Автоматизация физических экспериментов на тритиевых комплексах исследовательских установок «Тритон», «Акулина» и «Прометей» (стр. 1 )

РОССИЙССКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР
ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО – ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

(РФЯЦ-ВНИИЭФ)

На правах рукописи

УДК 539.1.07; 53.08:004; 001.89:004

автоматизация ФИЗИЧЕСКих экспериментов на ТРитиевых комплексах ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ УСТАНОВок

«ТРИТОН», «АКУЛИНА» и «ПРОМЕТЕЙ»

Специальность: 01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Саров 2010

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОПРЕДЕЛЕНИЙ

ВНИИЭФ	–	Всероссийский НИИ экспериментальной физики, г. Саров
ОИЯИ	–	Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна
ЛЯР	–	Лаборатория ядерных реакций им. Флерова (ОИЯИ)
ЛЯП	–	Лаборатория ядерных проблем им. Джелепова (ОИЯИ)
СПбГУ	–	Санкт-Петербургский государственный университет
СПбГУТ	–	Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. -Бруевича
НИИФ СПбГУ	–	НИИ физики в СПбГУ
ТРИТОН	–	исследовательская установка для изучения мюонного катализа ядерных реакций синтеза на фазотроне ЛЯП ОИЯИ
АКУЛИНА	–	исследовательская установка для изучения экзотических, нейтронно-избыточных ядер на циклотроне U-400M ЛЯР ОИЯИ
ПРОМЕТЕЙ	–	исследовательский стенд для изучения явлений пропускания и накопления изотопов водорода в металлах, ВНИИЭФ
АСКУ	–	автоматизированная система контроля и управления
CRW-DAQ	–	CuRves in Windows – for Data AcQuisition – созданный автором пакет для автоматизации АСКУ, http://www. crw-daq. ru
ПК	–	персональный компьютер
ПО	–	программное обеспечение
ОС, OS	–	операционная система, operation system
ИК, IC	–	ионизационная камера, ionization camera
АЦП, ADC	–	аналого-цифровой преобразователь, analog - digital converter
МК, MCF	–	мюонный катализ (ядерных реакций), muon catalyzed fusion
КМ	–	конструкционные материалы
ИВ	–	изотопы водорода
ЯВУ	–	язык высокого уровня (C, Pascal, Fortran,…)
VM, ВМ	–	Virtual Machine, Виртуальная Машина
RTDB	–	Real Time Data Base – база данных реального времени
SCADA	–	Supervisory Control And Data Acquisition
ШИМ	–	широтно-импульсная модуляция
МНК	–	метод наименьших квадратов
ROI	–	region of interest, область интереса
JIT	–	Just In Time, принцип компиляции «на лету»
DIM	–	Distributed Information Manager, http://dim. web. cern. ch
МКИ	–	метод концентрационных импульсов
MDI	–	multi-document interface, многодокументный интерфейс
HTTP	–	Hyper Text Transfer Protocol – сетевой протокол Internet

Оглавление

Введение.. 4

1. Программное обеспечение для автоматизации измерений на установке высокого давления ТРИТОН.. 12

1.1. Установка ТРИТОН для исследования мюонного катализа ядерных реакций.. 12

1.2. Структура тритиевого комплекса установки ТРИТОН.. 13

1.3. Аппаратурное и программное обеспечение АСКУ тритиевого комплекса. 15

1.4. Инструментальный программный пакет для автоматизации физических экспериментов. 17

1.4.1. Общая структура пакета. 20

1.4.2. Компоненты пакета. 22

1.5. Автоматизация комплекса подготовки газовой смеси и системы радиационного контроля 54

1.6. Управление сменными мишенями и измерение параметров газовой смеси.. 57

1.7. Анализ молекулярного состава газовой смеси.. 60

1.8. Результаты экспериментов на установке ТРИТОН.. 62

1.9. Выводы.. 65

2. Управление системами для подачи изотопов водорода циклотрона У-400М и комплексом тритиевой мишени на установке АКУЛИНА.. 67

2.1. Установки АКУЛИНА.. 67

2.2. Управление системой подачи ИВ в ионный источник циклотрона У‑400М... 68

2.3. Управление комплексом тритиевой мишени.. 73

2.4. Результаты экспериментов на установке АКУЛИНА.. 80

2.5. Выводы.. 82

3. Автоматизация экспериментов на исследовательском стенде ПРОМЕТЕЙ 83

3.1. Исследовательский стенд ПРОМЕТЕЙ.. 83

3.2. Аппаратура для автоматизации стенда ПРОМЕТЕЙ.. 91

3.3. Программное обеспечение для автоматизации экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ.. 96

