Milan Aftanas, Institute of Plasma Physics AS CR, v.v.i.
Entwicklung eines Tokamak-Messsystems zur Erfüllung der strengen Anforderungen an die magnetische Eindämmung der kontrollierten Kernfusion.
Mit der Software NI LabVIEW und PXI-Hardware wurde ein komplettes Fusionsplasma-Messsystem erstellt, das wir in Zukunft bei Bedarf aktualisieren können.
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.
Kernfusion ist die natürliche Energiequelle der Sterne. Es ist der Prozess, bei dem mehrere Atomkerne zu einem einzigen schwereren Kern verschmelzen. Die Verbindung von leichten Kernen wie Wasserstoff erzeugt eine große Energieemission. Fusion hat das Potenzial, eine sichere, saubere und praktisch unbegrenzte Energiequelle für zukünftige Erzeugung zu sein. Hohe Anforderungen erschweren jedoch eine kontrollierte Fusion für zivile Zwecke. Magnetische Eindämmung könnte ein Weg sein, die Schwierigkeiten der Kernfusion zu überwinden, damit wir diesen Prozess als Energiequelle nutzen können. Kürzlich haben wir Tokamaks als die vielversprechendsten Geräte für den magnetischen Einschluss identifiziert und heute sind Tokamaks näher an der Fusion als alle anderen magnetischen Einschluss- oder Trägheitsfusionsgeräte.
Ein Tokamak ist eine Maschine, die mithilfe eines Magnetfelds Plasma mit hoher Temperatur und hoher Dichte aufrechterhalten kann. Das Institut für Plasmaphysik ASCR, v.v.i., Mitglied der Europäischen Atomgemeinschaft (EURATOM), beteiligt sich am weltweiten Fusionsforschungsprogramm. Wir haben den Tokamak COMPASS (Abbildung 1), der sich ursprünglich im CCFE Culham, Großbritannien befand, im IPP Prag, Tschechien, neu installiert [1]. Das erste Plasma wurde im Dezember 2008 eingesperrt.
Um das Plasmaverhalten zu erforschen und zu kontrollieren und sein Gleichgewicht aufrechtzuerhalten, brauchten wir eine Reihe von Diagnosewerkzeugen. Einer der wichtigsten Parameter für die Fusionsplasmaforschung ist die Plasmatemperatur und -dichte. Die Thomson-Streuung (TS) ist hierfür eine einzigartige Diagnostik. Es handelt sich um eine lasergestützte Plasmadiagnostik [2], die hochlokalisierte Messungen ermöglicht. Einige Nachteile der TS sind sein komplexes Design und der aufgrund seiner sehr geringen Streueffizienz erforderliche beträchtliche Aufbau.
Das TS-System befindet sich derzeit auf COMPASS im Aufbau [3]. Abbildung 2 zeigt den schematischen Aufbau dieses Systems. Im Wesentlichen besteht es aus Hochleistungslasern, Polychromatoren zur Messung von Streuspektren und schnellen Analog-Digital-Wandlern (ADCs). Wir verwendeten zwei Neodym-dotierte Yttrium-Aluminium-Granat (Nd:YAG)-Laser, beide mit 30 Hz Wiederholungsraten und einer maximalen Ausgangsenergie von 1,5 J. Laserlicht geht durch das Plasma und wird teilweise gestreut. Monochromatisches Licht wird durch die Streuung spektral verbreitert. Streulicht von 56 Raumpunkten wird durch den Komplex aus Sammeloptiken und optischen Fasern zu Polychromatoren (entworfen am CCFE, Großbritannien) geleitet, wo das einfallende Licht durch eine Kaskade von Spektralfiltern und Avalanche-Photodioden (APD) spektral analysiert wird. Das System verwendet für jeden Polychromator bis zu fünf Spektralkanäle zur Spektralbestimmung. Schließlich wird das Signal von jedem APD von schnellen ADCs digitalisiert.
Die Dauer eines Laserpulses beträgt 8 ns und Laser können in verschiedenen Regimen betrieben werden (siehe Abbildung 3): beide Laser gleichzeitig oder beide Laser getrennt mit einstellbarer Zeitverzögerung (1 μs–16,6 ms). Die Anforderungen an schnelle ADCs spiegeln die Notwendigkeit wider, solche Signale mit ausreichender Abtastrate zu digitalisieren, um die Entwicklung der Laserpulszeit zu rekonstruieren.
Wir verwendeten einen Hochgeschwindigkeits-Digitalisierer NI PXI-5152 und langsame D-tAcq ACQ196CPCI-ADC-Karten, um Signale von allen Polychromatoren (120 Spektralkanäle) synchron zu digitalisieren. Die schnellen ADCs konvertieren Daten mit einem hohen Durchsatz von 1 GS/s, einer Auflösung von 8 Bit und einem Interchannel-Skew von weniger als 300 ps. Diese ADC-Karten (zwei Kanäle pro Karte) verfügen über 8 MB Onboard-Speicher pro Kanal und sind in vier PXI-1045-Chassis untergebracht.
