Aktuální vydání

celé číslo

08

2019

MSV 2019 v Brně

celé číslo

Hardware a software National Instruments při měření teploty a hustoty plazmatu na tokamaku Compass

V Ústavu fyziky plazmatu AV ČR byl vyvinut systém pro měření teploty a hustoty vysoko­teplotního plazmatu. Tento systém využívá rychlé PXI karty firmy National Instruments (NI) pro digitalizaci signálu a LabVIEW jako řídicí software. Všechny kanály modu­lů použitých pro sběr dat jsou přesně synchronizovány s referenčním taktem systému NI PXI-6653. Použitím techniky NI TClk a vestavěných fázových závěsů PLL bylo dosa­ženo časového rozdílu mezi vzorky na jednotlivých kanálech (inter-channel skew) pod 300 ps, přestože jde o systém s velkým počtem kanálů.
 
Nukleární fúze je zdrojem energie hvězd. Jde o proces slučování několika atomových jader, při kterém vzniká jedi­né, těžší jádro. Při slučování lehkých jader vodíku se uvol­ňuje velké množství energie. Fúze má potenciál stát se bez­pečným, čistým a v podstatě neomezeným zdrojem energie pro budoucí generace. Pro ci­vilní využití jsou problémem obtížně dosažitelné podmín­ky pro její provoz – teplota stovky milionů stupňů Cel­sia, vysoká hodnota součinu doby udržení a hustoty. Udr­žení plazmatu pomocí mag­netického pole by mohlo pře­konat obtíže spojené s jader­nou fúzí a přispět k tomu, aby bylo možné používat jadernou fúzi jako zdroj energie. Jed­nou z technik k udržení hor­kého plazmatu nutného k fúzi je použití tokamaků (zkratka ruských slov znamenající „to­roidní komora magnetické cívky“).
 

Tokamak Compass

 
Tokamak je zařízení schopné držet vy­sokoteplotní plazma pomocí magnetického pole. Ústav fyziky plazmatu Akademie věd ČR, v. v. i., člen sdružení EURATOM (Eu­ropean Atomic Energy Community), se účast­ní celosvětového fúzního výzkumného pro­gramu. Tokamak Compass (obr. 1) (COM­Pact ASSembly), původně umístěný ve Velké Británii v CCFE Culham (Culham Centre for Fusion Energy), byl instalován v Ústavu fyziky plazmatu v Praze. Na nově zřízeném pracovišti v ČR proběhl první plazmový vý­boj v prosinci 2008.
 

Thomsonův rozptyl

 
Ke zkoumání, řízení a zachování rovno­váhy plazmatu je zapotřebí sada diagnostic­kých nástrojů. Mezi nejdůležitější parametry při výzkumu plazmatu patří teplota a husto­ta plazmatu. Thomsonův rozptyl (Thomson Scattering – TS) je jedinečná diagnostická metoda vhodná pro tento účel. Jejími vý­hodami jsou přesná lokalizace, vícebodové (profilové) měření a absolutní měření. Ne­dostatkem Thomsonova rozptylu je jeho slo­žitý návrh vzhledem k velmi malé efektivi­tě tohoto fyzikálního jevu. Princip je podob­ný, jaký používají policejní radary k měření rychlosti. Policejní radar vydává monofrekvenční zvuk, jehož frekvence se odrazem od jedoucího automobilu změní a je přijat zpět detektorem. U Thomsonova rozptylu se pou­žívá monochromatické světlo laseru, které se rozptyluje na rychlých částicích plazmatu a je snímáno detektorem. Ze změny vlnové délky světla je možné dopočítat teplotu plazmatu, která souvisí s rychlostí částic.
 
Systém Thomsonova rozptylu (obr. 2) je na tokamaku právě konstruován [3]. Systém se v zásadě skládá z velmi výkonných laserů, detektorů a rychlých A/D převodníků. Byly použity dva lasery typu neodym-YAG, které oba mají opakovací frekvenci 30 Hz s energií pulzu 1,5 J. Laserové záření prochází plazma­tem a je částečně rozptýleno. Při tomto roz­ptylu je rozptýleno spektrum monochromatic­kého záření. Rozptýlené záření je z 56 bodů v prostoru vedeno složitou kolekční optikou a optickými vlákny do detektorů (polychro­mátorů navržených v CCFE), v nichž je záře­ní rozkládáno kaskádou spektrálních filtrů až do pěti spektrální kanálů, a následně převe­deno na elektrický signál lavinovými fotodi­odami (APD – Avalanche Photodiodes). Na­konec je signál z každé lavinové diody digi­talizován rychlými A/D převodníky.
 

Požadavky na sběr dat

 
Trvání jednoho laserového pulzu je 8 ns a lasery mohou pracovat v různých režimech: oba lasery současně nebo každý samostatně s nastavitelným zpožděním (1 μs až 16,6 ms). Požadavky na rychlé analogově-digitální pře­vodníky (A/D) vycházejí z požadavků na digitalizaci takových signálů s dostatečnou vzorkovací frekvencí, aby bylo možné re­konstruovat časový průběh laserového pulzu.
 

