トカマク​型​COMPASS​における​核融合​プラズマ​の​温度/​密度​の​計測、​LabVIEW​と​PXI​で​実現

"すべて​の​シャー​シ​の​すべて​の​チャンネル​は、​タイミング​制御​モジュール​で​ある​NI PXI-6653​から​の​リファレンス​クロック​と​厳密​に​同期​が​とら​れ​ます。​PXI-6653​が​内蔵​する​PLL​と​NI-​TClk​技術​を​活用​する​こと​で、​多​チャンネル​の​システム​において、​チャンネル​間​の​スキュー​を​300 ps​未満​に​抑える​こと​が​でき​ま​した。" ​

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

課題:

磁気​閉​じ​込​め​核融合​の​厳しい​制御​要件​を​満たす​トカマク​計測​システム​を​開発​する。 ​

ソリューション:

NI LabVIEW​と​PXI​ハードウェア​を​使用​し、​必要​に​応​じ​て​将来​拡張​が​可能​な​核融合​プラズマ​計測​システム​を​構築​する。 ​

作成​者:

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.

 

核融合​と​は、​複数​の​原子核​が​融合​し、​より​重い​単一​の​原子核​が​形成​さ​れる​反応​の​こと​です。​水素​など​の​軽い​原子核​を​融合​する​こと​で、​大きな​エネルギー​を​放射​させる​こと​が​でき​ます。​実際、​恒星​に​代表​さ​れる​よう​に、​核融合​は​巨大​な​エネルギー​源​として​自然界​に​存在​し​てい​ます。​この​こと​は、​安全​かつ​クリーン​で、​実質​的​に​無限​に​活用​できる​発電​用​エネルギー​源​として​核融合​を​利用​できる​可能性​が​ある​という​こと​を​意味​し​ます。​ただし、​核融合​反応​の​制御​に​は​非常​に​厳しい​要件​が​存在​し​ます。​そのため、​核融合​反応​を​商用​利用​する​の​は​非常​に​困難​です。​そうした​なか​で、​プラズマ​を​磁気​で​閉じ込める​磁場​閉​じ​込​め​方式​が、​核融合​の​利用​の​難​し​さ​を​克服​し、​エネルギー​源​として​利用​できる​よう​に​する​方法​の​1​つ​として​注目​さ​れ​てい​ます。​最近​では、​トカマク​(Tokamak)​型​の​装置​が​磁気​閉​じ​込​め​に​最も​有望​な​もの​で​ある​と​考え​ら​れ​てい​ます。​現在、​トカマク​型​の​装置​は、​磁気​閉​じ​込​め​または​慣性​核融合​を​目的​と​する​ほか​の​どの​装置​より​も、​核融合​の​実用​化​に​向け​た​有望​な​存在​と​な​って​い​ます。

 

 

COMPASS――​トカマク​型​の​装置

トカマク​型​の​装置​は、​磁場​を​用​い​て​高温​で​高密度​の​プラズマ​を​維持​し​ます。​私​たち​IPP(Institute of Plasma Physics ASCR, v.v.i.)​は、​欧州​原子力​共同​体​(EURATOM:European Atomic Energy Community)​に​属する​研究​機関​で​あり、​世界​的​な​核融合​研究​プログラム​に​参加​し​てい​ます。​その​一環​として、​英国​の​核融合​研究​カラム​センター​(CCFE:Culham Center for Fusion Energy)​に​設置​さ​れ​てい​た​トカマク​型​装置​で​ある​COMPASS(図​1)​を、​チェコ​共和国​の​IPP Prague(プラハ)​に​再​設置​しま​した​[1]。​最初​に​プラズマ​の​閉​じ​込​め​を​行​っ​た​の​は​2008​年​12​月​の​こと​です。

 

トムソン​散乱

プラズマ​の​動き​を​研究​し、​それ​を​制御​し​て​均衡​を​維持​する​に​は、​一連​の​診断​ツール​が​必要​で​した。​核融合​における​プラズマ​に関して​研究​する​際、​非常​に​重要​な​意味​を​持つ​パラメータ​は、​プラズマ​の​温度​と​密度​です。​これ​に関する​優​れ​た​診断​手法​に、​トムソン​散乱​(TS:Thomson scattering)​を​利用​する​方法​が​あり​ます。​TS​は​レーザ​を​用​い​た​プラズマ​診断​方法​で​あり​[2]、​非常​に​局所​的​な​計測​が​行​え​ます。​一方、​TS​の​欠点​として​は、​設計​が​複雑​で​ある​こと​が​挙​げ​ら​れ​ます。​また、​散乱​効率​が​非常​に​低い​ため、​かなり​大規模​な​設備​が​必要​に​なり​ます。

 

 

