics ASCR, v.v.i., Mitglied der Europäischen Atomgemeinschaft (EURATOM), nimmt an einem weltweiten Fusionsforschungsprogramm teil. Wir stellten den COMPASS-Tokamak (Abbildung 1), der sich ursprünglich am CCFE Culham in Großbritannien befand, im IPP Prag [1] auf. Das erste Plasma wurde im Dezember 2008 eingeschlossen.

 

Thomson-Streuung

Um das Plasmaverhalten zu erforschen, zu steuern und sein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, benötigten wir eine Reihe von Diagnosewerkzeugen. Zu den wichtigsten Parametern bei der Erforschung von Fusionsplasma gehören die Plasmatemperatur und -dichte. Die Thomson-Streuung (TS) ist eine einzigartige Diagnostik für diesen Zweck. Dabei handelt es sich um eine lasergestützte Plasmadiagnostik [2], die örtlich stark begrenzte Messungen ermöglicht. Nachteile der TS sind das komplexe Design und der erhebliche bauliche Aufwand, der aufgrund ihrer sehr niedrigen Streueffizienz erforderlich ist.

 

Das TS-System wird derzeit für COMPASS gebaut [3]. Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau des Systems. Im Wesentlichen besteht es aus Hochleistungslasern, Polychromatoren zur Messung gestreuter Spektren und schnellen Analog-Digital-Wandlern (A/D-Wandlern). Wir nutzten zwei Nd:YAG-Laser (neodymdotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser), die beide Wiederholungsraten von 30 Hz und 1,5 J Hochleistungsenergie bieten. Das Laserlicht dringt durch das Plasma und wird teilweise gestreut, während. monochromatisches Licht durch die Streuung spektral verbreitert wird. Gestreutes Licht von 56 räumlichen Punkten wird von der komplexen Sammeloptik und den Lichtwellenleitern zu Polychromatoren (am CCEF entworfen) geleitet, wo das einfallende Licht auf sein Spektrum hin analysiert wird. Dazu werden stufenförmig angeordnete Spektralfilter und Avalanche-Photodioden (APD) eingesetzt. Das System verwendet bis zu fünf Spektralkanäle für jeden Polychromator zur Bestimmung des Spektrums. Abschließend wird das Signal aller APD von schnellen A/D-Wandlern digitalisiert.

 

Anforderungen an die Datenerfassung

Die Dauer eines Laserimpulses beträgt 8 ns und die Laser können in unterschiedlichen Betriebszuständen arbeiten (siehe Abbildung 3): beide Laser simultan oder beide Laser separat mit einer abstimmbaren Zeitverzögerung (1 μs bis 16,6 ms). Die Anforderungen an schnelle A/D-Wandler spiegeln die Vorgabe wider, solche Signale mit einer ausreichenden Abtastrate zu digitalisieren, um die zeitliche Auswirkung des Laserimpulses zu rekonstruieren.

 

 

Systemhardware

Wir setzten einen Hochgeschwindigkeits-Digitizer NI PXI-5152 und langsame ACQ196CPCI-ADC-Karten von D-tAcq ein, um die Signale aller Polychromatoren (120 Spektralkanäle) synchron zu digitalisieren. Die schnellen A/D-Wandler digitalisieren Daten mit einem hohen Durchsatz von 1 GS/s, 8-bit-Auflösung und einem Zeitversatz zwischen den Kanälen von unter 300 ps. Diese A/D-Wandlermodule (zwei Kanäle pro Karte) verfügen über einen integrierten Speicher von 8 MB pro Kanal und befinden sich in vier Chassis des Typs PXI-1045.

 

Das erste Chassis, auch Master-Chassis genannt, verfügt über einen Quad-Core-Embedded-Controller des Typs PXI-8110 sowie Timing- und Trigger-Karten, um die übrigen drei Slave-Chassis zu synchronisieren. Das Master-Chassis speichert Daten, führt Berechnungen aus und kommuniziert mit den Slaves über einen dezentralen Controller und mit den langsamen ADC-Karten sowie dem COMPASS-Steuersystem (CODAC) über Ethernet. Die Kanäle aller Chassis sind eng mit dem Referenztakt des NI PXI-6653 synchronisiert. Mithilfe der Technologie NI TClk und integrierter Phasenregelschleifen (PLL) können wir einen Zeitversatz zwischen den Kanälen von unter 300 ps erreichen, und das sogar bei einem System mit dieser hohen Kanalanzahl. Die langsamen Digitizer verfügen über A/D-Wandler mit 16 bit pro Kanal, um einen echten simultanen Analogeingang mit einer Abtastrate von 500 kS/s bereitzustellen. Wir nutzten die langsamen ADC-Karten, jede mit 96 Kanälen, einen 400-MHz-RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computing) sowie einen integrierten Speicher mit 512 MB.

