Устройство регулирования газонапуска в плазму

соаэ соББтснихСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХВ-:СПУБЛИН 9)Я ОМИТЕТ СССР яний и отнятий(51)5 а 2 В ГОСУДАРСТБЕННЦПО ДаЛАМ ИЗОВ ЕТ ЕНИЯ(56) Артеменков П.И. идР.Эксперименты по управлению концентрацией плазмы в.токамаке ТО. Физика плазмы,.1978, т.4, вып. 4, с. 812-8)7.Р.ЯсЬпеЫег, Сопсго 11 ей Ровдоп апйР 1 азша РЬузьсз (Ргос. 9 еЬ Ецгор.Сопй, ОхйоМ, 1979), р. 1027-1032.(54) УСТРОЙСТВО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГАЗОПУСКА В ПЛАЗМУ(57) Изобретениекасается управленпроцессами в термоядерных установкаи может быть использовано для управления рациусом токового канала плазмы на термоядерных установках типа 7-88,.токамак, Цель изобретения - увеличение стабильности плазменных разрядов, т-, .т.е. увеличение количества разрядов,заданной длительности при заданномтоке плазмы с воспроиэводимостью основных параметров плазмы в пределахИОХ на протяжении цикла экспериментальной кампании. В устройство регу"лирования газонапуска в плазму с .помощью. обратной связи на установкахтипа токамак введены схема вЫделения огибающей .второй моды магнитодинамической активности плазмы, формирователь длительностей отпирающегоимпульса и постоянного добавочного ия напряжения и сумматор-ограничитель. х Схема выделенияогибающей второй моды .выполнена в виде детектора и восьми электромагнитных измерительныхзондов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.137679 бовХ ставитедь. А. хред М.Дидык орАе Зимокосо едактор Г.Бельская аказ 997 оизводствеино-полиграФическое предПриятие, г.Ужгород,ул.Проектная иь ИцМ Тираж 352 ВНИИПИ Государственн по делам изобретений 113035, Москва, Ж. Подписного комитета СССРи открцтийРауюская наб., д, 4/Изобретение касается управленияпроцессами в термоядерных установкахи может быть использованодля управления радиусом токового канала плаз-мы на термоядерных установках типатокамак,Цель изобретения - увеличениестабильности плазменных разрядов,т.е. увеличение количества разрядовзаданной длительности при заданномтоке плазмы с воспроизводимостьюосновных параметров плазмы в преде",,лах Ф 10 Х на протяжении цикла экспериментальной.кампании,На Фиг, 1 представлена структурнаясхема предлагаемого устройства, наФиг.2 - конкретная схема выделенияогибающей второй иоды магнитогидродинамической активности плазмы,.на 20Фиг.З - схема расположения электро-.магнитных измерительных зондов помалому обходу тора токамака,наФиг.4 - схема Формирователя длительностей отпирающего импульса и постоянного добавочного напряжения,:наФиг.5 - схема сумматора-ограничите.ля, на фиг.б - временная диаграммаработы устройства.Устройство регулирования газонапуска содержит Функциональный генератор 1, схему 2 алгебраического суммирования, регулятор 3, Формирователь 4 длительностей отпирающего им-.пульса и постоянного добавочного напряжения, сумматор-ограничитель 5,клапан б газонапуска в плазму 7,схему 8 выделения огибающей второйЙоды магнитогидродинамической актив. ности плазмы. Устройство имеет вход 9сигнала синхронизации начала разря-да,в плазме от системы синхронизациитокамака, вход 10 сигнала синхронизации конца разряда в плазме от сис-темы синхронизации токамака.Выход Функционального генератора 1соединен с положительным входом схемы 2 алгебраическогосуммирования.Выход схемы 2 соединен с входом ре-гулятора 3. Выход регулятора 3 соединен с первым входом сумматора-ограничителя 5. Первый вход Формирователя 4 длительностей атпирающего импульса и постоянного добавочного напряжения подсоединен и входу 9 сигнала синхронизации начала разряда в55плазме от системы синхронизации токамака, второй вход Формировагтеля 4 пад.