Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 3 )

Приведены результаты использования этих автоматизированных систем при получении пучка ускоренных тритонов и подготовке криогенных мишеней (дейтериевой и тритиевой) в экспериментах по получению и изучению ядер 4H, 5H.

Третья глава содержит описание автоматизированного тритиевого комплекса низкого давления исследовательского стенда ПРОМЕТЕЙ, созданного в РФЯЦ‑ВНИИЭФ. Основное внимание уделено вопросам управления экспериментами по изучению проникновения и накопления ИВ в металлах методом концентрационных импульсов (МКИ) и изучению явлений сверхпроницаемости ИВ через металлические мембраны. Описана система радиометрического контроля по тритию, предназначенная для обеспечения радиационной безопасности при эксплуатации стенда. Приведены данные о проведенных на автоматизированном стенде ПРОМЕТЕЙ экспериментах.

В заключении формулируются основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении приводятся дополнительные сведения о методических и программных решениях, которые применялись при реализации пакета CRW-DAQ и АСКУ тритиевых комплексов ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ. Обсуждаются вопросы пострения отказоустойчивых систем управления реального времени. Рассматриваются вопросы создания распределенных многомашинных систем управления с использованием разработанного в ЦЕРН протокола DIM и WEB- технологий. Обсуждаются детали реализации встроенных в пакет CRW-DAQ языков программирования. Приводятся дополнительные схемы и таблицы, иллюстритующие устройство и работу АСКУ тритиевых комплексов ТРИТОН, АКУЛИНА и ПРОМЕТЕЙ.

2.  Программное обеспечение для автоматизации измерений на установке высокого давления ТРИТОН

2.1.  Установка ТРИТОН для исследования мюонного катализа ядерных реакций

Явление мюонного катализа ядерных реакций синтеза изотопов водорода [3] состоит в том, что мюон µ - способен замещать электрон в молекулах ИВ, образуя мезомолекулы (ppm, pdm, ptm, ddm, dtm, ttm). Масса мюона в ~200 раз больше массы электрона и мезомолекула в ~200 раз меньше обычной молекулы, поэтому ядра d, t сближаются настолько, что могут туннелировать через кулоновский барьер, и инициировать реакцию синтеза, например:

d+t+µ=4He+n+µ+17.6MeV

(

1

)

Поскольку мюон не участвует в реакции, он может инициировать следующую реакцию синтеза, выступая катализатором ядерной реакции, подобно обычным катализаторам в химии. Процесс МК ограничен временем жизни мюона и химическими факторами: скоростью образования мезомолекул и «прилипанием» мюона к радиогенному гелию при образовании мезоатома αμ, которое действует подобно «отравлению» катализатора в химии. Важной особенностью МК является зависимость течения ядерной реакции синтеза от макроскопических (температура T, плотность φ, давление P) и химических (состав H/D/T смеси) условий, влияющих на образование мезомолекул.

Для исследования мюонного катализа (МК) ядерных реакций синтеза в H/D/T‑смесях в диапазоне температур 20¸800К, давлений до 160 МПа и активности трития в свободном состоянии до 10 кКи (3,7·1014 Бк) на мезонном пучке фазотрона ЛЯП ОИЯИ в 1996 году была создана установка ТРИТОН. Эта работа проводилась в рамках программы научно-технического сотрудничества РФЯЦ-ВНИИЭФ и ОИЯИ (Дубна).

Установка ТРИТОН состоит из ядерно-физического и тритиевого комплексов. Ядерно-физический комплекс (Рис.1,а) создан специалистами ЛЯП ОИЯИ для регистрации частиц от реакций d-t синтеза и распада мюонов [25]. Сцинтилляционные счетчики 1, 2, 3 и пропорциональный счетчик 4 регистрируют прохождение мюона в мишень. Детекторы полного поглощения ND1, ND2 регистрируют нейтроны, возникающие в реакции d-t синтеза. Пропорциональный счетчик 5 и сцинтилляторы 1-e, 2-e регистрируют электроны от распада мюонов.

а)б)

Рис.1. Ядерно-физический (а) и тритиевый (б) комплекс установки ТРИТОН.

В задачу специалистов РФЯЦ ВНИИЭФ входило создание радиационно-безопасного тритиевого комплекса, обеспечивающего безаварийную работу с нужными количествами трития в условиях неспециализированной лаборатории [7].

2.2.  Структура тритиевого комплекса установки ТРИТОН

Тритиевый комплекс (Рис.1,б) служит для подготовки смеси ИВ требуемого изотопного состава, заполнения мишени, контроля и стабилизации температуры и давления в мишени, контроля радиационной обстановки. Он включает комплекс подготовки газовой смеси (КПГС) [6], криогенную установку [52] и сменные мишени: жидко-тритиевую мишень (ЖТМ) [53], тритиевую мишень высокого давления (ТМВД) [54], дейтериевую мишень высокого давления (ДМВД) [55]. В него также входят: система анализа состава газовой смеси (САГС) [56,57], система радиационного контроля по тритию (СРК) [58] и АСКУ [8].