 

Systemsoftware

Mit LabVIEW schrieben wir das Programm, das die Digitizer im TS-System steuert. Zu den Grundfunktionen der Software gehören das Einrichten der Parameter, Aktivieren des Triggers, Erfassen und Anzeigen von Messwerten sowie Speichern der Daten in einer Datei (siehe Abbildung 4). Weitere Funktionen wie Analyse, Datenschnittstellen usw. werden bei Bedarf hinzugefügt. Die Software wird unter Microsoft Windows ausgeführt. In Zukunft könnten wir das LabVIEW Real-Time Module für den deterministischen Betrieb innerhalb der Tokamak-Steuerschleife nutzen.

 

Funktionen für die Datenerfassung

Die Laserimpulse lösen die Datenerfassung aus, so dass das Laser-Timing derzeit der begrenzende Faktor der Echtzeit-TS des COMPASS ist. Da die Datenerfassungshard- und -software für die TS modular ist, können wir in Zukunft die Anzahl der Digitizer erhöhen und sie möglicherweise mithilfe des Embedded-Computers im Master-Chassis per Laser auslösen. Die Daten werden dazu segmentweise erfasst.

 

Dank der Mehrfacherfassungsfunktion des Digitizers NI PXI-5152 können die Segmente mit einem Abstand von nur 1 µs erfasst werden. Jedes Segment stellt einen Laserimpuls dar bzw. zwei Impulse in dem Betriebszustand, in dem der Laserbeschuss simultan oder mit einer sehr geringen Verzögerung (unter 1 µs) erfolgt. Ein Hardwaretrigger, der über die Laser ausgelöst wird, startet die Erfassung eines jeden Segments, ohne dabei das Betriebssystem in Anspruch zu nehmen. Nach dem Experiment (Plasmaschuss) laden wir alle Segmente gemeinsam aus dem integrierten Speicher der Digitizer auf den Embedded-Computer des Master-Chassis, wo dann die Rohdaten verarbeitet werden. Dort werden auch Kalibrierdaten gespeichert und es besteht Zugriff auf die langsam abgetastete Hintergrundstrahlung der langsamen A/D-Wandler und die Laserenergiedaten des Monitors für die Energie. Das System integriert das gestreute Signal, während die Temperatur- und Dichteberechnungen über Ethernet an das COMPASS-Steuersystem geschickt werden.

 

Zusammenfassung

Das COMPASS-Datenerfassungssystem für die Diagnostik mittels Thomson-Streuung ist in der Lage, die Entwicklung gestreuter Signale zu messen und uns so die Informationen zu liefern, die wir für die Rekonstruktion der Temperatur- und Dichteprofile benötigen. Wir können damit auch das Signal dreier geplanter Laser-Timing-Einstellungen messen, die wir zur Messung verschiedener Plasmazustände benötigen.
Bisher haben wir das gesamte Thomson-Streuungssystem getestet und Signale der Raman-Streuung gemessen.

 

Danksagung

Wir möchten uns bei unseren englischen Kollegen des Culham-Labors, namentlich bei Dr. Michael Walsh (ITER Organization, Frankreich) und Dr. Rory Scannell, Dr. Graham Naylor und Dr. Martin Dunstan (Culham Center for Fusion Energy, Großbritannien), für die großartige Hilfe und Zusammenarbeit bei diesem Projekt bedanken. Ein Teil des MAST-Designs wurde übernommen.

 

Referenzen

[1] R. Panek, J. Czech Physics 56 (Suppl. B) (2006) B125-B137.
[2] A. J. H. Donne et al., Fus. Sci. and Technology 53, 397-430 (2008)
[3] P. Bilkova et al., Nucl. Instr. and Meth. A (2010), doi:10.1016/j.nima.2010.03.121

Diese Arbeit wurde durchgeführt und unterstützt durch die Zuschüsse GA CR Nr. 202/09/1467, UFP AVCR (#AV0Z20430508), MSMT #7G10072 und Euratom. Die hier geäußerten Ansichten und Meinungen spiegeln nicht notwendigerweise die der Europäischen Kommission wider.

 

Informationen zum Autor:

Milan Aftanas
Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
Za Slovankou 3
Prague 8 182 00
Czech Republic
aftanas@ipp.cas.cz

Tokamak COMPASS im IPP Prag
Schema des Thomson-Streuungssystems
Betriebszustände des Lasers
LabVIEW-Steuerroutine