Система напуска газа в ионный источник инжектора атомов токамака Глобус-М

Внедрение: 2017 г.

Учеными из Санкт-Петербурга был применён модуль E14‑140‑M‑D в новой системе напуска газа в газоразрядную камеру источника ионов, обеспечивающей возможность регулировать режим горения дугового разряда и параметры плазменного эмиттера ионов сферического токамака Глобус‑М [1]. Нейтральная инжекция водородного или дейтериевого пучка с энергией частиц до 30 keV стала одним из основных методов дополнительного нагрева плазмы на токамаке Глобус‑М. 

В качестве устройства, регулирующего поток газа в новой системе газонапуска инжектора атомов, был применён клапан MaxTek MV112. Его пропускная способность в зависимости от приложенного к нему напряжения приведена на рисунке 1. Диапазон входных напряжений составляет от 0 до 100 V. 

Рисунок 1. Пропускная способность клапана MaxTek MV112 в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Одним из недостатков данного клапана является сильная нелинейность зависимости пропускной способности от приложенного напряжения на начальном участке, проявляющаяся как эффект "залипания" и снижающая стабильность срабатывания при приходе управляющего импульса. Для устранения указанного недостатка было предложено непрерывно подавать на клапан импульсы, которые эффективно устраняют эффект залипания, но при этом не открывают сам клапан.

В качестве устройства формирования управляющего сигнала был использован стандартный внешний модуль фирмы L‑Сard Е14‑140‑M‑D, связанный с управляющим компьютером через USB-интерфейс. Формирование импульса с выхода ЦАП Е14‑140‑M‑D осуществляется программно или по приходу внешнего запускающего импульса. Функциональная схема устройства и сигналы в основных контрольных точках представлены на рисунках 2 и 3.

Рисунок 2. Функциональная блок-схема модуля защиты и управления пьезоэлектрическим клапаном: Control signal – управляющий сигнал, Training signals generator – генератор тренировочных сигналов, Multiplexer – мультиплексор, Operation indicator – индикатор работы, Gate generator – генератор "ворот", Amplitude modulator – амплитудный модулятор, Square wave generator – генератор меандра, Amplifier – усилитель, Transformer – трансформатор.

Форма, амплитуда и длительность управляющего сигнала, также как и режим работы устройства, задаются в промежутках между выстрелами инжектора через специально разработанный программный интерфейс. 
 

Рисунок 3. Электрические сигналы в контрольных точках модуля.

Во время испытаний на клапан подавались управляющие сигналы различной формы. Всего было проработано порядка 30 вариантов управляющих сигналов. На рисунке 4 приведены три из них. 

Рисунок 4. Форма управляющих импульсов, подававшихся на клапан в разрядах # 320686 (a), # 320710 (b) и # 320693 (c). Время t₁ соответствует моменту прихода синхроимпульса от синхронизатора инжектора и началу формирования газовой мишени перезарядки, t₂ – поджигу дугового разряда в ионном источнике, t₃ – окончанию газонапуска и закрытию клапана перед окончанием разряда.

Результаты реконструкции профилей мощности пучка в конце разряда (t = 90 ms), где наиболее заметно влияние режима газонапуска, представлены на рисунке 5.

Рисунок 5. Реконструкция профиля мощности пучка для разрядов # 320686 (a), # 320710 (b) и # 320693 (c) на 90 ms.

Для инжектора атомов токамака Глобус‑М разработана новая система напуска газа на основе пьезоэлектрического клапана, позволившая регулировать режим работы ионного источника в течение импульса. Контроль над работой системы осуществляется с пульта управления инжектором через штатный компьютер. Работоспособность системы была проверена в эксперименте. Для инжектора токамака Глобус‑М с источником ионов ИПМ‑2 была подобрана оптимальная форма управляющего сигнала для системы подачи газа в газоразрядную камеру (ГРК). С учетом имеющегося у новой системы напуска газа запаса по пропускной способности она также может быть использована при работе с ионным источником ИПМ‑1, имеющим больший объем ГРК. Для этого потребуется только подобрать оптимальную форму управляющего сигнала.

Источник:
Разработка системы напуска газа в ионный источник инжектора атомов токамака Глобус‑М и оптимизация с ее помощью параметров атомного пучка // Журнал технической физики. – 2017. – Т. 87, вып. 7. – С. 1097‑1103.

Разработчики:

Тельнова А.Ю., Минаев В.Б., Щеголев П.Б., Разуменко Д.В., Курскиев Г.С. (Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, СПб), Лупин А.В. (Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого).

Разработчик: