诊断中性束热量测试系统的设计与实现

　　0　引　　言

　　诊断中性束(Diagnostic Neutral Beam,简称DNB)是对Tokamak提供诊断的中性束流。通过诊断中性束装置产生的束流轰击Tokamak中的等离子体,利用对反射束流测量,可以诊断等离子体的参数(如温度等),调整Tokamak运行状态,使其产生的等离子体性能达到最佳[1-4]。为测量DNB热量,开发了专用测试系统,它由功率测量靶、承热导体、热电偶及通信模块等组成。

　　功率测量靶是根据热力学原理设计的一个铜的惯性靶,承热导体是接受中性束脉冲流的一个大质量的导体,热电偶器件用以感温,Sensoray2600系列智能模块实现通信和数据处理。

　　1　系统整体结构

　　1·1　DNB系统简介

　　DNB系统的结构如图1所示。

　　离子源产生高能离子束,经加速电极加速进入中性化室,离子束在中性化室被中性化;在主真空室,一部分未中性化的高能离子将被偏转磁铁偏转掉,使它们脱离高能中性束线,被离子吞食器吸收;中性束经漂移管道进入Tokamak[5,6]。分子泵和低温泵主要是为了保持主真空室所需的真空度。前功率测量靶和后准直靶在需要时对束流进行测量。前功率测量靶能够对束能量进行测量,而后准直靶不但能进行束能量测量,而且还能同时测量光谱束成分,并起到准直作用[7,8]。

　　1·2　热量测量装置

　　热量测量装置(即后准直靶)如图2所示。功率测量靶可以在水平方向移动,靶面在真空室中,与外界是隔离的。当需要测量束流功率时,即可通过气缸带动连杆将测量靶移到适当位置,使靶面垂直拦截束流。束流轰击测量靶面,其热量被测量靶吸收,使束流能量完全转化为热量。通过检测靶上各测量元件获得的热量即可得到确定脉宽束流的功率大小和分布情况。测量热量的关健是对温度的测量,由于束流轰击的时间很短(100 ms),温度在轰击的瞬间变化很大,所以必须捕获在此时间内温度的变化。显然测温元件的响应必须很快,才能实现对动态温度的测量;另一方面,测温元件一度的温升代表的功率值约为5 kW,所以温度测量准确度必须高,才能有效地减小功率测量的误差。

　　为此,选定K型热电偶作为测温元件。这种热电偶温度计具有结构简单、制造方便、测量范围宽、精确度高、热惯性小、输出信号便于远传和转换等优点。

　　1·3　Sensoray 2600系列网络智能模块的选用

　　DNB功率测量系统采用了实时工业输入输出系列网络智能模块Sensoray 2600。该系列的各模块间用标准5类电缆相连,系统基于以太网以Client/Server(客户机/服务器)为体系结构。　　该系列中有一个主模块作为4个通道的连续通信的服务器和带有16个智能输入输出端口的网关。事实上,网络中可以根据需要无限量地连接多个主模块。主模块运用星形拓扑结构确保输入输出模块在网络中正常工作,每个主模块有16个输入输出端口分布通信,每个输入输出端口通信电路用光纤隔离,以此消除地面回路问题,因此具有很高的可靠性。另外主模块通过RS-232、RS-422及RS-485对其16个端口提供了4个异步连续的通信端口,每个端口分配1 kB的传输缓冲器和1 kB的接收缓冲器,在标准的波特率下执行,最高传输速率为11·5 kbps。