Чектыбаев Бауржан Жамбулович

МИНИСТЕРСТВО ИНДУСТРИИ И НОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ РК
Республиканское государственное предприятие
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР РК (РГП НЯЦ РК)
Дочернее государственное предприятие
ИНСТИТУТ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
(ДГП ИГИ РГП НЯЦ РК)
УДК 533.9.08;621.039.66
Чектыбаев Бауржан Жамбулович
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В
ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ ТОКАМАКА КТМ НА ОСНОВЕ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР
молодых ученых и специалистов
Национального ядерного це нтра Респ ублики Казахстан
(инженерно-техническое направление)
Руководитель Шаповалов Г. В.
начальник отдела испытаний
реакторных средств диагностики
Курчатов 2011
2
АВТОР
Чектыбаев Бауржан Жамбулович
И.о. нач. лаборатории Института Атомной Энергии НЯЦ РК,
1985 года рождения,
образование высшее (Семипалатинский государственный университет
им. Шакарима, 2007 г.),
специальность – ядерные реакторы и энергетические установки,
квалификация по диплому – инженер,
работает в ИАЭ НЯЦ РК с 2007 г.,
общий стаж работы 4 года.
СПИСОК ИСПОЛНИТЕЛЕЙ
Исполнитель и.о. нач. лаб. 283
__________________ Б.Ж. Чектыбаев
подпись, дата
Руководитель работы,
начальник отдела
испытаний реакторных
средств диагностики
__________________ Г.В. Шаповалов
подпись, дата
Исполнитель работы,
инженер лаборатории 283
__________________ Е.К. Маулимбердин
подпись, дата
3
Чектыбаев Бауржан Жамбулович
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ В
ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ ТОКАМАКА КТМ НА ОСНОВЕ ДАТЧИКОВ ХОЛЛА
Работа, представленная на конференцию - конкурс НИОКР молодых ученых и специалистов
Национального ядерного центра Республики Казахстан
Дочернее государственное предприятие «Институт геофизических исследований»
Республиканского государственного предприятия «Национальный ядерный центр
Республики Казахстан» (ДГП ИГИ РГП НЯЦ РК).
050020, г. Алматы, Чайкина 4, тел. (727)263-13-30, (727)263-48-82,
факс.(727) 263-48-82, E_mail: kcd1234@mail.kz
РЕФЕРАТ
Работа х страниц, х рисунков, х таблиц, х источников.
Актуальность: Необходимость проверки достоверности результатов определения
магнитных полей внутри вакуумной камеры токамака КТМ, полученных с помощью
расчетной методики, по данным с датчиков напряжения обхода.
Цель работы: Отработка методики определения магнитных полей в вакуумной
камере токамака КТМ с использованием датчиков Холла.
Результат работ: Разработана методика определения магнитных полей в вакуумной
камере токамака КТМ с использованием датчиков Холла.
Личный вклад автора: Разработка конструкции для размещения датчиков Холла
внутри вакуумной камеры токамака КТМ. Проведение калибровки ДХ. Разработка и
экспериментальная отработка методики.
ТОКАМАК КТМ, ДАТЧИК ХОЛЛА, МАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ДАТЧИКИ НАПРЯЖЕНИЯ
ОБХОДА, КАТУШКА ГЕЛЬМГОЛЬЦА, КАЛИБРОВКА, ВАКУУМНАЯ КАМЕРА.
4
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ
КТМ – Казахстанский Токамак Материаловедческий
ДНО – Датчики напряжения обхода
ДХ – Датчики Хола
ВК – вакуумная камера
Гс – Гаусс
5
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ _____________________________________________________________________ 6
1 Восстановление магнитного поля с помощью расчетного кода и ДНО. __________________ 7
2 Методика определения магнитного поля с использованием датчиков Холла _____________ 9
Заключение ____________________________________________________________________ 14
Список использованной литературы _______________________________________________ 15
6
ВВЕДЕНИЕ
На начальном этапе запуска токамака КТМ одной из важных задач является
получения необходимой конфигурации магнитного поля внутри вакуумной камеры для
организации плазменного пробоя.
Для восстановления определения конфигурации созданного магнитного поля от
электромагнитных катушек на токамаке КТМ существует возможность использовать
имеющиеся электромагнитные датчики (датчики напряжения обхода) находящиеся внутри
вакуумной камеры. Обработанный сигнал с ДНО используется специальным расчетным
кодом, который и определяет значение магнитного поля внутри вакуумной камеры. Однако
существует необходимость проверки достоверности результатов расчетного кода. С этой
целью была разработана методика прямого измерения магнитного поля внутри вакуумной
камеры с использованием миниатюрных датчиков Холла.
Целью данной работы является экспериментальная отработка методики определения
магнитного поля внутри вакуумной камеры токамака КТМ с использованием датчиков
Холла.
7
1 Восстановление магнитного поля с помощью расчетного кода и ДНО.