Конструктивно КПГС (Рис.2) состоит из 10 связанных между собой подсистем (Рис.3). Герметичный бокс, где находятся основные элементы КПГС, обеспечивает подготовку смеси заданного состава и её подачу к мишени. Вакуумный пульт выполняет вакуумирование рабочих газовых коммуникаций, утилизацию основного количества тритийсодержащей газовой смеси и молекулярный анализ газовой смеси. Ресивер нужен для сброса «хвостов» газовой смеси с выхлопов форвакуумных насосов. Установка газовой очистки нужна для очистки газовых смесей от следов трития и его соединений, находящихся в герметичных объемах (боксе, ресивере и т. п.). Установка раннего предупреждения предотвращает выброс в атмосферу газовых смесей, содержащих тритий выше установленных норм. Сборка насосов вакуумирует ресивер, газовые линии, герметичные технологические объемы и т. п. Баллонный пост обеспечивает подачу диффузионно-чистого протия и дейтерия к КПГС, заполнение герметичных технологических объемов инертным газом и питание газового радиохроматографа газом-носителем. Система радиометрического контроля следит за состоянием элементов КПГС и радиационной обстановкой в рабочей зоне. Электрический пульт дает ручное управление и контроль КПГС и мишени.

Рис.2. Схема газовых коммуникаций КПГС установки ТРИТОН [6].

BS1-BS2 ‑ генераторы протия и дейтерия; BS3‑ генератор трития; BS4 ‑ смесевой генератор; BS5, BS6 - урановые ловушки; BS7 ‑ ловушка адсорбционная; PA ‑ преобразователь ионизационный ПМИ‑2; PT ‑ преобразователь термопарный; CV1, CV2 ‑ емкости; CV3 ‑ ресивер; CV4 ‑ емкость водородная; D1, D2 ‑ датчик давления "Сапфир-22-Ех-М"; М ‑ тритиевая мишень высокого давления; TH ‑ тягонапорометр; IC ‑ камера ионизационная; NM ‑ насос магниторазрядный; ND ‑ насос диффузионный; NJ ‑ насос форвакуумный; РР ‑ ротаметр; Р ‑ пробоотборник; Т‑ выключатель гидравлический; К ‑ конвертор; А ‑ адсорбер; BD ‑ воздуходувка; BW ‑ фильтр маслоотбойный; F1‑F3 ‑ фильтры диффузионные; BL ‑ баллоны с газами; F4‑F6 ‑ фильтры аэрозольные; V ‑ вентили; E ‑ клапаны электромагнитные; PD ‑ стрелочные манометры, вакууметры и моновакууметры; КР ‑ клапан предохранительный; RD ‑ газовые редукторы; VT ‑ клапан вентиляционный; СИЗ ‑ средства индивидуальной защиты.

Для такой сложной установки, с учетом ее радиационной опасности, необходима система автоматизированного управления. Управление комплексом при этом значительно упрощается, становится более надежным и предсказуемым, снижается влияние на устойчивость работы установки “человеческого фактора” (замедленная реакция, ошибки по невнимательности), что особенно важно при круглосуточной, непрерывной работе на установке во время сеанса измерений.

Рис.3. Структурная схема КПГС. D – точки дозиметрического контроля.

На АСКУ возложен ряд задач – это обеспечение технологических измерений (измерения температур, давлений и вакуума) и управление узлами комплекса (вакуумными насосами, вентилями и клапанами), регулирование температуры источников и фильтров; измерение изотопного и молекулярного состава газовой смеси для наполнения мишени, измерение и поддержание параметров газовой смеси в мишени в ходе эксперимента. Она также служит для блокировки исполнительных устройств (при возникновении аварийно-опасных ситуаций), аварийного оповещения в случае радиационной опасности, ведения протокола эксперимента, визуализации состояния комплекса в реальном времени и первичной математической обработки данных.

2.3.  Аппаратурное и программное обеспечение АСКУ тритиевого комплекса

АСКУ конструктивно выполнена в виде трех подсистем в сети Ethernet, каждая базируется на своем ПК (Рис.4). PC_1 обеспечивает работу КПГС [6] и СРК [58], PC_2 – работу с мишенью (ЖТМ [53], ТМВД [54] и ДМВД [55]), а PC_3 – контроль САГС [56,57]. Такое разделение учитывает необходимость наблюдения большого количества физических и технологических параметров одновременно, а также совместной работы группы операторов со всеми подсистемами комплекса. При этом КПГС и СРК используются непрерывно, от подготовки сеанса до его завершения, подсистема мишени - при подготовке, заполнении и эксплуатации мишени, а САГС - периодически для изотопного анализа проб газовой смеси.