Приборы и техника эксперимента, 2019, № 2, стр. 19-23
ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РЕФЛЕКТОМЕТРА ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НЕЙТРОНОВ ДЛЯ РЕАКТОРА ИР-8
Т. И. Глушкова a, *, В. А. Соловей a, **, В. А. Ульянов a, ***, М. В. Дьячков a, М. Р. Колхидашвили a, Т. В. Савельева a, А. А. Сумбатян a, В. Г. Сыромятников a
a Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт”
188300 Ленинградской обл., Гатчина, мкр. Орлова роща, 1, Россия
* E-mail: glushkova_ti@pnpi.nrcki.ru
** E-mail: solovei_va@pnpi.nrcki.ru
*** E-mail: ulyanov_va@pnpi.nrcki.ru
Поступила в редакцию 30.06.2018
После доработки 23.08.2018
Принята к публикации 13.09.2018
Аннотация
Представлено описание электронного обеспечения функциональных устройств рефлектометра поляризованных нейтронов (р.п.н.). Электронное обеспечение связывает оборудование рефлектометра с компьютером для управления системой р.п.н. и позволяет: управлять шаговыми двигателями и абсолютными датчиками для перемещения оборудования, устанавливать и изменять параметры устройств во время работы, получать экспериментальные данные в графическом и цифровом виде. В состав электронного обеспечения включены устройства, разработанные в НИЦ “Курчатовский институт”–ПИЯФ.
ВВЕДЕНИЕ
Рефлектометр поляризованных нейтронов (р.п.н.) на нейтроноводной системе источника холодных нейтронов реактора ИР-8 разработан в НИЦ “Курчатовский институт”–ПИЯФ с использованием опыта работы на рефлектометре NR-4М, ранее разработанном в НИЦ “КИ”–ПИЯФ [1].
Электронное обеспечение системы автоматизации связывает оборудование узлов р.п.н. с компьютером и позволяет:
– устанавливать рабочие параметры устройств и изменять их во время работы;
– управлять шаговыми двигателями и абсолютными датчиками для перемещения оборудования в нужном направлении;
– получать экспериментальные данные в виде графической и цифровой информации, сохранять их для последующей обработки;
– контролировать и управлять магнитным полем узла образца;
– управлять радиочастотными адиабатическими флипперами;
– управлять вакуумной системой;
– проводить анализ поляризации нейтронов;
– регистрировать нейтроны.
Многие узлы рефлектометра размещены на юстировочных устройствах, которые осуществляют линейные и поворотные перемещения. Движение устройств обеспечивают шаговые двигатели, а контроль положения – абсолютные датчики угла поворота Hengstler. Схема расположения узлов рефлектометра поляризованных нейтронов р.п.н. представлена на рис. 1.
Аппаратные средства, с помощью которых осуществляется управление движением и взаимодействие с оборудованием, включают в себя разработанные в НИЦ “КИ”–ПИЯФ устройства: контроллер 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27 и драйвер 4 Ch-STEP MOTOR DRIVER RA153.20; устройство PCI-Carrier card RI437.03.01.01+RI437.03.06.01; драйвер флиппера RA131.06; блок реверса RA153.16; а также контроллеры-драйверы TMCМ-3110 (Trinamic), плату цифрового ввода-вывода PIO-D48 (ICP DAS), многопортовые преобразователи (MOXA).
АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТЫ УЗЛОВ Р.П.Н.
Контроллер RA153.27 и драйвер RA153.20. Для узлов рефлектометра, которым необходимо управление положением с обратной связью, все виды движения осуществляются с помощью шаговых двигателей и абсолютных датчиков (энкодеров).
Для обеспечения взаимодействия узлов рефлектометра, шаговых двигателей и абсолютных энкодеров разработан 4-канальный SSI-интерфейс [2], в состав которого входят контроллер 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27 и драйвер 4 Ch-STEP MOTOR DRIVER RA153.20. SSI-интерфейс используется для управления устройствами формирователя нейтронного пучка, узла образца с электромагнитом, веерного анализатора поляризации, базисной платформы детекторного плеча.
Подключение четырехканального SSI-интерфейса RA153.27 к компьютеру осуществляется через порт RS-485 с помощью многопортового преобразователя фирмы MOXA.