сосдинен к входу 10 сигнала синхррни-зации конца разряда в плазме от системы синхронизации токамака. Первыйвыход формирователя 4 соединен с вторым входом сумматора-ограничителя 5,Второй выход формирователя 4 соединен с третьим входом сумматора-ограничителя 5. Выход сумматора-ограничителя 5 соединен с входом клапана 6 гаэонапуска, Выход схемы 8 выделения огибающей второй моды магнитогидродинамической (МГД) активности плеэмы соединен с отрицательным входом схемы 2.Схема 8 выделения огибающей второй моды магнитогидродинамической активности плазмы содержит восемь электромагнитных измерительных зондов 11-18 и детектор 19 (на фиг.2 и 3 н - начало зонда, к - конец зонда). .На Фнг.З представлена схема расположения электромагнитных измерительных зондов по малому обходу тора токамака, где К - большой радиус тора токамака. Зонды расположены по малому обходу тора под углами: зонд11 - 0 , зонд 12 - ЗО , зонд 13 - 90 О,зонд 14 - 120, зонд 15 - 180, зонд16 - 210 О, зонд 17 - 270 О, зонд 18 - 300 .Начало зонда 18 присоединено к общей шине конец зонда 18 подсоединен к началузонда 17, конец зонда 17 подсоединенк концу зонда 16, начало зонда 16 -к концу зонда 15, начало. зонда 15 -к началу зонда 14, конец зонда 14к началу зонда 13, конец зонда 13 -к концу зонда 12, начало зонда 12 -к концу зонда 11. Начало зонда 11подсоединено к входу детектора 19.Выход детектора 19 Н, является выходом схемы 8 выделенйя огибающейвторой Иоды ИГД-активности плазмьг.Формирователь 4 длительностей отпирающего импульса и постоянного до-:бавочного напряжения 4 содержит линию задержки 20, .КЯ-триггеры 21,22,резисторы 23, 24, электронные клю-.чи 25-28, резисторы 29, ЗО,Входы Бс 1 триггеров 21 и 22 и входлинии задержки 20 соединены между собои и являются первым входом ВхФормирователя 4. Вход М триггера 22 является вторым входом.Вх Формирователя 4. Выход линии задержки 20подсоединен к входу И триггера 21.Выходтриггера 21 присоединен куправляющему входу ключа 25 и черезрезистор.23 - к общей шине. Выход (триггера 21 присоединен к управляю-.1376791щему входу ключа 26, Коммутируемьй Ц - выходное напряжение сумматонлвход ключа 25 подсоединен через ре- ра-ограничителя 5, подаваемое наэнстор 29 к источнику напряжения +ц . клапан 6 гаэонапуск Илил гаэонапуска, макс - максимальВыход ключа 25 подсоединен к коммутч кое рабочее напряжение клапана 6руемому входу ключа 26 и является, газонапуска Ц в ми л н е рабо-.ка,в минимальн ра окроме того, первым выходом Вых, чее напряжение клапана 6 газокапуска формирователя 4. Выход ключа 26 под- С - текущее. время.соединен к общей шине. Выход Я .триг- Радиус токового какала плазмыгера 22 присоединен, к управляющему 10 однозначно характеризуется огибаювходу ключа 27 и через резистор 24 - . щей второй моды ИГД-активности. Ста-.к общей шине. Выходтриггера 22 бильны те плазменные разряды, в коприсоединек к управляющему входу клю- торых радиус токового канала изменя ча 28Коммутируемый выход ключа 27 ется.так, что огибающая второй моды присоединен через резистор 30 к ис развивается как показательная функточнику напряжения +Ц . Выход клю- ция времени на стадии линейного ча 27 подсоединен к коммутируемому роста тока плазмы и остается посто- входу ключа,28 и является, кроме то- янной величиной при неизменном токего, вторым выходом Вых, формиро- .плазмы. Схема 8 служит для выделения вателя. 4. Выход ключа 28 подсоединен 20 сигнала огибающей второй моды МГД- к общей шине, , активности, которая является регулиСумматор-ограничитель 5 содержит руемой выичиной. Функциональный гепостоянный резистор 3 1, транзистор нератор 1 задает такой ход развитияпостоянные резисторы 33, 34, пе- во времени регулируемой величины,32ременныйрезистор 35, транзистор 36, 25 который обеспечивает стабильныйпеременный резистор 37,транзистор 38. плазменный разряд: показательнуюПервый вход Вх сумматора-ограни-, . функцию времени от 1 = С до 1й чителя 5 подсоединей через резистор .