Das erste Chassis, auch Master-Chassis genannt, enthält einen eingebetteten Quad-Core-Controller PXI-8110 sowie Trigger- und Timing-Karten, um die verbleibenden drei Slave-Chassis zu synchronisieren. Das Master-Chassis speichert Daten, führt Berechnungen durch und kommuniziert mit den Slaves über eine Fernbedienung und mit den langsamen ADC-Karten und dem COMPASS-Steuerungssystem (CODAC) über Ethernet. Alle Kanäle aller Chassis sind eng mit dem Referenztakt des NI PXI-6653 synchronisiert. Mit der NI-TClk-Technologie und integrierten Phasenregelkreisen (PLLs) können wir selbst in diesem System mit hoher Kanalzahl einen Interchannel-Skew von weniger als 300 ps erreichen. Die langsamen Digitizer verfügen über einen 16-Bit-ADC pro Kanal für echten simultanen Analogeingang mit einer Abtastrate von 500 kS/s. Wir haben zwei langsame ADC-Karten mit jeweils 96 Kanälen, einen RISC-Prozessor (Reduced Instruction Set Computing) mit 400 MHz und 512 MB Onboard-Speicher verwendet.
Wir haben LabVIEW verwendet, um das Programm zu schreiben, das die Digitalisierer im TS-System steuert. Die grundlegende Softwarefunktionalität umfasst die Parametereinstellung, das Scharfschalten des Triggers, das Erfassen und Anzeigen von erfassten Datensätzen und das Speichern von Daten in einer Datei (siehe Abbildung 4). Bei Bedarf werden wir in Zukunft weitere Features wie Analyse, Datenschnittstellen und mehr einbauen. Die Software läuft unter Microsoft Windows. Wir könnten das LabVIEW Real-Time Module in Zukunft für den deterministischen Betrieb innerhalb des Tokamak-Regelkreises verwenden.
Die Laserpulse lösen die Datenerfassung aus, daher ist das Lasertiming derzeit der limitierende Faktor der Echtzeit-TS auf COMPASS. Da die Hardware und Software von TS DAQ modular sind, können wir in Zukunft die Anzahl der Digitalisierer erhöhen und sie möglicherweise mithilfe des eingebetteten Computers im Master-Chassis lasertriggern. Die Daten werden in Segmenten erfasst.
Dank der Multirecord-Erfassungsfunktion des Digitalisierer NI PXI-5152 können die Segmente mit nur 1 µs dazwischen erfasst werden. Jedes Segment repräsentiert einen Laserpuls oder Doppelpulse im Regime, wenn Laser gleichzeitig oder mit einer sehr kleinen Verzögerung (weniger als 1 µs) feuern. Ein von den Lasern kommender Hardware-Triggerimpuls initiiert jede Segmenterfassung ohne Eingriff des Betriebssystems. Nach dem Experiment (Plasmaschuss) laden wir alle Segmente zusammen aus dem Onboard-Speicher jedes Digitalisierer auf den Embedded-Computer des Master-Chassis, wo die Rohdaten verarbeitet werden. Dort werden Kalibrierungsdaten gespeichert und es hat Zugriff auf die langsam abgetastete Hintergrundstrahlung der langsamen ADCs und die Laserenergiedaten des Energiemonitors. Das System integriert das Streusignal, während die durchgeführten Berechnungen von Temperatur und Dichte über Ethernet an CODAC gesendet werden.
Das COMPASS DAQ-System für die Thomson-Streuungsdiagnostik ist in der Lage, die Entwicklung des gestreuten Signals zu messen und liefert uns somit Informationen, die wir zur Rekonstruktion der Temperatur- und Dichteprofile benötigen. Es ermöglicht uns auch, das Signal von drei geplanten Laser-Timing-Einstellungen zu messen, die wir für die Messung bei verschiedenen Plasmabedingungen benötigen.
Bis jetzt haben wir alle Thomson-Streusysteme getestet und das Raman-Streusignal gemessen.
Wir danken unseren englischen Kollegen vom Culham Laboratory, nämlich Dr. Michael Walsh (ITER-Organisation, Frankreich) und Dr. Rory Scannell, Dr. Graham Naylor und Dr. Martin Dunstan (Culham Centre for Fusion Energy, UK) für die großartige Hilfe und Zusammenarbeit bei diesem Projekt. Ein Teil des MAST-Designs wurde übernommen.
[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. und Meth. A (2010), doi:10.1016/j.nima.2010.03.121
Die Arbeiten wurden durchgeführt und unterstützt durch die Zuwendungen GA CR Nr. 202/09/1467, UFP AVCR (#AV0Z20430508), MSMT #7G10072 und Euratom. Die hier geäußerten Ansichten und Meinungen spiegeln nicht unbedingt die der Europäischen Kommission wider.
Mailand Aftanas
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