CN113051857A - 一种中性束离子源时序控制系统及控制方法 - Google Patents

一种中性束离子源时序控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种中性束离子源时序控制系统及控制方法，涉及核聚变技术领域，解决了现有时序控制系统中的脉冲调制功能单一、时间精度低、脉冲同步性差的问题，其技术方案要点是：包括参数设置模块、时序控制模块、故障保护模块、控制电源模块、数据采集模块；本发明实现了时序控制器通道自由增减、参数可调、时序逻辑关系可自动配置，并采用网页进行参数设置，通过FPGA可编程控制器完成了离子源平台时序控制脉冲器的设计，保证了控制精度和逻辑的统一性要求，同时系统具备抗干扰、可靠性高和自动化程度高等特点，可广泛应用于离子源现场。

Description

一种中性束离子源时序控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及核聚变技术领域，更具体地说，它涉及一种中性束离子源时序控制系统及控制方法。
背景技术
在托克马克磁约束核聚变实验中，由于欧姆加热的局限性要进一步提高等离子体的温度,需采用中性束注入加热、波加热等辅助加热手段，其中中性束注入是目前加热效率最高、物理机制最清楚的加热手段，在托克马克磁约束核聚变装置中得到了广泛的应用，中性束热阴极离子源测试平台是离子源研制的基本系统，其功能是开展不同尺寸和不同设计指标的大功率离子源的弧放电实验调试、高压电极锻炼和束流引出调试，从实验上完成离子源的定型过程。目前中性束的工作模式大都采用脉冲调制方式进行工作，因此需要设计完成满足控制需要的时序系统。
目前，中性束离子源时序系统主要采用实时操作系统驱动数字卡或采用PLC加毫秒箱及微秒箱组成的时序控制系统，采用此种方式构架的离子源控制时序系统都存在一些缺点：(1)采用实时系统驱动数字采集卡的时钟系统由于操作系统的并行线程不能保证完全的统一造成系统输出的控制脉冲出现相位延迟；(2)采用PLC、微妙箱、毫秒箱构成的时序控制系统由于PLC本身信号只有毫秒量级影响了系统的整体控制精度；(3)此外目前大多数中性束控制系统都只具备主动脉冲调制方式，所以一旦有离子源电极出现击穿的情况出现将导致整个离子源放电实验的终止。
因此，研究设计一种能在出现离子源电极出现击穿时进行自动处理故障，并同时具有良好的控制脉冲精度和正确的逻辑运行方法的离子源时序脉冲控制系统具有重要意义。
发明内容
为解决现有时序控制系统中的脉冲调制功能单一、时间精度低、脉冲同步性差的问题，本发明的目的是提供一种中性束离子源时序控制系统设计以及控制方法的说明。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
第一方面，提供了一种中性束离子源时序控制系统，包括参数设置模块、时序控制模块、故障保护模块、控制电源模块、数据采集模块；
参数设置模块，用于对时序控制参数进行设置，并将设置结果通过FTP文件传输至时序控制模块；
时序控制模块，用于根据时序控制参数设置结果产生控制离子源平台内相关设备运行的时序控制脉冲，并根据故障保护模块输出的故障反馈信号输出保护控制信号；
控制电源模块，用于根据接收到的时序控制脉冲启动后向离子源平台内相应的相关设备供电，并根据接收到的保护控制信号进行相应的保护动作；
故障保护模块，用于实时监测离子源平台内相关设备的运行情况，并根据监测到的故障信号向时序控制模块实时发出故障反馈信号；
数据采集模块，用于采集与记录放电期间内离子源平台的工作参数、离子源束流的引出参数，并对离子源平台的工作参数、离子源束流的引出参数进行显示。
进一步的，所述时序控制参数包括脉冲通道、脉冲个数、脉冲启动条件以及脉冲间的逻辑关系。
进一步的，所述时序控制模块控制生成脉冲的上升和下降时间精度小于50ns，时序控制模块处理故障反馈信号的处理时间小于1ms。
进一步的，所述时序控制模块的脉冲控制具体为：
以FPGA为核心，并采用并行处理、逻辑跳转、状态保护和线程互锁的方式进行时序控制脉冲器的设计；
以及，以10MHz为基准时钟，并通过对基准时钟进行倍频和分频技术处理实现对不同时序控制脉冲的调制。