(на стадии линейного роста тока плаэ к базе транзистора 32. ЭмиттеЭмиттер. мы) и постоянную величину, достигнутранзисторй 32 через резистор 33 под тую ко времени.=. с от= й досоединен к общей шине. Второй вход=(при неизменном токе плазмы).Вх и сумматора-ограничителя 5 подсое- . После окончания разряда, в плазме, динен к базе транзистора. 36. Эмиттер т,е, после-" й , функциональный гетранзистора 36 подсоединен к общей ши- нератор 1 задает нулевой уровень.не.Третий вход Вхэ о сумматора-ограни- Схема 2 производит алгебраичесчителя 5 подсоедикен к базе тран- ,кое суммирование задающего воэдейстзистора 38. Эмиттер транзистора 38 . вия от функционального генератора 1:1: подсоединен к общей шине. Коллекто-взятого с положительным знаком,. и ры транзисторов 32, 36, а также кол- регулируемой величины, взятой с отри- . лектор транзистора 38(через:резис- цательным зкаком Сигнал рассогласоф"40тор 37)соединены в общую точку. Эта . вания отрабатывается в регуляторе 3. общая точка через резисторы 35 и .34 . . Клапан 6 газонапуска открывается соединена .с положительным полюсом при минимальном рабочем напряжении источника высокого напряжения +Ц , У(различном для различных конк-Зыход Вых сумматора-ограничителя 5 ;ретных клапанов). При подаче на клаберется с резистора 34.пан 6 напряжения вьппе максимального ,.На временной диаграмме работы уст- . рабочего Ц (различногодля раэлич-:,макс роиства, представленнои на фнг.б,ных коккретнйх клапанов) расход газа Ю - напряжение на входе 9 сигнала . из клапана 6 уже не мекяетея, он ос-, синхронизации начала разряда в плаз-.: :тается максимальным. В пределах от ме от системы синхронизации токама- минимального рабочего до максималь 50ка Ц - напряжение на входе 10 сиг- ного рабочего напряжения клапан б нала синхронизации кокца разряда в работает в квазилинейном режиме от плазме от системы синхронизации то- минимального (нулевого) до максималькамака; Ц , - выходное напряжение ного расхода газа. При этом загаэдыфункционального генератора 1 6, - ванне открывания при подаче напряже 55выходное напряжение первого выходания на клапан 6 минимально для макси- формирователя 4; Ц - выходное напря- мального рабочего напряжения и увели-. жение второго выхода формирователя 4; чивается при уменьшении напряжения.5 13767В начале разряда (от 1 = С) на клапан 6 гаэонапуска подается короткийотпирающий импульс (до С = й ) длительностью й,- С , достаточной дляуверенного отпирания клапана 6, и напряжением, равным максимальному рабочему для данного клапана (см.фиг,б).После этого до конца разряда в плазме (до ,= С ), для исключения "за3 флипания клапана 6 при его закрытии(при низких величинах сигнала, подаваемого с регулятора 3), на клапан 6 в дополнение к напряжению с ре"гулятора 3 подается. постоянное добаночное напряжение, равное минимальному рабочему напряжению для данногоклапана,Все этого исключает запаздываниесрабатывания при открывании.в процессе его работы в течение разрядав плазме и, таким образом, уменьшаетошибку регулирования, повышает устойчивость системы регулирования,т.е. увеличивает стабильность плаз,менных разрядов, а кроме того, линеариэует клапан 6 гаэонапуска как эле 1мент системы автоматического регулиро"вания.Длительность отпирающего импульсаформируется в формирователе 4 припоступлении синхроимпульса началаразряда в плазме на вход 9 сигналасинхронизации, а значит, на первыйвход формирователя 4 и передаетсяв сумматор-ограничитель 5 с первоговыхода формирователя 4.