Nukleární fúze je zdrojem energie hvězd. Jde o process 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 tomu, jaký používají policejní radary k měření rychlosti. Policejní radar generuje monofrekvenční výstup, jehož frekvence se odrazem od jedoucího automobilu změní a je přijata 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 mají v obou případech 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 spektrálních 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 říd. 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, 400 MHz 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 např. analýza dat, datová rozhraní, příp. i jiné možnosti dle aktuální 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 - údajům 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 potřeba k rekonstrukci teploty a hustoty. Umožňuje rovněž měření v různých nastaveních rozestupu laserů a tím zvyšuje šanci pro detekci zajímavých událostí v plazmatu.

Poděkování

Pracovníci Ústavu fyziky plazmatu AV ČR děkují svým kolegům z laboratoří Culham ve Velké Británii, jmenovitě Dr. Michaelu Walshovi (ITER Organization, France) a Dr. Rory Scannellovi, Dr. Grahamu Naylorovi a Dr. Martinu Dunstanovi (Culham Center for Fusion Energy, UK) za značnou pomoc a také spolupráci na tomto projektu. Práce byla podpořena granty Grantové agentury ČR č. 202/09/1467, Ústavu fyziky plazmatu AV ČR (#AV0Z20430508), MŠMT ČR #7G10072 a sdružení Euratom. Názory a stanoviska vyjádřené v tomto článku nemusí nutně reflektovat názory Evropské komise. Poděkování patří také firmě National Instruments a Elcom a. s. za integraci systému.

Literatura:

• [1] PANEK, R.: Reinstallation of the COMPASS-D tokamak in IPP ASCR. Czechoslovak Journal of Czech Physics, 2006, 56 (Suppl. B), B125–B137.
• [2] DONNE, A. J. H. et al.: Laser-Aided Plasma Diagnostics. Fusion Science and Technology 2008, Vol. 53, s. 397–430.
• [3] BILKOVA, P. et al.: Design of new Thomson scattering diagnostic system on COMPASS tokamak. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A, Vol. 623, s. 656- -659.

Milan Aftanas, Ústav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i.

National Instruments (Czech Republic), s.r.o.

Dělnická 12, Praha 7 – Holešovice, 170 00, Česká republika

Tel: +420 224 235 774, Fax: +420 224 235 749

E-mail: ni.czech@ni.com, web: czech.ni.com

CZ: 800 142 669, SK: 0800 182 362