Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 14 )

Радиометр работает как автономно, так и в составе автоматизированной многоканальной системы радиационного мониторинга [58], и обеспечивает измерение объемной активности трития с учетом её фонового уровня, двухпороговый анализ состояния радиационной обстановки по каждому из каналов и управление двумя стандартными внешними блоками сигнализации БСР‑19П.

Программа управления КПГС обеспечивает контроль аналоговых (вакуум, температуры, давления) и дискретных (состояния вентилей, клапанов, датчиков давления воды) параметров комплекса. Контролируемые аналоговые параметры отображаются в текстовой и графической форме в режиме реального времени. Графические окна для отображения аналоговых данных обладают широкими возможностями для просмотра и обработки динамических кривых (выбор кривых для просмотра, масштабирование, фильтрация и т. д.). Программа предусматривает непрерывную запись контролируемых параметров на жесткий диск компьютера. Отображение состояний узлов комплекса и управление установкой осуществляется через активные графические мнемосхемы (Рис.8), которые имеют вид схемы газовых коммуникаций установки и потому интуитивно понятны операторам.

ПО подсистемы радиационного мониторинга обеспечивает управление измерительными блоками КРО, включая установку режима его работы, задание верхнего и нижнего порогов для индикации состояния радиационной обстановки и других параметров. Оно также осуществляет непрерывный контроль состояния радиационной обстановки и сохраняет регистрируемые параметры на жестком диске компьютера, визуально отображает радиационную обстановку на графической панели, подает звуковое предупреждение персоналу при возникновении нештатных ситуаций – например, при превышении заданных порогов объемной активности.

2.6.  Управление сменными мишенями и измерение параметров газовой смеси

При изучении мюонного катализа в H/D/T смесях надо проводить измерения в широком диапазоне температур (от 01.01.01 К) и давлений (до 160 МПа). Для этого используют сменные мишени – жидко-тритиевую мишень [53], тритиевую мишень высокого давления [54], дейтериевую мишень высокого давления [55]. Подсистема АСКУ мишени работает со всеми типами мишеней [8]. В ее функции входит: контроль вакуума; измерение высоких температур в двух точках ТМВД и ДМВД термопарными датчиками; измерение высокого давления тензометрическим датчиком; измерение низкого давления датчиком САПФИР; измерение низких температур в двух точках ЖТМ термодиодными датчиками; управление нагревателем с мощностью до 1 кВт и нагревателем малой мощности для работы при низких температурах; стабилизация температуры в рабочем объеме мишени.

АСКУ мишени базируется на компьютере РС_2 (Рис.18). Вакуум контролирует датчик фирмы Balzers через двухканальный контроллер TPG-252. Высокое давление измеряется тензометрическим датчиком, со стабилизированным питанием +12 В, а низкое - датчиком САПФИР. Выходные сигналы датчиков регистрируют модули АЦП I‑7018. Для преобразования измеренных напряжений в давления используются полиномиальные калибровки датчиков (раздел 1.4.2.3).

Для нагревателя большой мощности Н1 используется канал управления, описанный в разделе 1.5. Он включает термопары ПТ1 или ПТ2, регулятор мощности РМП_1 и реле блокировки Р1. ТермоЭДС термопар измеряет модуль АЦП I‑7018_1. Управление регулятором РМП_1, релейной блокировкой и контроль тока выполняет модуль дискретного ввода/вывода I-7050.

Рис.18. Блок-схема подсистемы контроля и управления мишени.

Н1- нагреватель большой мощности, до 1 кВт; РМП- регулятор мощности полупроводниковый; РБ - реле блокировки нагревателя Н1; Н2- нагреватель малой мощности, до 300 Вт; УМ - усилитель мощности для нагревателя Н2; ТР - трансформатор; ПТ - преобразователь термопарный; ТД- термодиод; ДДT - датчик давления тензометрический; D - датчик давления САПФИР; ДВ - датчики вакуума фирмы Balzers; БСТ - блок стабилизаторов тока для термодиодов; I-7520- модуль преобразователя интерфейса RS-232/RS-485; I-7018- 8-канальный модуль аналогового ввода; I-7060- многоканальный модуль релейного вывода; I-7021- 16-разрядный модуль аналогового вывода; I-7050- многоканальный модуль дискретного ввода-вывода; TPG-252- 2-канальный контроллер для вакуумных датчиков фирмы Balzers.