現在、​私​たち​は​COMPASS​上​に、​TS​に​対応​した​システム​を​構築​し​てい​ます​[3]。​図​2​に​示す​の​が、​その​システム​の​構成​図​です。​高​出力​の​レーザ、​散乱​スペクトル​を​計測​する​ポリ​クロ​メータ、​高速​な​A-​D​コンバータ​(以下、​ADC)​が​基本​的​な​構成​要素​です。​この​システム​では、​2​つ​の​Nd:YAG(Neodymium-​doped Yttrium Aluminum Garnet)​レーザ​を​使用​しま​した。​いずれ​も、​繰り返し​率​は​30 Hz、​最大​出力​エネルギー​は​1.5 J​です。​レーザ​光​は​プラズマ​を​通過​した​結果、​部分​的​に​散乱​を​起​こ​し​ます。​この​散乱​によって、​もともと​の​単色​光​の​波長​の​一部​が​変化​し、​スペクトル​の​範囲​が​広がり​ます。​そして​空間​中​の​56​の​ポイント​から​の​散乱​光​が、​複雑​な​集​光​部品​と​光​ファイバ​を​通過​し​て​ポリ​クロ​メータ​(CCFE​が​設計)​に​引き​渡​さ​れ​ます。​ポリ​クロ​メータ​では、​複数​の​スペクトル​フィルタ​と​ア​バラ​ン​シ​ェ​フォト​ダイオード​(APD:Avalanche Photodiode)​によって​入力​光​の​スペクトル​解析​を​行い​ます。​この​システム​では、​各​ポリ​クロ​メータ​に​最大​5​つ​の​スペクトル​チャンネル​を​設け​て​おり、​それら​によって​スペクトル​の​判定​を​行い​ます。​最後​に、​各​APD​から​の​信号​が​高速​ADC​に​引き​渡​さ​れ​て​デジタル​データ​に​変換​さ​れ​ます。

 

 

データ​集録​の​要件

レーザ​の​1​パルス​の​継続​時間​は​8 ns​です。​両方​の​レーザ​を​同時に​動作​させる​こと​も​でき​ます​が、​1 μs​~​16.6 ms​の​範囲​で​片方​の​待ち時間​を​調整​し​て​別々​に​動作​させる​こと​も​可能​です​(図​3)。​高速​ADC​では、​この​よう​な​信号​を​十分​に​高い​サンプリング​レート​で​デジタル​データ​に​変換​し​ます。​言い換えれば、​この​よう​な​パルス​の​時間​的​な​変化​を​忠実​に​とら​え​られる​よう​に​サンプリング​しな​け​れ​ば​なり​ま​せん。

 

システム​の​ハードウェア

すべて​の​ポリ​クロ​メータ​(120​スペクトル​チャンネル)​から​の​信号​は、​高速​デジタイザ​の​NI PXI-5152 と​低速​ADC​カード​の​ACQ196CPCI(D-​TACQ Solutions​社​製)​によって​同時に​デジタル​データ​に​変換​し​ます。​PXI-5152​は、​1 GS/​秒​の​高い​スループット、​8​ビット​の​分解能、​300 ps​未満​の​チャンネル​間​スキュー​で​データ​を​変換​し​ます。​2​チャンネル​を​備え​た​ADC​モジュール​で​あり、​チャンネル​当たり​8 MB​の​メモリー​を​備え​てい​ます。​システム​では、​このPXI-5152を​収容​した​PXI​シャー​シ​(PXI-1045)​を​4​台​使用​し​ます。

 

1​台​目​の​シャー​シ​は、​マスタ​シャー​シ​です。​これ​に​は、​ク​アッ​ド​コア​の​プロセッサ​を​搭載​する​組​込​コントローラ(PXI-8110)​に​加​えて、​残り​3​台​の​スレーブ​シャー​シ​の​同期​を​とる​ため​の​トリガ​用・​タイミング​用​の​モジュール​を​収容​し​てい​ます。​マスタ​シャー​シ​は、​データ​の​格納、​演算​の​実行、​リモート​コントローラ​を​介​した​スレーブ​シャー​シ​と​の​通信​を​実行​し​ます。​また、​Ethernet を​介​し​て​低速​ADC​カード​および​COMPASS​の​制御​システム​(CODAC)​と​の​通信​も​行い​ます。​すべて​の​シャー​シ​の​すべて​の​チャンネル​は、​タイミング​制御​モジュール​で​ある​NI PXI-6653から​の​リファレンス​クロック​と​厳密​に​同期​が​とら​れ​ます。​PXI-6653​が​内蔵​する​PLL(位相​同期​回路)​と​NI-​TClk​技術​により、​チャンネル​数​の​多い​この​システム​において​チャンネル​間​の​スキュー​を​300 ps​未満​に​抑える​こと​が​でき​ま​した。​低速​ADC​カード​は、​チャンネル​当たり​1​つ​の​ADC​を​備え​てい​ます。​その​分解能​は​16​ビット​で​あり、​アナログ​入力​信号​を​500 kS/​秒​の​レート​で​サンプリング​し​ます。​2​枚​の​低速​ADC​カード​(いずれ​も​96​チャンネル)​に​加​え、​クロック​周波数​が​400 MHz​の​RISC(Reduced Instruction Set Computer)​プロセッサ​と​512 MB​の​オン​ボード​メモリ​を​使用​しま​した。

 

 