Устройство PCI-Carrier card RI437.03.01.01+ RI437.03.06.01 состоит из носителя RI437.03.01.01 на основе PCI-шины, осуществляющего связь с персональным компьютером, и мезонинной платы RI437.03.06.01.
На мезонинной плате реализованы следующие электронные компоненты:
1) DAC (Digital-to-analog converter) – четырехканальный цифроаналоговый преобразователь;
2) TDC (Time-to-digital converter) – времяцифровой преобразователь с программно выбираемым числом каналов (256, 512, 1024, 2048, 4096, 8192) и определением ширины канала (1, 2, 4, 10, 20, 40, 80 мкс);
3) TOF (Time-of-flight detector) – времяпролетный детектор нейтронов;
4) два счетчика с предустановкой, работающих в режимах монитора и счетчика времени (таймера) от программно выбранной внутренней частоты канала (1 МГц, 500, 250, 125, 100, 50, 25, 12.5 кГц);
5) два счетчика, управляемых счетчиками с предустановкой.
Устройство PCI-Carrier card RI437.03.01.01+ RI437.03.06.01 используется для регистрации нейтронов в узле монитора падающего нейтронного пучка.
Блок реверса RA153.16 предназначен для реверса тока в обмотке электромагнита узла образца. Реверс осуществляется включением нагрузки в диагональ мостовой схемы, состоящей из четырех твердотельных оптореле [3]. Проверка работоспособности блока реверса осуществляется путем контроля тока, считываемого с блока питания, и магнитного поля, считываемого с трехкомпонентного измерителя индукции магнитного поля НВ0105.2А [4].
Драйвер флиппера RA131.06 (генератор радиочастотного тока) предназначен для питания синусоидальным током индуктивной нагрузки катушки высокочастотного адиабатического флиппера, а также для включения/выключения флиппера и контроля его состояния. Управление драйвером может осуществляться в ручном режиме или программно, через разряды входного и выходного регистров платы PIO-D48.
ЭЛЕКТРОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЗЛОВ Р.П.Н.
Узел фокусирующего нейтронного кристалла-монохроматора состоит из головки устройства, фокусирующего в вертикальной плоскости нейтронный пучок, и юстировочных столиков, на которых установлена головка монохроматора. В головке монохроматора размещены 5 пластинок пиролитического графита (PG), с помощью которых осуществляется юстировка пучка в вертикальной плоскости. Движение пластинок обеспечивается шаговыми двигателями.
Юстировочные столики обеспечивают два линейных поперечных перемещения и одно угловое вокруг вертикальной оси. Для линейного перемещения монохроматора используются два устройства Standa Motorized Translation Stage 8MT50-XXBS, а для поворотного движения – платформа Standa Motorized Rotation Stage 8MR170-190.
Движением всех осей монохроматора управляют контроллеры-драйверы Trinamic TMCМ-3110 [5].
Заслонка нейтронного пучка выполнена из кадмия. При включенном электропитании она перемещается на ~25 мм, а при исчезновении тока возвращается в исходное положение с помощью пружины. Запуск движения осуществляет магнитный пускатель ПМЛ 1100. Ток подается через регистры платы PIO-D48.
Монитор падающего нейтронного пучка изготовлен в ОИЯИ (г. Дубна) и представляет собой пропорциональный газовый детектор на основе 10B. В комплект монитора входит зарядочувствительный предусилитель с квазигауссовым фильтром. Предусилитель имеет 2 выхода: аналоговый положительный импульс и логический импульс –2 В.
С помощью устройства PCI-Carrier card RI437.03.01.01+RI437.03.06.01 регистрируется около 2% пролетающих нейтронов. Набор статистики осуществляется в двух режимах: по достижении определенного количества мониторных импульсов или по таймеру (задается программно).
Узел формирователя нейтронного пучка представляет собой оптический формирователь (поляризатор), помещенный в магнитную систему. Юстировочное устройство узла обеспечивает как линейное (поперек пучка), так и угловое перемещение. Движение осуществляется шаговыми двигателями, управляемыми контроллером 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27 посредством драйвера 4 Ch-STEP MOTOR DRIVER RA153.20.