3.3.1. Управление газовакуумной системой. 96

3.3.2. Управление нагревателями фильтров, источников и ловушек ИВ.. 99

3.3.3. Измерения на исследовательских ячейках. 101

3.3.4. Масс-спектрометрические измерения. 103

3.3.5. Система радиометрического контроля. 105

3.4. Результаты экспериментов на стенде ПРОМЕТЕЙ.. 108

3.5. Выводы.. 109

Заключение.. 110

Список использованных источников.. 113

Приложение. Особенности реализации инструментального пакета CRW-DAQ 120

1. Системы реального времени и отказоустойчивые системы.. 120

2. Примеры калибровок.. 127

3. Интерпретатор языка DaqScript 129

4. Реализация динамических расширений DPE.. 131

5. Построение отказоустойчивых систем управления. 133

6. Работа АСКУ как навигация в фазовом пространстве. 137

7. Распределенные АСКУ на базе DIM и WEB технологий.. 142

8. Конфигурирование измерительных систем CRW-DAQ.. 149

9. Система ограничения прав доступа к АСКУ.. 151

10. Особенности программной реализации пакета CRW-DAQ.. 153

11. Листинги.. 165

Введение

Работа выполнена в ходе создания исследовательских установок «ТРИТОН» и «АКУЛИНА» на ускорителях в Объединенном Институте Ядерных Исследований (ОИЯИ, г. Дубна) и исследовательского комплекса «ПРОМЕТЕЙ» в Российском Федеральном Ядерном Центре - Всероссийском НИИ Экспериментальной Физики (РФЯЦ-ВНИИЭФ, г. Саров).

Актуальность темы

В РФЯЦ-ВНИИЭФ интенсивно развивается тематика [1], связанная с изучением взаимодействия изотопов водорода (ИВ) с конструкционными материалами (КМ). Это обусловлено, в частности, потребностями развития современных направлений в энергетике – созданием ядерных реакторов нового поколения, созданием материалов и топливного цикла термоядерных реакторов, а также созданием материалов и инфраструктуры водородной энергетики [2].

В начале 90-х годов началось интенсивное научно-техническое сотрудничество между РФЯЦ‑ВНИИЭФ и ОИЯИ в области исследований мюонного катализа (МК) [3] ядерных реакций синтеза и исследований структуры экзотических легких ядер и ядерных систем, находящихся на границе нейтронной стабильности. В этих исследованиях для получения пучков заряженных частиц и в качестве мишеней используются изотопы водорода и их смеси.

Экспериментальные и теоретические исследования МК ведутся в Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ с 60-х годов. Здесь было открыто и объяснено явление резонансного образования молекулы ddm [4], скорость которого сильно зависит от температуры, что обуславливает необычное свойство МК – зависимость ядерной реакции синтеза ИВ от температуры, плотности и состава смеси. В 1992 г. было предсказано [5], что скорость резонансного образования dtm‑молекулы в тройной H/D/T смеси намного выше, чем в бинарной D/T смеси.

Для исследований МК и нахождения оптимальных условий протекания МК в H/D/T‑смесях в 1995 г. в низкофоновой лаборатории фазотрона ЛЯП ОИЯИ началось создание установки ТРИТОН [6], предназначенной для исследования процессов МК реакций синтеза в смесях ИВ в широком диапазоне температур, давлений и концентраций. По условиям эксперимента в мишени должно находится до 10 кКи (3,7·1014 Бк) трития, а в закрытом источнике - до 100 кКи [7]. Поэтому важной частью установки является автоматизированный радиационно-безопасный комплекс высокого давления для работ с тритием [8,9].

В 2000 г. в Лаборатории ядерных реакций (ЛЯР) ОИЯИ началась подготовка к экспериментам по получению и изучению нуклонно-нестабильных ядер 4H и 5H на установке АКУЛИНА [10,11]. Для этих экспериментов требовалось обеспечить пучок ускоренных ионов трития [12,13] и создать жидкую тритиевую мишень со стенками толщиной несколько микрон, в которой находится до 1 кКи (3,7·1013 Бк) трития [14,15], и систему контроля и управления для нее [16].

Задача создания радиационно-безопасных тритиевых комплексов и мишеней на установках ТРИТОН и АКУЛИНА решалась в РФЯЦ‑ВНИИЭФ, где накоплен большой опыт работы с изотопами водорода.

Для изучения взаимодействия изотопов водорода с конструкционными материалами в 2001 г. в РФЯЦ-ВНИИЭФ создан исследовательский комплекс низкого давления ПРОМЕТЕЙ [17,18], позволяющий безопасно работать со всеми изотопами водорода, включая тритий. На нем с 2001 г. ведутся исследования проницаемости и сверхпроницаемости ИВ через металлические мембраны, а также явлений проникновения, накопления и диффузии водорода в металлах и конструкционных материалах.