на второй входсумматора-ограничителя 5, Длительность постоянного добавочного капряжения, формируется также в формирователе 4 при поступлении синхроимпульса40начала разряда на вход 9 сигналасинхронизации, а значит, на первыйвход формирователя 4.и синхроимпуль.са конца .разряда .на вход 10. сигналасинхронизации, азначит,на второйвход формирователя 4 и передается, вает напряжение с регулятора 3, недопуская появления отрицательного,напряжения при превышении фактического сигнала над заданщм, Фарииоует амплитуду отпирающего импульса, 55амплитуду постоянного. добавочногонапряжения (т.е. ограничивает напряжение, подаваемое на клапан 6, цо ми 1 =Б +О +О+ 04 фИГР ць,где 0,р"0ПдЦ,общая ИГД-активность,нулевая модапервая мода,вторая мода,ш-я мода,91 6нимуму), ограничивает напряжение,подаваемое на клапан 6, по максимуму, суммирует, от моментаТ.дой =3, напряжение от регулятора 3 и постоянное добавочное напряжение.Поток нейтрального газа из клапана 6 газонапуска охлаждает периферию .плазмы, тем самым сужая радиус токового канала плазмы и вызывая росс амплитуды огибающей второй моды ИГД-активности. Предлагаемое устройство увеличением газонапуска в плазму увеличивает амплитуду огибающей второй моды ИГД-активности, а уменьшением газонапуска (вплоть до его отключения) уменьшает амплитуду второй моды ИГД-активности; оно поз-. воляет изменять огибающую второй моды ИГД-активности так, чтобы обеспечивался стабильный плазменный разряд т.е. так, чтобы она.развивалась как показательная функция времени на стадии линейного роста тока плазмы и была постоянной величиной при неизменном токе плазмы.На токамаке Т"10 экспериментально показано, что повышение стабильности - плазменных разрядов оказывается возможным благодаря введению в устройство схемы 8 выделения огибающей второй моды ИГД-. активности плазмы, формирователя 4 длительностей отпи-, рающего импульса .и постоянного добавочного напряжения, сумматора-огра.ничителя 5.Схема 8 выделения огибающей вто.рой моды ИГД-активности плазмы рабо . тает следующим образом. ИГД-возмуще-: ния полоидального магнитного поля плазмы токамака являются периоди- . ческими и непрерывнымипо его малому обходу,а следовательно, допускают . пространственный гармонический ана- . лиз.Сигнал общей ИГД-активности плаз-. мы, в казкдый момент времени в каждойточке по малому обходу тора токамака.представляет собой сумму пространственных гармоник (мод):1376791 Каждая иэ модОьъ " мг- " ( "фьъ мго ф где 0, ( . амплйтуда щ-.ной моды, . 5- угол по малому обходу тора от точки отсчета,о - сдвиг по фазе, по маломуобходу тора.Сигнал, снимаемый с начала зонда 11 (О .), будет (см.фиг,2,3) для каждои щ-й моды равен х 8 а щ - Соз щ (4+ -). Я ., 5- 4 6 Анализируют это выражение:1) для нечетных мод О О так; Егекак:для них Соз щ - = О22) для щ =. О, щ 4, щ щ 8,щ 2, щ - 16, О О, так какУдля них 8 Ы щ- О,г 93) для щ щ б, щ 8, О О,так как для них Соз щ -О;/ 1еЭ 12 О 0, 83.а щу+ Ог 8 п щ ( у +-)- 15 4) для щ = 10, ш =, 14; согласно экспериментальным данным на установках типа токамак, моды с щ Ъ 6 практически отсутствуют (не наблюдаются).5) для щ " 2-0 81 п щ(Ч +-Я - О Дьа щ(Ч+-,),мг 4(вил 2 ф АД . 32- Соз(2 Ч +Л6). УОГА СОЗУ Соз 6 з 1 пМЩВ4 ГЗ Ор, 81 п(2 Ч+ От 5+ ) 3Суммируя попарно первый член совторым,.третий с четвертым, пятый сшестым, седьмой с восьмым и, исполь-.зуя формулу 2 81 п("щ -) Соз щ (Ч+ -3)е,Я 5;- 4 б .ф Сигнал, поступающий на вход детектора 19, 0 = О .= 43 Оц, 1 а(24+-) .