进一步的，所述控制电源模块包括磁缓冲器电源、偏转磁体电源、灯丝电源、弧电源、气阀电源、高压电源、抑制级电源。
进一步的，所述数据采集模块包括低采样频率采集器和高采样频率采集器；
低采样频率采集器，用于采集放电期间内离子源平台的工作参数；
高采样频率采集器，用于采集放电期间内离子源束流的引出参数。
第二方面，本发明提供了一种中性束离子源的时序控制方法，包括以下步骤：
S101：时序控制器发送启动零时刻脉冲作为触发脉冲信号，离子源平台电源、送气装置、采集系统接收到触发脉冲信号后进入启动就绪状态；
S102：磁缓冲器电源、偏转磁体电源、灯丝电源和慢数据采集系统接收待触发脉冲信号后协同启动灯丝电流逐步达到额定态；
S103：弧电源接收到触发脉冲信号后启动，同时在预设时间内电流逐渐爬升达到平顶并发出稳态信号；
S104：弧电源达到稳态后，启动弧打坑脉冲调制、高压加速电源、抑制级电源协同工作实现离子源束流的控制，同时触发启动高速采集系统记录离子源束流信息。
进一步的，所述灯丝电流的额定态为：离子源灯丝电源接收到触发脉冲信号后灯丝开始预热，直至电流逐步上升到达平顶。
进一步的，所述离子源弧打坑脉冲调制时序包括主动调制和被动调试。
进一步的，所述离子源放电过程对于电极打火击穿采用被动调制进行故障自动化处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明实现了时序控制器通道自由增减、参数可调、时序逻辑关系可自动配置，并采用网页进行参数设置，通过FPGA可编程控制器完成了离子源平台时序控制脉冲器的设计，保证了控制精度要求和逻辑的统一性要求；同时在离子源的束流控制中设计了两种不同的调制方式进行离子源放电时的束流控制，包括无电极击穿时采用主动调制方式和有电极击穿时(打火)采用被动调制方式，提高了中性束离子源的束流控制精度和运行效率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1是本发明实施例中的整体架构图；
图2是本发明实施例中进行一次完整放电时的控制时序总体逻辑关系图；
图3是本发明实施例中离子源主动调制时的时序控制和电源协同关系图；
图4是本发明实施例中离子源打火时被动调制时的时序控制和电源协同关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图1-3，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1：一种中性束离子源时序控制系统，如图1所示，包括参数设置模块、时序控制模块、故障保护模块、控制电源模块、数据采集模块。
参数设置模块，采用网页设置界面进行时序控制参数设置，具体包括完成脉冲通道、脉冲个数、脉冲启动条件以及脉冲间的逻辑关系的设置，完成后通过FTP文件传输到可编程时序控制器。
时序控制模块，用于根据时序控制参数设置结果产生控制离子源平台内相关设备运行的时序控制脉冲，并根据故障保护模块输出的故障反馈信号输出保护控制信号。
时序控制模块的脉冲控制具体为：以FPGA为核心，并采用并行处理、逻辑跳转、状态保护和线程互锁的方式进行时序控制脉冲器的设计；以及，以10MHz为基准时钟，并通过对基准时钟进行倍频和分频技术处理实现对不同精度、种类的控制时序脉冲的调制，保证中性束离子源平台的电源运行安全和稳定。
在本实施例中，时序控制模块控制生成脉冲的上升和下降时间精度小于50ns，时序控制模块处理故障反馈信号的处理时间小于1ms。
控制电源模块，用于根据接收到的时序控制脉冲启动后向离子源平台内相应的相关设备供电，并根据接收到的保护控制信号进行相应的保护动作。控制电源模块包括磁缓冲器电源、偏转磁体电源、灯丝电源、弧电源、气阀电源、高压电源、抑制级电源，且均通过光纤连接到时序控制器上，相关电源的启动按照时序控制的参数设定时刻由时序控制器进行启动。
故障保护模块，用于实时监测离子源平台内相关设备的运行情况，并根据监测到的故障信号向时序控制模块实时发出故障反馈信号。当出现故障时，确保时序控制脉冲器能够实现自动快速切断实验中的各电源系统。