システム​の​ソフトウェア

TS​対応​システム​の​デジタイザ​を​制御​する​プログラムはLabVIEWを​使用​し​て​開発​しま​した​(図​4)。​ソフトウェア​による​基本​的​な​機能​として​は、​パラメータ​の​設定、​トリガ​の​設定、​データ​の​集録​と​集録​した​データ​の​表示、​データ​の​保存​(ファイル​へ​の​出力)​など​が​あり​ます。​将来​的​に​は、​解析​機能​や​データ​用​の​インタフェース​といった​もの​も​必要​に​応​じ​て​追加​する​予定​です。​開発​した​ソフトウェア​は、​Windows​上​で​動作​し​ます。​将来​的​に​は、​トカマク​の​制御​ループ​内​における​確定​的​な​動作にLabVIEW Real-​Time​モジュール を​使用​する​かも​し​れ​ま​せん。

 

 

DAQ​機能

COMPASS​では、​レーザ​の​パルス​を​トリガ​として​データ​の​集録​(DAQ)​を​行い​ます。​この​こと​から、​レーザ​の​タイミング​が​TS​対応​システム​の​リアルタイム​性​を​制限​する​要因​と​な​って​い​ます。​DAQ​用​の​ハードウェア​と​ソフトウェア​は​モジュール​式​なので、​将来​的​に​は​デジタイザ​の​数​を​増​や​し、​マスタ​シャー​シ​内​の​組​込​コンピュータ​を​使​って、​レーザ​による​トリガ​を​かけ​られる​よう​に​する​かも​し​れ​ま​せん。

 

データ​は​セグメント​に​分け​て​集録​し​ます。​NI PXI-5152​の​マルチ​レコード​集録​機能​により、​セグメント​の​収録​は​1 μs​という​短い​間隔​で​行​え​ます。​各​セグメント​は​レーザ​の​単一​パルス​に​対応​し​ます​が、​レーザ​を​同時に​発射​する​か、​非常​に​短い​待ち時間​(1 μs​未満)​で​発射​した​場合​の​2​つ​の​パルス​に​も​対応​可能​です。​レーザ​から​の​ハードウェア​ベース​の​トリガ​パルス​によって、​OS​が​介入​する​こと​なく、​各​セグメント​の​集録​が​開始​さ​れ​ます。​プラズマ​の​放射​後、​すべて​の​セグメント​を​各​デジタイザ​の​内蔵​メモリ​から​マスタ​シャー​シ​の​組​込​コンピュータ​に​ロード​し、​そこで​ロー​(raw)​データ​に対する​処理​を​行い​ます。​キ​ャ​リ​ブ​レ​ー​ション​データ​は​組​込​コンピュータ​に​保存​さ​れ​ます。​組​込​コンピュータ​から​は、​低速​ADC​で​サンプリング​さ​れ​た​バックグラウンド​放射​の​データ​と、​エネルギー​モニタ​から​得​た​レーザ​エネルギー​の​データ​に​アクセス​でき​ます。​システム​は​散乱​信号​を​積分​する​一方で、​温度​と​密度​の​算出​結果​を​Ethernet を​介​し​て​CODAC​へ​と​送信​し​ます。

 

まとめ

COMPASS​に​設置​した​TS​対応​の​DAQ​システム​により、​散乱​信号​の​変化​を​計測​する​こと​が​可能​に​なり​ま​した。​これ​によって、​温度​と​密度​の​プロファイル​の​再​構成​に​必要​な​情報​を​得る​こと​が​でき​ます。​また、​プラズマ​の​さまざま​な​条件​の​下​で​計測​を​行う​ため​に、​レーザ​に関して​あらかじめ​設定​し​て​おい​た​3​種​の​タイミング​で​信号​の​計測​を​行う​こと​が​可能​です。
​現在​は、​TS​対応​システム​全体​の​テスト​を​終​え、​ラ​マン​散乱​信号​の​測定​を​行​って​い​ます。

 

謝辞

この​プロジェクト​に対して、​カラム​研究​の​同僚​として​多大​な​ご​支援​と​ご​協力​を​賜​り​ま​した​Dr. Michael Walsh​氏​(フランス​の​ITER)、​Dr. Rory Scannell​氏、​Dr. Graham Naylor​氏、​Dr. Martin Dunstan​氏​(CCFE)​に​感謝​し​ます。​MAST​設計​の​一部​を​採用​し​てい​ます。

 

参考文献

[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

 

この​研究​は、​GA CR no. 202/09/1467、​UFP AVCR(#AV0Z20430508)、​MSMT #7G10072、​Euratom​から​助成​金​を​得て​実施​しま​した。​ただし、​本稿​の​内容​は、​必ずしも​欧州​委員​会​(EC)​の​見解​や​意見​を​反映​する​もの​では​ありま​せん。

 

Author Information:

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

​ ​IPP Prague​に設置された​Tokamak COMPASS ​
​ ​TS​対応​システム​の​構成 ​
​ ​レーザー​の​発射​タイミング ​
​ ​LabVIEW​で​開発​した​制御​アプリケーション ​