ффА 2 6Детектор 19 преобразует сигнал с коА+В А+В81 пА + БхпВ = 281 п в -"Созк2 2 3 О зРфициентом усиления Кф4 43где А и В - любые два угла, получают Сигнал с выхода детектора 19, являющийся выходом схемы 8,0, Л- "-, 2 Яха щ(у+ - ) Соз щ --. "д" ОмгдЮКчд" Огд(2О мгА(п 12 12 . Таким образом, схема 8 производит28 хп щ М+ -рИ) Соз щ - + 28 и щ(+ 35 вьцеление огибающей второй моды ИГД 7 ,И12 2активности плазмы.;Вынося:в,левую часть 2 Соз шмикросхеме К 153 УД 6,123 402 формирователь 4 длительностей оти суммируя члены первый и третий, .пирающего импульса и постоянного до"второй и четвертый, получают .бавочного напряжения работает следую-.О з ,,- 4. щим образом. При включении питания281 п щ (9+24 )45 выходытриггеров 21 и 22, благода 20 игА(Сов щ д .ря резисторам 23 и 24, устанавливаютх Соз ш. - -2 Зп ш (9+ - 1) Сов ш . я Р положение ) = О, а выходыЕЬ 3; . с11 1д2 24 2( - в положение Ч =. " 1 " . Ключи 2 6 и. ), . . 28 замкнуты, а 2 5 и 2 7 - разомкнуты .Х , , 5 ОНа выходах Вюс, и Вых , при этомСоз 5 Сов"сыч 2 12 . нулевые потенцйалы. С приходом синхроимпульса начала разряда на первый вход Вхформирователя 4 (моментвремеи С щ С ), выходы Я триггеров55 ,2 и 22 устанавливаются в положениеоткуда получают1", а Я, - в положение "О". КлючиЛ26 и 28 размыкаются, а .25 и 27 замыф 2 12О -80,г Соз ш - Соз ш - хкаются. Напряжение +Огчерез резис91 Озистор 31 на базу транзистора 32, Сигнал длительностиотпирающего импульса поступает на базу транзистора 36 (второй вход сумматора-ограничителя 5), Сигнал длительности постоянного добавочного напряжения поступает на базу транзистора 38 (третий вход сумматора-ограничителя 5), Напряжение источника высокого напря жения +Пвыбирается исходя из того, что оно должно быть самым большим возможным максимальным рабочим напряжением для клапана 6 газонапуска, Выходное напряжение сумматора-ограничителя 5, снимаемое с резистора 34,34 къ 2 къ 6 33,фу=К (1 +1 +1 )где Кз, - сопротивление резистора 34,1 - коллекторный ток транзисто-.кцра 32,1 - коллекторный ток транзискытора 36,1 - коллекторный ток транзистора 38.Причем 1 . при открытом состоянииКЪ 6ключевого транзистора 36+ Д 122,. . кз 6 ( К / /К) +Ка 1 при открытом состоянии ключево-. 1 ц го транзистора 38,+ Пип 8 .(К, 77 К)+К +К, где К, - сопротивление клапана 6,газонапуска,К ,К - сопротивление резисторов3535 и 37 соответственно.Функциональный генератор 1 можетбыть стандартно реализован на микропроцессоре (например, типа К 580ИК 80) и управляемом от него цифроаналоговом.преобразователе (например,типа К 594 ПА 1)Схема 2 алгеб-.раического суммирования, регулятор 3.и клапан б гаэонапуска в плазму также стандартные.Предлагаемое устройство, испытанное на токамаке, надежно и удобнов эксплуатации. Количество стабильных разрядов увеличено. Применение предлагаемого устройства.позволяет увеличить стабильность плазменных разрядов, т;е, увеличить количество разрядов заданной .длитель-, ности при заданном токе плазмы с вос 9 13767тор 29 дает высокий потенциал на выход Вых, , а через резистор 30 -высокий потенциал на выход Вых;Резисторы 29 и 30 служат для защитыот коротких замыканий и для заданиявыходных токов. Синхроимпульс начала разряда в плазме с задержкойС - С приходит на вход К д триггера21 Это вызывает переключение.триггера 21 в положение ( - 0",-" "1",возвращение ключей 28 и 26 в исходное положение и, следовательно, появление на выходе Вых ; опять нулевоГо потенциала. С приходом синхроимпульса конца разряда на второй входВх , Формирователя 4 (момент времени С : С ) триггер 22 возвращаетсяв исходное положение, Я д "О"Д =".1"Это вызывает возвращение ключей. 27и 28 в исходное положение и появле-.