Решение задачи определения карты магнитного поля в вакуумной камере (ВК) по
магнитным измерениям находит ряд важных применений для обеспечения режимов работы
токамака. Одно из основных применений – это нахождение структуры магнитного поля в
момент пробоя плазмы, когда требуется обеспечить определенный уровень рассеянных
полей в заданной области ВК. Специально для токамака КТМ был разработан расчетный код
[ ] для определения карты магнитного поля в вакуумной камере по магнитным измерениям с
использованием обработанных данных датчиков напряжения обхода (ДНО). Датчики
напряжения обхода представляют из себя полнообходные петли, проложенные вдоль
тороидального обхода вакуумной камеры. На рисунке 1 показано схематическое
изображение датчиков напряжения обхода.
ДНО
Плазма
U
U
U
U
Рисунок 1 – Схематическое изображение ДНО
Внутри вакуумной камеры КТМ установлено 10 штатных ДНО. С целью проверки
определения влияния количества ДНО на точность определения магнитных полей внутри
вакуумной камеры были установлены еще 12 дополнительных ДНО. На рисунке 2 показано
расположение ДНО внутри ВК КТМ.
Рисунок 2 – Размещение ДНО внутри ВК КТМ
(красным цветом показаны дополнительные датчики)
8
На рисунке 3 показан пример результата работы расчетного кода при разряде
высоковольтной конденсаторной батареи на последовательное соединение обмоток CS, PF1,
PF4 токамака КТМ. Внутри камеры изображены линии равного значения модуля индукции
магнитного поля. Зелеными точками отображены ДНО. Также на рисунке показаны катушки
электромагнитной системы.
pf1
pf2
HFC
r4
ps
pf3
flan1
flan2
cs
cil
pf6
ps
r1
r3 r2
pf5
HFC
pf4
Рисунок 3 – Карта магнитных полей внутри вакуумной камеры КТМ.
|B|
0.0022
0.0038
0.000762 0.000922 0.00108
0.00236 0.00252 0.00268
0.00396 0.00412 0.00428
0.00124
0.00284
0.00444
0.0014
0.003
0.0046
0.00156
0.00316
0.00476
0.00172
0.00332
0.00492
0.00188
0.00348
0.00508
0.00204
0.00364
0.00524
9
2 Методика определения магнитного поля с использованием датчиков Холла
Для определения достоверности результатов полученных при использовании
расчетного кода были использованы датчики Холла модели A1321LUA компании Allegro
Microsystems.
Рисунок 4 – Датчик Холла.
Датчик Холла – это миниатюрный датчик размерами 3х4х1,5 мм (рисунок 4), представляет
собой монолитную интегральную схему, где на одном кристалле объединены элементы
Холла, линейный усилитель и оконечный каскад усиления мощности класса А. Кроме того,
для увеличения точности преобразования и обеспечения температурной стабильности в
микросхеме реализована система автоматической коррекции напряжения смещения и
фильтрации сигнала после линейного усилителя, а также имеет схему динамической
компенсации дрейфа. Программирование на фабрике, проходящее после всех операций
производства и корпусирования, обеспечивает точный контроль чувствительности и
смещения микросхемы. На рисунке 5 приведена функциональная блок-схема устройства ДХ.
Рисунок 5 – Функциональная блок-схема датчика Холла модели A1321LUA
Датчики относятся к классу прецизионных калиброванных ЛДХ и сохраняют
высокую точность и линейность преобразования в температурном диапазоне от -40 до +150
С. К недостатку модели A1321LUA можно отнести сравнительно высокий уровень шума,
что приводит к ограничению на разрешение по минимальной регистрируемой величине
магнитного поля и составляет – 4 Гаусса.
10
В таблице 1 приведены основные технические характеристики используемых ДХ.
Характеристика
Максимальное измеряемое магнитное поле
Выходное напряжение при отсутствии магнитного поля
Напряжение питания
Чувствительность
Диапазон рабочих частот
Уровень шума (от пика к пику)
Линейность
Значение
440
2,5
5
5
30
40
1,5
Единицы
Гс
В
В
Гс/ мВ
кГц
мВ
%
Для тестирования и проведения калибровки ДХ была изготовлена катушка
Гельмгольца (рисунок 5), позволяющая создавать однородное вертикальное магнитное поле
с известной величиной. Калибровка ДХ проводилась путем помещения ДХ внутрь катушки и
измерением заданного тестового поля.
Рисунок 5 – Катушка Гельмгольца.
На рисунке 6 приведены результаты калибровки. Точками на рисунке отмечены значения
поля измеренными датчикам Холла, красные точки отображают истинное значение
индукции магнитного поля в катушки Гельмгольца. При введении соответствующей
поправки в чувствительность каждого из датчика точность определения значения индукции
магнитного поля составила менее 1%.