数据采集模块，用于采集与记录放电期间内离子源平台的工作参数、离子源束流的引出参数，并对离子源平台的工作参数、离子源束流的引出参数进行显示。数据采集模块包括低采样频率采集器和高采样频率采集器。低采样频率采集器，用于采集放电期间内离子源平台的工作参数。高采样频率采集器，用于采集放电期间内离子源束流的引出参数。
在本实施例中，各个设备、模块、电源之间均通过光纤连接，以满足控制信号和故障反馈信号的传输需求。
实施例2：一种中性束离子源时序控制方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤一，系统零时刻设置为T0(系统0时刻)为时序控制器的第一个启动脉冲，用于通知离子源平台内设备准备启动的信号，同时启动平台10kHz采集频率数据采集器采集平台内数据信息。
步骤二，启动磁缓冲器电源用于延迟主高压启动和关断过程对离子源电极的冲击，所以需要覆盖整个离子源放电时间，因此控制脉冲信号满足(T0，TfilStart]时间内启动，TfilStart为灯丝电源的启动时刻由网页进行配置，在(TfilEnd，TfilEnd+100ms]区间结束，TfilEnd为灯丝电源停止时刻由网页进行配置。
步骤三，按照参数配置在TfilStart时间触发启动灯丝电源,灯丝结束时间TfilEnd位于[TfilStart+TfilStable+Tarc，TfilStart+TfilStable+Tarc+100ms]区间内。TfilStable为灯丝电源由启动预热到达额定态时间，Tarc为离子源放电时间长度，均由网页设置。
步骤四，触发启动偏转磁体电源用来提供合适的磁场来偏转未中性化的离子束，所以要求覆盖整个离子源束引出区间，因此控制脉冲要求在[T0+TfilStable-500ms，T0+TfilStable]区间内启动，在TfilEnd时刻结束。
步骤五，启动离子源送气用于控制离子源放电室送气流量，其控制时间覆盖整个离子源放电区间，因此控制脉冲TGassS启动时间范围在[T0+TfilStable-300ms，T0+TfilStable-100ms]，结束时刻为TfilEnd-200ms，TGassStart为离子源送气开始时间。
步骤六，启动弧电源进行离子束放电，弧电源的投入时刻TarcStart满足条件为灯丝电源到达稳定态，因此弧电源的启动时间为TarcStart＝TfilStart+TfilStable，结束时刻为TarcEud＝TfilStart+TfilStable+Tarc。
步骤七，在实验中弧电源到达稳态所需要的时间为TArcStable,在TarcStart+TArcStable启动中性化室送气用于控制中性化室气靶厚度，运行结束时间为TfilStart+TfilStable+Tarc-200ms。
步骤八：完成上述步骤一至七后离子源真空室内具备了放电基础，同时采用脉冲调制的方式进行离子源的束流控制，具体实现方式包括主动调试和被动调制。
如图3所示，主动调制是指离子源放电过程中采用弧打坑的方式进行束流控制，具体实施为：在网页配置打坑的脉冲个数、脉冲宽度和投入时刻当弧电源到达稳态后，启动弧打坑调制脉冲控制整个离子源的束流引出，控制的关键之处是离子源在主动调制下对应的弧电源、抑制极电源和高压电源投入时刻的协同关系，避免在控制过程中因束加速电压和束流的光学不匹配造成的系统异常。
在主动调制过程中抑制极电源投入时间必须在坑底；抑制极电源的控制脉冲为高电平时，抑制极电源开始工作，同时它的工作电压由高电平下降到低电平。同理，弧电源在控制脉冲为高电平时投入工作，投入时弧电流由高电流下降到低电流。另外，高压电源投入时刻必须在弧坑底，当高压电源的控制脉冲为高电平时进入运行状态，工作电压由低电平上升到高电压，此外、高压电源投入时间滞后于抑制极电源也就是说在运行中弧打坑时，当弧电流的下降时间为VtIarc，抑制极电源的电流下降时间为VtVdec，高压电源的电流上升时间VtVacc，那么打坑脉冲宽度时间至少达到Pulse-Arc＞2×VtIarc+VtVdec+VtVacc以保证抑制级电源、高压电源投入时弧电源工作在坑底，确保整个系统的安全稳定运行。
如图4所示，被动调制是指在离子源在放电过程中出现电极打火击穿时，系统能进行自动保护到自动恢复放电的控制流程，通过此种方式提高了离子源放电的效率和安全性。具体控制流程为：当出现电极打火后时序控制器及时关闭高压电源和抑制级电源，而弧电源和灯丝不关继续进行离子源放电过程。