Hardware

 
Každý kanál má dvě složky dané elektro­nikou – pomalou a rychlou složku signálu. Ty jsou digitalizovány samostatně. Pro rychlou složku jsou použity rychlé A/D převodníky NI PXI-5152. Pomalá složka signálu je di­gitalizována kartami D-tAcq ACQ196CPCI. Rychlé A/D převodníky převádějí data rych­lostí jedna miliarda vzorků za sekundu s os­mibitovým rozlišením, přičemž časový posun vzorků z různých kanálů (inter-channel skew) je méně než 300 ps. Tyto A/D karty (pro kaž­dé dva kanály jedna karta) mají interní paměť 8 MB a jsou uloženy ve čtyřech skříních PXI-1045 (obr. 3).
 
V první, nadřazené (master) skříni je umístěna vestavná řídicí jednotka PXI-8110 s čtyřjádrovým procesorem, společně se spouštěcími a časovacími deskami pro syn­chronizaci zbývajících tří podřízených (sla­ve) skříní. Řídicí skříň uchovává data, provádí výpočty a komunikuje s podřízenými skříně­mi prostřednictvím sběrnice MXI-4 a s deska­mi pomalých A/D převodníků a řídicími sys­témem (CODAC) prostřednictvím Ethernetu. Všechny kanály ze všech modulů jsou přes­ně synchronizovány pomocí generátoru ho­dinových pulzů NI PXI-6653. Použitím me­tody NI TClk a zabudovaných fázových zá­věsů PLL (Phase-Locked Loop) lze v tomto systému s velkým počtem kanálů dosáhnout časového posunu vzorkování na různých ka­nálech pod 300 ps. Pro pomalý A/D převod se používají dvě karty s A/D převodníky o vzor­kovací frekvenci 500 000 vzorků za sekun­du. Byly použity dvě karty, každá s 96 kaná­ly, 400MHz procesorem RISC a interní pa­mětí 512 MB.
 

Software

 
Program pro řízení A/D převodníků pro Thomsonův rozptyl byl vyvinut v grafickém vývojovém prostředí LabView. K základ­ním funkcím softwaru patří nastavení pa­rametrů, sběr a zobrazení získaných zázna­mů a ukládání dat do souboru. Do systému budou ještě začleněny další funkce, jako je analýza dat, datová rozhraní a v budoucnos­ti ještě jiné funkce podle potřeby. Software běží na operačním systému Microsoft Win­dows. V budoucnu by bylo možné použít mo­dul LabView Real-Time a program vykoná­vat deterministicky pod operačním systémem reálného času.
 

Sběr dat

 
Laserové pulzy spouštějí sběr dat, proto je časování laseru v současnosti omezujícím faktorem pro činnost Thomsonova rozptylu v reálném čase. Protože hardware i software pro sběr dat (DAQ) z Thomsonova rozpty­lu jsou modulární, lze v budoucnosti rozší­řit počet A/D převodníků. Data jsou sbírá­na v segmentech a ukládána až po měření. Díky tomu mohou být data z jednotlivých segmentů zaznamenávána v rozestupu pou­ze 1 µs. Každý segment představuje jeden laserový pulz nebo dvojici pulzů – v reži­mu, kdy se lasery spouštějí současně nebo s velmi malým zpožděním (méně než 1 µs). Hardwarový spouštěcí pulz (trigger) přichá­zející z laserů zahájí sběr dat z každého seg­mentu bez zásahu operačního systému. Po ukončení experimentu (výboje plazmatu) jsou data ze všech segmentů načtena z in­terních pamětí jednotlivých A/D převodní­ků do vestavného počítače řídicí skříně, kde jsou tato surová data zpracována a posléze uložena. V tomto modulu jsou uložena i ka­librační data a vestavný počítač má přístup k pomalu vzorkovaným datům záření pozadí z pomalých A/D převodníků a datům o ener­gii laserů z detektoru energie. Zpracováním všech vstupních dat se získají údaje o tep­lotě a hustotě plazmatu, které jsou odeslány do centrálního systému CODAC.
 

Závěr

 
Systém sběru dat navržený pro diagnos­tiku Thomsonovým rozptylem na tokamaku COMPASS dokáže měřit časový průběh roz­ptýleného záření, a tím poskytovat informa­ce, které jsou třeba k rekonstrukci teploty a hustoty. Umožňuje rovněž měření v růz­ných nastaveních rozestupu laserů, a tím zvy­šuje šanci pro detekci zajímavých událos­tí v plazmatu.
 
Obr. 1. Tokamak Compass instalovaný v Ústavu fyziky plaz­matu AV ČR v Praze
Obr. 2. Schéma měření a sběru dat při Thomsonově rozptylu na tokamaku Compass
 

Tab. 1. Parametry systému pro sběr dat Thomsonova rozptylu na tokamaku Compass