Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 18 )

Все регистрируемые параметры через сеть Ethernet по протоколу DIM [70] (Приложение 7) передаются на удаленный компьютер PC_2, расположенный в пультовой циклотрона и обеспечивающий прием всех регистрируемых параметров от PC_1 и отображение состояния комплекса.

В состав АСКУ входит встроенный Web сервер (Приложение 7,Рис.70), поэтому наблюдение за состоянием установки возможно и по протоколу HTTP, через удаленного Web клиента PC_3. Удаленное наблюдение необходимо из-за повышения радиоактивного фона в зоне мишени, где установлен компьютер PC_1, во время рабочих измерений, поэтому пребывание персонала там нежелательно.

Для источников изотопов водорода BS1-BS3 и ловушек BS4-BS5 создана система управления нагревателями, аналогичная описанной в разделе 3.3.2. Она использует метод ШИМ, полупроводниковые регуляторы мощности РМ с управлением через модули дискретного вывода I-7043, термопарные измерения многоканальным модулем АЦП I‑7018. Температура стабилизируется с точностью около ±(1÷2)°C, при превышении предельных значений заданных параметров питание нагревателей автоматически отключается. Вакуум измеряют датчики Д1-Д4 фирмы Balzers через 6‑канальный контроллер TPG‑256, включенный в локальную сеть АСКУ двухпроводной линией связи по интерфейсу RS‑485.

а) б)

Рис.36 Характерный вид кривой охлаждения (а) и температура мишени на участке стабилизации (б).

АСКУ комплекса обеспечивает контроль за состоянием вентилей VP; контроль и управление состоянием электромагнитных клапанов VE1¸VE6 (через блок управления БУ); контроль состояний концевых выключателей мановакууметров РД1, РД2; блокировку выброса газа в вентиляцию при превышении заданного уровня объемной активности газа и выполняет ряд других функций, обеспечивающих безопасность проведения работ.

Для измерения температуры мишени (Рис.34) используется кремниевый диод (ТД), подключенный через электронный блок согласования (БС), включающий стабилизатор тока на 10 мкА и буферный дифференциальный усилитель с входным сопротивлением 100 Мом и коэффициентом передачи, равным 1. Напряжение на выходе усилителя измеряется одноканальным модулем АЦП I‑7011 с точностью 0,05%. Диапазон измерений температуры (1,4¸330)К, точность измерения в диапазоне (2¸100)К составляет ±0,1К, а в диапазоне выше 100К - около ±1%.

Рис.37. Главная мнемосхема комплекса тритиевой мишени установки АКУЛИНА.

АСКУ обеспечивает охлаждение до температуры 18÷21  K для жидкой и 23÷30 К для газовой мишени. При этом криорефрижератор постоянно включен, а регулирование и стабилизацию температуры мишени выполняет нагреватель (П) с мощностью до 20 Вт. Нагреватель управляется модулем ЦАП I‑7021 через усилитель мощности (УМ). После охлаждения мишени до требуемой температуры (Рис.36,а) включается система термостабилизации и температура поддерживается нагревателем Н с точностью не хуже ±0,1 К в течение всего опыта (Рис.36,б).

Отображение состояния комплекса мишени и управление исполнительными устройствами газовой системы, а также задание параметров стабилизации температуры мишени осуществляется через главную мнемосхему (Рис.37). Она имеет близкий к газовой схеме комплекса вид и отображает в реальном времени состояния узлов газовой системы (вентилей, нагревателей, насосов) в привычном для пользователя виде, что облегчает работу оператора. Мнемосхема позволяет вызывать графики изменения интересующих величин, управлять клапанами, задавать параметры работы нагревателей.

ПО АСКУ комплекса мишени реализовано в виде 25 параллельно работающих программных устройств (11 драйверов аппаратуры, 14 прикладных программ) на языке DAQ Pascal с периодом опроса от 01.01.01 мс.

АСКУ включает подсистему дозиметрического контроля по тритию, обеспечивающую мониторинг ОА трития в газовой системе установки (ионизационные камеры ИК1 и ИК2) и контроль ОА трития в воздухе рабочей зоны (ИК3, ИК4). Измерения ОА осуществляются двумя радиометрами РТА-4. Предусмотрено звуковое предупреждение персонала при превышении заданных порогов ОА. Управление системой дозконтроля осуществляется через программное обеспечение и мнемосхемы, аналогичные описанным в разделе 3.3.5, Рис.55.

3.4.  Результаты экспериментов на установке АКУЛИНА

С использованием автоматизированной системы подачи ИВ в ионный источник циклотрона У-400М и автоматизированного комплекса тритиевой мишени на сепараторе АКУЛИНА циклотрона У-400М был выполнен ряд экспериментов по изучению резонансных уровней ядер 4H и 5H [34,35,36,37,38].