如图4所示，当出现电极击穿打火时高压电源迅速关断，同时时序控制器迅速输出打火脉冲关断抑制极电源而弧电源不关断但须及时打坑。如相关电源重新到达稳态的时间为TrStart，在TratS+100ms启动抑制极电源到达稳定后再启动高压电源，整个弧打坑脉冲宽度要求Pulse-Arc>TRStart+100ms+2×VtIarc+VtVdec+VtVacc同样是为了保证抑制级电源、高压电源投入时弧电源工作在坑底。通过此种调制实现了离子源放电过程中及时处理因电极击穿造成的打火故障,保障了离子源电极在实验中及时处理打火故障，并能继续进行离子源放电的条件提高了整个离子源放电的效率。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中性束离子源时序控制系统，其特征是，包括参数设置模块、时序控制模块、故障保护模块、控制电源模块、数据采集模块；
参数设置模块，用于对时序控制参数进行设置，并将设置结果通过FTP文件传输至时序控制模块；
时序控制模块，用于根据时序控制参数设置结果产生控制离子源平台内相关设备运行的时序控制脉冲，并根据故障保护模块输出的故障反馈信号输出保护控制信号；
控制电源模块，用于根据接收到的时序控制脉冲启动后向离子源平台内相应的相关设备供电，并根据接收到的保护控制信号进行相应的保护动作；
故障保护模块，用于实时监测离子源平台内相关设备的运行情况，并根据监测到的故障信号向时序控制模块实时发出故障反馈信号；
数据采集模块，用于采集与记录放电期间内离子源平台的工作参数、离子源束流的引出参数，并对离子源平台的工作参数、离子源束流的引出参数进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种中性束离子源时序控制系统，其特征是，所述时序控制参数包括脉冲通道、脉冲个数、脉冲启动条件以及脉冲间的逻辑关系。
3.根据权利要求1所述的一种中性束离子源时序控制系统，其特征是，所述时序控制模块控制生成脉冲的上升和下降时间精度小于50ns，时序控制模块处理故障反馈信号的处理时间小于1ms。
4.根据权利要求1所述的一种中性束离子源时序控制系统，其特征是，所述时序控制模块的脉冲控制具体为：
以FPGA为核心，并采用并行处理、逻辑跳转、状态保护和线程互锁的方式进行时序控制脉冲器的设计；
以及，以10MHz为基准时钟，并通过对基准时钟进行倍频和分频技术处理实现对不同时序控制脉冲的调制。
5.根据权利要求1所述的一种中性束离子源时序控制系统，其特征是，所述控制电源模块包括磁缓冲器电源、偏转磁体电源、灯丝电源、弧电源、气阀电源、高压电源、抑制级电源。
6.根据权利要求1所述的一种中性束离子源时序控制系统，其特征是，所述数据采集模块包括低采样频率采集器和高采样频率采集器；
低采样频率采集器，用于采集放电期间内离子源平台的工作参数；
高采样频率采集器，用于采集放电期间内离子源束流的引出参数。
7.一种中性束离子源时序控制方法，其特征是，包括以下步骤：
S101：时序控制器发送启动零时刻脉冲作为触发脉冲信号，离子源平台电源、送气装置、采集系统接收到触发脉冲信号后进入启动就绪状态；
S102：磁缓冲器电源、偏转磁体电源、灯丝电源和慢数据采集系统接收待触发脉冲信号后协同启动灯丝电流逐步达到额定态；
S103：弧电源接收到触发脉冲信号后启动，同时在预设时间内电流逐渐爬升达到平顶并发出稳态信号；
S104：弧电源达到稳态后，启动弧打坑脉冲调制、高压加速电源、抑制级电源协同工作实现离子源束流的控制，同时触发启动高速采集系统记录离子源束流信息。
8.根据权利要求7所述的一种中性束离子源时序控制方法，其特征是，所述灯丝电流的额定态为：离子源灯丝电源接收到触发脉冲信号后灯丝开始预热，直至电流逐步上升到达平顶。
9.根据权利要求7所述的一种中性束离子源时序控制方法，其特征是，所述离子源弧打坑脉冲调制时序包括主动调制和被动调试。
10.根据权利要求9所述的一种中性束离子源时序控制方法，其特征是，所述离子源放电过程对于电极打火击穿采用被动调制进行故障自动化处理。
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