Положение юстировочного устройства формирователя пучка контролируется с помощью двух оптических абсолютных энкодеров через контроллер 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27. Связь с компьютером осуществляется по интерфейсу RS-485 с помощью 8-портового преобразователя USB в RS-485 MOXA UPort 1650-8 [6].
Вакуумная система содержит два вакуумных тракта: до и после исследуемого образца. Для контроля вакуумных трактов отслеживается состояние двух регистров клапанов, питание на вакуумном насосе, уровень вакуума на каждом тракте. Контроль вакуума осуществляется при помощи двух конвекционных вакуумметров CVM-201 “Super Bee” [7] с интерфейсом RS-232/485 для связи с персональным компьютером.
Система управления вакуумной системой р.п.н. включает в себя: компьютер в промышленном исполнении, плату MOXA CP-114EL с двумя интерфейсами RS-485, плату цифрового ввода-вывода PIO-D48, два датчика вакуума CVM-201 Super Bee с интерфейсом RS-485, плату DB-24SSR с электронными реле, вакуумный насос Anest iwata-500, два электрически управляемых клапана VAT серии 26.
Включение/выключение насоса Anest iwata-500 и клапанов VAT осуществляется программно через PCI-плату цифрового ввода-вывода PIO-D48, которая подключена к реле, размещенным на плате DB-24SSR. Через реле подается питающее напряжение для включения-выключения вакуумного насоса и вакуумных клапанов.
Управляемые диафрагмы формируют геометрические размеры нейтронного пучка путем открытия/закрытия вертикальных и горизонтальных поглощающих нейтроны шторок. Управление движением шторок осуществляется программным способом шаговыми двигателями с помощью контроллера движения Trinamic TMCM-3110.
Узел образца с электромагнитом предназначен для размещения различных устройств воздействия на образец. Во многих случаях воздействие ограничивается магнитным полем и температурой, при этом ориентация исследуемого образца относительно падающего нейтронного пучка не должна нарушаться. Узел образца с электромагнитом включает в себя: юстировочное устройство с установленным электромагнитом, трехкомпонентный измеритель индукции магнитного поля НВ0105.2А и блок реверса RA153.16.
Управление движением и контроль положения юстировочного устройства с электромагнитом осуществляются контроллером 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27 посредством драйвера 4 Ch-STEP MOTOR DRIVER RA153.20. Для управления током электромагнита используется источник питания Lambda GENH100-7.5. Управление блоком реверса осуществляется через плату цифрового ввода-вывода PIO-D48.
Одиночный 3He-детектор и позиционно-чувствительный детектор. В проекте р.п.н. реализована возможность использования для регистрации нейтронов либо одиночного 3He-детектора CNM-17, либо двухкоординатного позиционно-чувствительного детектора (п.ч.д.). Последний является самостоятельным изделием от коммерчески доступного поставщика.
3He-детектор и п.ч.д. устанавливаются на юстировочное устройство, которое перемещается поперек пучка и позволяет устанавливать детекторы в нужную позицию.
Платформа детекторного плеча р.п.н. представляет собой подвижный каркас, на котором размещены: система ведущего постоянного магнитного поля с вакуумным трактом внутри, веерный анализатор поляризации нейтронов, одиночный 3He-детектор и двухкоординатный п.ч.д., юстировочные устройства анализатора и детекторов. Платформа имеет одну ось углового перемещения вокруг вертикальной оси узла образца.
Поворот платформы осуществляется с помощью двигателя при работающих воздушных подушках и достижении заданного уровня давления воздуха. Воздух в подушки нагнетается компрессором Remeza СБ 4/С-100.J2047 B с электромагнитным клапаном. Контроль требуемого уровня давления воздуха осуществляется с помощью манометров.
Обратная связь с управляющим компьютером и управление движением платформы осуществляются с помощью контроллера 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27 посредством драйвера 4 Ch-STEP MOTOR DRIVER RA153.20. Положение платформы детекторного плеча контролируется с помощью абсолютного энкодера серии ЛИР-ДА136А. Поворот платформы начинается только при достаточном уровне давления в воздушных подушках.
Адиабатический радиочастотный флиппер состоит из радиочастотной катушки, которая помещена в постоянное градиентное магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами [8]. Таким образом, магнитное поле флиппера является суперпозицией двух магнитных полей:
– постоянного ведущего поля с градиентом по оси, создаваемого постоянными магнитами, которые расположены под некоторым углом к оси;
– переменного магнитного поля, генерируемого радиочастотной катушкой.