ние на выходе Вых опять нулевогопотенциала, Таким образом, происхо"дит Формирование длительностей от-пирающего импульса и постоянногодобавочного напряжения. Линия задержки может быть выполнена на микросхеме К 155 АГЗ, триггеры 21 и 22 -,на микросхеме К 155 ТИ 2, электронныеключи 25-28 - на микросхемах К 143КТ 1 .30Сумматор-ограничитель 5 работаетследующим образом. Резисторы 31 и 33и транзистор 32, работающий в усилительном режиме, усиливают сигнал свыхода регулятора 3 и одновременноне допускают появления отрицательного напряжения с выхода регулятора 3.Транзистор 36, работающий в ключевомрежиме, служит для формирования амп-.литуды открывающего импульса. Резистор 37 и транзистор 38, работающийтакже в ключевом режиме, служат для Формирования амплитуды постоянногодобавочного напряжения, причем амплитуда устанавливается изменением со 45противления резистора. Резистор 34 служит для уменьшения постоянной . времени срабатывания клапана, резистор 35 - для. ограничения напряжения,подаваемого на клапан, 6 газонапус, ка, до максимального рабочего и для Формирования амплитуды отпирающего импульса (она равна максимальному рабочему напряжению), причем ампли .туда устанавливается изменением со 55 . противления резистора. Сигнал от регулятора 3 (первый вход суююатораограничителя 5) поступает через ре13767 11производнмостью основных параметровплазмы в пределах +107 ка протяжениицикла экспериментальной кампании, аэто приводит к удешевлению экспери 5ментальной информации, так как дляполучения одних и тех же данных требуется меньшее количество разрядов .установки токамак.10 Формула изобретения1. Устройство регулирования газонапуска в плазму с помощью обратной . связи на установках типа токамак,содержащее функциональный генератор,схему алгебраического суммированияфактического сигнала с заданным, ре.гулятор, клапан газонапуска и системусинхронизации токамака с двумя выхо" дами, на одном из которых формируется .сигнал начала, а на другом -сигнал конца разряда в плазме, о т-, л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения стабильности плазменных разрядов, в него введены схема выде:ленин огибающей второй моды магнито-гидродинамической актквкости плазмы,выход которой подсоединен к отрица-, тельному входу схемы алгебраического . суммирования, формирователь длительностей отпирающего импульса и посто-. янного добавочного напряжения и сум-матор-ограничитель, при этом первый . вход формирователя длительностей отпирающего импульса и постоянного добавочного канряжения.подсоединен к выходу системы синхронизации токама: ка, на котором формируется сигнал 91 12качала разряда в плазме, второй входформирователя дЛктельностей отпирающего импульса и постоянного добавочного напряжения подсоединен к выходусистемы синхронизации токамака, какстором форгдт.руется сигнал конца раз.ряда л плазме, первый выход ф;-мирователя длительностей отпкрающего им-пульса и постоянного добавочного напряжения подсоединен к второму входусумматора-ограничителя, второй выходФормирователя длительностей отпираю-,щего импульса и постояннсго добавоч-ного напряжения подсоединен к третье"му входу сумматора-огракичитсля, кпервому входу сумматора-ограничителя подсоединен выход регулятора, авыход сумматора-огракиччтеля подсое";динен к, клапану газокап ска,2, Устройство по п,1, о т л и ч аю щ е е ся тем что схема выделенияогибающей второй мацы магнитогидро-динамической активности плазмы выполнена в виде детектора и восьми.. электромагнитных измерителькых зон- .дов, расположеккых по окружности ма.лого радиуса токамака попарно .на равном расстоянии пар друг от друга; так, что угловое расстояние межцузондами в паре лежит в пределах27-33 О, при этом начало последнего. зонда присоединено к общей шине, начало первого зонда присоединено к:: входу детектора, все зонды соединены друг с другом последовательно,а в каждой паре - по дифферекциальной схеме по отношению к наводимому1них сигнд