J-TEXT装置ECRH控制系统研究

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电子回旋共振加热(electron cyclotron resonance heating,ECRH)是磁约束聚变装置重要的等离子体辅助加热手段之一。其原理是将特定频率的电子回旋波注入到等离子体中使其共振吸收从而加热等离子体。目前ECRH系统被广泛应用于国内外各大托卡马克装置上。为了能在J-TEXT装置中开展相关的物理实验研究,华中科技大学聚变所正在搭建一套200kW/60GHz/0.5s的ECRH系统。ECRH系统是一套复杂的工程系统,涉及波源、电源、冷却、传输线、天线和微波功率测量等多个子系统,需要一套稳定可靠的控制系统保障ECRH系统安全、高效、稳定的运行。本文主要工作围绕J-TEXT装置ECRH控制系统展开,主要包括系统的信号控制需求分析、控制系统硬件和软件设计以及控制系统整体测试等三个部分。第一部分为第一章和第二章,首先详细介绍了托卡马克与电子回旋共振加热、J-TEXT托卡马克装置上ECRH系统以及控制系统研究背景;然后对J-TEXT装置ECRH系统中的控制信号进行需求分析,详细介绍了每个信号的类型、隔离传输方式和终端等参数。第二部分为第三章,根据控制信号的需求分析结果设计了一套硬件基于NI CompactRIO平台,软件基于NI LabVIEW语言编程的控制系统,用于ECRH系统的监测、控制、保护和采集。因ECRH系统高压隔离快速保护的需要,针对不同类型的高压信号需求设计了不同的隔离电路。第三部分为第四章,主要介绍ECRH控制系统测试实验结果。系统运行时,上位机可实时监测ECRH系统的运行情况。采集数据显示,控制系统发出的时序与上位机设定时序相同,故障发生时FPGA在小于10μs的时间内响应并迅速关断主高压电源,故障保护时间能满足ECRH系统的要求。实验结果表明该控制系统稳定可靠、抗干扰能力强,能满足J-TEXT装置ECRH系统的运行需求。
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