Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 16 )

Структура автоматизированной системы контроля и управления позволила оперативно адаптировать ее к изменениям при подготовке к экспериментам, когда происходило обновление или ввод новой аппаратуры, датчиков и каналов управления. Созданное программное обеспечение (пакет CRW-DAQ) и накопленный методический опыт могут эффективно использоваться при создании новых исследовательских установок в области тритиевых технологий.

3.  Управление системами для подачи изотопов водорода циклотрона У-400М и комплексом тритиевой мишени на установке АКУЛИНА

3.1.  Установки АКУЛИНА

Исследование структуры экзотических легких ядер, находящихся на границе нейтронной стабильности, имеет фундаментальное значение в ядерной физике и представляет одно из центральных направлений в изучении ядерной структуры. В 2000 г. сотрудниками ЛЯР ОИЯИ и РФЯЦ‑ВНИИЭФ начата подготовка экспериментов по получению и изучению нуклонно-нестабильных изотопов водорода 4H и 5H, образующихся в реакциях t+t®5H+p, t+t®4H+d и t+d®4H+p.

Рис.28. Схема ядерно-физической части эксперимента на установке АКУЛИНА.

В экспериментах пучок ионов трития, ускоренный на циклотроне У‑400М, доставляется сепаратором ACCULLINA [10] к тритиевой или дейтериевой мишени, где происходят реакции с образованием нейтронно-избыточных ядер (Рис.28). Всю ядерно-физическую часть обеспечил ОИЯИ. Заряженные частицы регистрирует система из позиционно-чувствительных телескопов на кремниевых E и DE-детекторах, нейтронов распада - времяпролетный спектрометр ДЕМОН [79].

Сотрудниками ВНИИЭФ решались две задачи. Первая задача заключалась в обеспечении подачи потока изотопов водорода c заданной концентраций молекул ИВ в высокочастотный ионный источник циклотрона для формирования тритиевого пучка. Вторая состояла в создании уникальной жидкотритиевой мишени (толщина рабочего слоя жидкого трития 0.4 мм, входного/выходного окна из нержавеющей стали - 20 мкм).

Для решения первой задачи была создана автоматизированная система подготовки смеси изотопов водорода (СПИВ) [12,13] и утилизации смеси ИВ по завершении работ. Для решения второй, кроме собственно мишени, был создан автоматизированный комплекс [14,15,16] для заполнения мишени тритием, обеспечения температурного режима её эксплуатации, эвакуации и утилизации трития. Созданные аппаратурные комплексы были оснащены системой контроля радиационной обстановки в рабочих комнатах и технологических коммуникациях.

3.2.  Управление системой подачи ИВ в ионный источник циклотрона У‑400М

СПИВ (Рис.29) состоит из блока подачи ИВ (БПИВ) для подачи молекул ИВ заданного состава в ионный источник и тонкой регулировки их потоков, системы утилизации (СУ) для удаления трития при технологических операциях с газовыми коммуникациями СПИВ и очистки криогенных насосов ионного источника циклотрона. Для управления СПИВ создана автоматизированная СКУ [12].

Рис.29. Принципиальная схема и внешний вид СПИВ.

БПИВ – блок подачи ИВ; СУ ‑ система утилизации; ВS1-BS3 ‑ источники ИВ; BS4-BS5 – ловушки; Н1, Н2 ‑ натекатели; Д1 – измеритель вакуума (РRК261); Д2 ‑ датчик давления (ТRК261); Д3 – датчик давления (СМR261); NJ – насос форвакуумный (BOC EDWARDS GVSP30); VП – вентили сильфонные вакуумные; Т – термопары.

БПИВ включает термодесорбционные источники ИВ BS1-BS3, температуры их нагрева измеряют термопары Т1–Т3. Тритиевый источник BS1, помещенный в герметичном объеме, используется в рабочем режиме (при ускорении трития), протий-дейтериевый источник BS2 - при настройке тракта циклотрона и сепаратора ACCULLINA, а дейтериевый источник BS3 - при настройке ионного источника циклотрона и в рабочем режиме. Датчики Д1, Д2 , Д3 измеряют давление, а форвакуумный насос NJ откачивает газовые коммуникации и объемы.

ИВ, включая тритий, хранятся в химически связанном состоянии на 238U. Равновесное давление P ИВ над гидридом урана зависит от температуры [12]:

lgP(Па)=‑4590/T+11,59 для протия lgP(Па)=‑4500/T+11,56 для дейтерия lgP(Па)=‑4471/T+11,73 для трития

(

31

)

При комнатной температуре давление трития составляет ~ 7×10‑4 Па. Для заполнения ампулы натекателя ИВ под давлением ~ 0,1 МПа достаточен нагрев источников до температуры (680–705) К. Конструкция источника BS1 и герметичного объема СПИВ обеспечивают три рубежа защиты, что в совокупности со свойствами тритида урана позволяет классифицировать источник BS1 как закрытый источник ионизирующего излучения.