Величина магнитного поля, Гс
50
49
48
47
46
45
44
43
42
41
40
39
38
37
36
35
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32
Номер датчика
Рисунок 6 – Калибровочные характеристики ДХ.
11
Для проведения магнитных измерений внутри ВК КТМ была сконструирована специальная
штанга позволяющая размещать 32 ДХ. В конструкции предусмотрено размещение 16 ДХ
для измерения вертикальной составляющей магнитного поля и 16 ДХ измеряющих
горизонтальную составляющую магнитного поля. На рисунках 7,8 показана конструкция для
размещения датчиков Холла. Вся конструкция выполнена из немагнитных материалов.
Датчик холла для Z
компоненты
Датчик холла для R
компоненты
Рисунок 7 – Размещение датчиков Холла на измерительной штанге.
Рисунок 8 – Размещение линейки датчиков Холла внутри ВК КТМ
Выставление штанги внутри вакуумной камеры осуществлялось при помощи уровня,
при этом точность установки составляло 15-20''.
На рисунках 9, 10 приведены зависимости чувствительности ДХ от температуры и
напряжения питания. Откуда видно, что чувствительность ДХ несколько изменяется при
отклонения напряжения питания и температуры от номинальных параметров. С целью
предотвращения изменения чувствительности ДХ было тщательно выставлено и измерено
напряжение питания непосредственно у входа датчика. Перед проведением измерений так же
была измерена температура воздуха, которая составила 230. При этой температуре
чувствительность ДХ практически не имеет отклонения от заданного значения.
12
Рисунок 9 – Зависимость чувствительности Рисунок 10 – Зависимость чувствительности
ДХ от напряжения питания (при температуре ДХ от температуры (при напряжении питания
5 В).
25 С).
При проведении экспериментов сигналы с датчиков Холла регистрировались на две
шестнадцатиканальные АЦП фирмы Advantech PCI-1712 c частотой регистрации 2 кГц на
канал и разрядностью 12 bit. Схема измерительной системы приведена на рисунке 11.
Источник питания
HY1803В
Датчик
холлаA1321LU
AA
Персональный
компьютер
АЦП PCI-1712
Рисунок 11 – Схема измерения электрических сигналов датчиков Холла
(на примере одного канла)
Результаты измерений приведены на рисунке 12. На рисунке 12,а представлены кривые
построенные для шестнадцати ДХ измеряющих горизонтальную компоненту магнитного
поля и шестнадцати ДХ измеряющих радиальную. Результаты измерений сравниваются с
данными, полученными с использованием расчетного кода с 10 и 22 датчиками напряжения
обхода соответственно.
13
r-компонента при z=608 мм
z-компонента при z=608 мм
60
50
40
40
30
20
10
0
-10 0
500
1000
1500
B, гаусс
B, гаусс
20
0
0
500
1000
1500
-20
-20
-30
-40
-40
-60
-50
r, мм
r, мм
ДХ
24 ДНО
10 ДНО
ДХ
24 ДНО
10 ДНО
а) значения вертикальной составляющей
б) значения горизонтальной составляющей
магнитного поля.
магнитного поля.
Рисунок 12 – Результаты определения магнитного поля с использованием датчиков Холла и
расчетного кода.
Как видно из приведенных зависимостей, значения магнитного поля для вертикальной
составляющей, полученных с помощью ДХ и ДНО, несколько отличаются по значению,
однако близки по характеру кривой. Однако значения магнитного поля резко отличаются при
уменьшении радиуса, т.е. при приближению к внутренней стенке вакуумной камеры, что
связано, скорее всего, с сильными электрическими наводками на элементах вакуумной
камеры и неточностью восстановления магнитного поля с использованием расчетного кода.
При сопоставлении значений магнитного поля горизонтальной составляющей видно, что
кривая построенная с использованием данных с 24 ДНО близка по характеру к кривой
построенной по ДХ. В целом кривые полученные по ДХ и ДНО имеют очень похожий
характер, но отличаются по значению, что скорее всего связано с неточностью определения
магнитного поля по расчетному коду.
14
Заключение
В ходе выполнения работы была отработана экспериментальная методика
определения магнитных полей внутри вакуумной камеры токамака КТМ c использованием
датчиков Холла. Установлено, что используемый расчетный код для восстановления
магнитного поля достаточно хорошо показывает качественную картину магнитного поля,
однако абсолютное значение магнитного поля несколько отличается от имеющегося. Так же
установлено что при увеличении количества ДНО точность восстановления возрастает.
15
Список использованной литературы
1. Методическое пособие по использованию расчетного кода для восстановления карты
магнитного поля в вакуумной камере токамака КТМ по магнитным измерениям и
токам в полоидальных обмотках. Кавин А.А. Лобанов К.М. НИИЭФА имени
Ефремова.
2. www.allegromicro.com. Ratiometric Linear Hall Effect Sensor ICs for High-Temperature
Operation.