Температура в рабочем объеме мишени регулируется нагревателем Н2 с высокой точностью. Схема позволяет подключать нагреватель Н2 к выходу усилителя мощности (УМ) постоянного тока (мощность до 40 Вт, напряжение до 20 В, ток до 2 А), либо к выходу регулятора РМП_2 через понижающий трансформатор. Регулировка нагрева с помощью УМ нужна при криогенных температурах и выполняется 16‑разрядным модулем ЦАП I‑7021.

Два кремниевых термодиодных датчика измеряют температуры в диапазоне от 2 К до 330 К. Точность измерения ±1 К в диапазоне 2-100 К и 1% выше 100 К. Термодиоды питают стабилизаторы тока 10 мкА±0,05%, выходные напряжения термодиодов измеряют модули АЦП I‑7018. При вычислении температуры используется калибровка с фирменной паспортной температурной характеристикой термодиода (Рис.19,а) в качестве линеаризующей функции (раздел 1.4.2.3), поэтому удается добиться высокой точности калибровки, несмотря на её сильную нелинейность. Указанная аппаратура и ПО подсистемы управления мишенью позволяют задавать и стабилизировать температуру с точностью ±0,05 К.

a) б)

в) г)

Рис.19. Графики температурной характеристики термодиода (а), кривой давления в тритиевой мишени высокого давления (б), кривой температуры охлаждения криогенной мишени (в), той же кривой на участке стабилизации температуры мишени 40±0,05K.

Для получения большей мощности нагреватель Н2 можно переключить на регулятор мощности РМП_2, работающей от сети переменного тока 220 В. Управление регулятором, релейной блокировкой и контроль тока обеспечивает модуль дискретного ввода-вывода I-7050, переключение выполняется программно модулем релейного вывода I‑7060. Выбирая коэффициент понижения напряжения трансформатора, можно в широких пределах менять максимальную мощность H2.

ПО подсистемы мишени позволяет задавать и стабилизировать температуру нагрева мишени, измерять вакуум, температуры и давления в газовой системе. Для примера приведены температурные кривые охлаждения и стабилизации для криогенной мишени ЖТМ (Рис.19,в, г) и кривые давления (Рис.18,б) для ТМВД.

2.7.  Анализ молекулярного состава газовой смеси

Молекулярный состав газовой смеси измеряется с помощью детектора теплопроводности (катарометра) и малогабаритной (5 см3) ионизационной камеры (ИК). Изотопы разделяются в хроматографической колонке длиной 3 м при температуре жидкого азота (Рис.20). В качестве газа носителя взят неон [56,57].

Рис.20. Принципиальная схема газового радиохроматографа для анализа состава H/D/T смеси.

Рис.21. Блок-схема АСКУ подсистемы контроля молекулярного состава смеси.

АСКУ для контроля состава смеси базируется на компьютере PC_3 (Рис.21). Выходной сигнал катарометра регистрирует модуль АЦП I‑7011 с частотой ~10 Гц в диапазоне ±50 мВ и точностью ~0,05%. Ток ИК (от 10-13 до 10-5А) измеряется с помощью электрометрического усилителя (ЭМУ) с переключением диапазонов. Выходной сигнал ЭМУ регистрирует модуль АЦП I‑7012. Диапазоны ЭМУ переключает модуль дискретного вывода I‑7050. Модули подключены к управляющему компьютеру с помощью преобразователя интерфейса RS‑232 в RS‑485 типа I‑7520. Обмен данными выполняется со скоростью 115200 бод.

Шум на самом чувствительном диапазоне ЭМУ составляет около 2×10-14А и падает до 3×10-15А при сглаживании фильтром с шириной окна в 1 сек (Рис.22,4).

Рис.22. Внешний вид программы анализа состава H/D/T смеси (1), графиков катарометра и ионизационной камеры (2), пример файла с результатом анализа состава смеси (3) и шумовая характеристика измерительного канала электрометрического усили

Для анализа молекулярного состава газовой смеси разработана программа (Рис.22,1), обеспечивающая управление сбором данных, сглаживание и обработку аппаратурных кривых катарометра и ионизационной камеры (Рис.22,2), а также расчет молекулярного и изотопного состава H/D/T смеси, который производится следующим образом [56,57]. Дано 6 пиков катарометра . На первом шаге доля Ci для i-го компонента смеси вычисляется по нормировке:

(

28

)

где - площадь пика катарометра для i-го компонента; - коэффициенты относительной чувствительности (КОЧ) катарометра для i-й молекулы, которые определяются по относительным площадям пиков катарометра в калибровочном опыте при прохождении одинаковых количеств газовых проб из разных молекул. Они оказались равны KHH/KHD/KHT/KDD/KDT/KTT=1.00/0.74/0.59/0.59/0.49/0.39.