Потоки подаваемых в источник ИВ регулируют натекатели Н1 и Н2. Они созданы на основе Ni капилляра, помещенного в ампулу с газом (Рис.30). Поток натекателя определяют: материал и геометрия капилляра, давление ИВ в ампуле и температура нагрева капилляра при пропускании через него электрического тока.

Рис.30. Схема натекателя и его характеристика (зависимость потока ИВ от тока капилляра).

1 – корпус натекателя, 2 – никелевый капилляр, 3 – электроввод. А и В – выходной и входной потоки.

СПИВ работает следующим образом. При открытом вентиле источника BS3 и его нагреве до нужной температуры в ампулу натекателя Н2 подается дейтерий. По достижении заданного давления Д2 вентиль источника закрывается, а нагрев отключается. Включается нагрев натекателя Н2 и регулировкой его температуры задается требуемый поток дейтерия (0,1÷5 см3/час). Затем к нему по той же схеме добавляется некоторый (0,01÷0,1см3/час) поток молекул DT из источника BS1. Величины потоков ИВ регулируются током натекателей Н1 и Н2, исходя из требуемой интенсивности ускоренного пучка ионов (DT+, HT+, HD+). Вопросы эвакуации и утилизации ИВ по окончании работ описаны в работе [12].

СПИВ находится на циклотроне в опасных для персонала условиях высокого напряжения, магнитного поля и облучения, поэтому ручное управление исключено. По условиям работы ионного источника БПИВ стоит на изолированной платформе прямо над циклотроном под потенциалом ~15 кВ, его электронная аппаратура - в изолированной стойке под тем же потенциалом, а аппаратура СУ трития - в заземленной стойке. Кроме того, при работе циклотрона на аппаратуру АСКУ действует сильное магнитное поле ускорителя и мощные помехи от ВЧ генератора ионного источника. Поэтому при создании АСКУ особое внимание уделялось гальванической изоляции входных и выходных цепей, помехозащищенности измерительных и управляющих каналов.

Рис.31. Схема АСКУ для системы подачи ИВ.

АСКУ предназначена для дистанционного (с пульта циклотрона) управления всеми узлами СПИВ, тонкого регулирования потоков молекул ИВ за счет регулируемого нагрева натекателей и стабилизации их температуры, графического и цифрового отображения контролируемых процессов и ведения протокола эксперимента с записью данных на жесткий диск. Она представляет собой распределенную сеть, состоящую из управляющего компьютера в пультовой комнате на расстоянии ~100 м от циклотрона, а также набора модулей аналогового и дискретного ввода/вывода серии I‑7000, датчиков вакуума с контроллером TPG-256 фирмы Balzers. В состав СКУ входит 29 измерительных каналов (14 аналоговых, 15 цифровых), из них 8 каналов для управления (Таблица 4).

Таблица 4. Список измерительных каналов АСКУ АКУЛИНА.

Измерение и управление	Каналов	Тип канала
АКУЛИНА – СИСТЕМА ПОДАЧИ ИЗОТОПОВ ВОДОРОДА
Термопарные измерения температуры нагревателей источников	3	аналоговый
Управление нагревателями источников	3	дискретный
Контроль обрыва спиралей нагревателей источников	3	дискретный
Управление релейной блокировкой нагревателей источников	3	дискретный
Измерение температуры холодного спая (окружающей среды)	1	аналоговый
Измерение низких давлений датчиками вакуума фирмы Balzers	4	RS-232
Измерение тока и напряжения натекателей	4	аналоговый
Управление током натекателей	2	аналоговый
Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения	6	дискретный
АКУЛИНА – ТРИТИЕВАЯ МИШЕНЬ
Термопарные измерения температуры нагревателей источников	5	аналоговый
Управление нагревателями источников	5	дискретный
Контроль обрыва спиралей нагревателей источников	5	дискретный
Управление релейной блокировкой нагревателей источников	5	дискретный
Измерение температуры холодного спая (окружающей среды)	1	аналоговый
Измерение температуры мишени криогенным термодиодом	1	аналоговый
Стабилизация температуры мишени	1	аналоговый
Измерение низких давлений датчиками вакуума фирмы Balzers	4	RS-232
Контроль состояний ручных вентилей с датчиками положения	34	дискретный
Управление электромагнитными клапанами	6	дискретный
Контроль состояний электромагнитных клапанов	6	дискретный
Контроль состояний электроконтактных мановакуумметров	2	дискретный
Контроль объемной активности трития в рабочем помещении	5	RS-485

В составе АСКУ СПИВ - две подсистемы: первая обслуживает БПИВ, а вторая - систему утилизации СУ (Рис.31). Для гальванической развязки БПИВ по питанию служит трансформатор с изоляцией ~30 кВ, а по каналу обмена данными - оптоволоконная линия связи на модулях ADAM‑4051 фирмы Advantech.