Потоки ИВ, подаваемые в ионный источник, регулировались дистанционно из пультовой циклотрона с помощью автоматизированной системы подачи ИВ. Потоки D и T составляли 1,7 и 0,06–0,1 см3/ч. Компоненты тока ионов , и , выходящего из источника (Рис.38), имели величину около 30, 10 и 6 мкА.

а) б)

Рис.38. Спектр ионов D/T [13]: полная шкала (а), увеличенная шкала (б).

Суммарный ток ионов и был около 100 нА. Ток пучка ускоренных тритонов с энергией 58,2 МэВ, выведенного из циклотрона У‑400М методом обдирки на тонкой графитовой фольге, был около 10 нА. Интенсивность пучка тритонов на входе в сепаратор составляла 1×109 с‑1. Коллимированный пучок тритонов интенсивностью 3×107 с-1 фокусировался в пятно Æ5 мм на мишени, помещенной в центре реакционной камеры. Энергия тритонов в тритиевой мишени равнялась 57,5 МэВ, энергетический разброс пучка не превышал 330 кэВ.

a) б)

Рис.39. Спектры энергий 5H в реакции t(t, pt)nn (б) и 4H в реакции d(t, pt)n (a), полученные методом недостающей массы.

Для синтеза тяжелых ИВ (4Н, 5Н) в реакциях передачи нейтронов t+tàp+5H, t+tàd+4H, t+dàp+4H использовались тритиевые и дейтериевые мишени. Мишенный комплекс обеспечивал заправку мишеней и стабилизацию их температуры в диапазоне 18÷300K с точностью ±0,1K (Рис.36,б). В измерениях с тритиевым пучком и жидкой тритиевой мишенью были исследованы резонансные состояния ядра 5H в реакции передачи двух нейтронов t+tàp+5H [34,35,36]. При анализе тройных совпадений p+t+n в спектре энергий 5H обнаружен резонанс с энергией (1,8±0,1) МэВ (Рис.39,а) с неожиданно малой наблюдаемой шириной Гнабл £ 0,5 МэВ. В работе [36] наличие этого пика было объяснено интерференцией основного (спин 1/2+) и возбужденных состояний (3/2+ и 5/2+) ядра 5H.

В измерениях с тритиевым пучком и жидкой дейтериевой мишенью в реакции d+tàp+4H были изучены резонансные уровни ядер 4H. В спектре энергии ядра 4H (Рис.39,б) наблюдается резонанс с энергией Eрез = (3,22±0,15) МэВ и наблюдаемой шириной Гнабл = (3,33±0,25) МэВ. Результаты этих экспериментов обобщены в диссертации [39].

3.5.  Выводы

Для экспериментов по получению и изучению нейтронно-избыточных ядер 4H и 5H, проводящихся в ЛЯР ОИЯИ, созданы автоматизированные системы для управления напуском изотопов водорода в ионный источник циклотрона У‑400М [12,13] и управления газовым комплексом жидкой тритиевой мишени [14,15,16].

Система управления подачей изотопов водорода в ионный источник обеспечивает тонкое регулирование потоков ИВ и точное поддержание рабочих параметров пучка тритонов, несмотря на работу в жестких условиях функционирования электронной аппаратуры на ускорителе [12,13]. АСКУ комплекса тритиевой мишени обеспечивает управление процессами заполнения мишени и утилизации трития, стабилизацию температуры мишени в ходе экспериментов, а также радиационный контроль объемной активности трития в газовых коммуникациях комплекса и рабочих помещениях [14,15,16].

С использованием разработанных автоматизированных систем проведены эксперименты по изучению резонансных состояний ядер 4H и 5H, образующихся при облучении дейтериевой или тритиевой мишени пучком тритонов, в которых получены новые физические результаты [34,35,36,37,38,39].

В многомесячных экспериментах автоматизированные системы подачи ИВ и комплекса тритиевой мишени работали стабильно и безотказно, обеспечив безопасность работ с тритием, поддержание условий эксперимента, измерение ряда ключевых физических параметров (потока ИВ в источнике, температуры мишени).

4.  Автоматизация экспериментов на исследовательском стенде ПРОМЕТЕЙ

4.1.  Исследовательский стенд ПРОМЕТЕЙ

Стенд ПРОМЕТЕЙ (Рис.40) был создан в РФЯЦ-ВНИИЭФ [18] для изучения явлений накопления и пропускания трития металлами и КМ  в 2000-м году. Он состоит из двух объединенных исследовательских комплексов, решающих две научные задачи. Первая - задача исследования явления сверхпроницаемости трития сквозь металлические мембраны, вторая - изучение проницаемости, проникновения и накопления трития конструкционными материалами, поиск и исследование защитных покрытий, повышающих безопасность использования тритий-содержащих газовых сред [40,41,42,43,44,45,46,71,72,73,74].