В конструкции р.п.н. предусмотрены два флиппера, размещенные до и после узла образца с электромагнитом. Включение и выключение флипперов и контроль их состояния, а также питание током катушки осуществляются драйвером PNPI RA131.06, управляемым программно через разряды входного и выходного регистров платы цифрового ввода-вывода PIO-D48. В качестве внешнего источника питания драйвера флиппера используется блок питания Актаком АТН-1165.
Многоканальный веерный анализатор с магнитной системой предназначен для проведения анализа поляризации рассеянного на образце пучка. Он представляет собой сборку установленных вертикально нейтронных поляризующих суперзеркал на тонкой стеклянной подложке с поглощающими масками на входе.
Анализатор помещен внутрь магнитной системы с однородным вертикальным магнитным полем порядка 650 Гс. Анализатор с магнитной системой установлен на юстировочном устройстве, обеспечивающем линейное перемещение поперек пучка и вращение вокруг вертикальной оси.
Контроллер 4 Ch-SSI SENSOR INTERFACE RA153.27 посредством драйвера 4 Ch-STEP MOTOR DRIVER RA153.20 реализует управление шаговыми двигателями, осуществляющими движение юстировочного устройства анализатора, и абсолютными энкодерами, контролирующими положение юстировочного устройства.
Платформа векторного анализа поляризации нейтронного пучка предназначена для изучения изменений вектора поляризации падающего нейтронного пучка, обусловленных взаимодействием с образцом. Исследуемый образец помещается в “нулевое” магнитное поле, формируемое трехслойным магнитным экраном. Согласующие градиентные прямоугольные катушки служат для адиабатического ввода-вывода поляризации нейтронного пучка.
Входной вращатель поляризации позволяет направить на образец нейтронный пучок с необходимым направлением поляризации, а выходной вращатель обеспечивает измерение компонент вектора поляризации пучка на выходе устройства. Для питания вращателей поляризации используется разработанный в НИЦ “КИ”–ПИЯФ программируемый многоканальный источник реверсируемых токов RV422.28 с активной нагрузочной составляющей до 70 Ом и относительной погрешностью установки токов ±1.25 ⋅ 10–4 [9]. Управляющая программа позволяет установить периоды вращения вектора поляризации для всех обмоток вращателей и токи, необходимые для получения требуемого угла поворота поляризации.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработанная система электронного обеспечения для управления рефлектометром поляризованных нейтронов позволяет связать его узлы с компьютером для программного управления оборудованием. Аппаратные средства, с помощью которых осуществляется управление движением и взаимодействие с оборудованием, включают в себя разработанные в НИЦ “КИ”–ПИЯФ устройства и фирменные изделия.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение № 14.607.21.0194 от 26.09.2017 г., RFMEFI60717X0194.
Список литературы
Syromyatnikov V.G., Pleshanov N.K., Pusenkov V.M., Schebetov A.F., Ulyanov V.A., Kasman Ya.A., Khakhalin S.I., Kolkhidashvili M.R., Slyusar V.N., Sumbatyan A.A. Preprint PNPI № 2619. Gatchina, 2005.
Касман Я.А., Колхидашвили М.Р., Марченков В.В., Пирогов А.М., Соловей В.А., Щиголев Н.Д. Препринт ПИЯФ № 2790. Гатчина, 2009.
Плaтa PIO-D48. http://www.icpdas.com/download/ pci/pio-dio.htm
Преобразователь индукции магнитного поля. http: // www.nvlaboratory.spb.ru/0105.html
Koнтpoллepы-дpaйвepы Trinamic. https://www.trinamic.com
Многопортовые преобразователи MOXA. https: // www.moxa.ru
Конвекционный вакууметр Super Bee CVM-201. https://www.intech-group.ru/upload/vacuummetr_c vm-201.pdf
Григорьев С.В., Майгула Н.В., Слюсарь В.Н., Соловей В.А., Сумбатян А.А. Препринт ПИЯФ № 2710. Гатчина, 2007.
Марченков В.В., Муратов В.В., Соловей В.А. Препринт ПИЯФ № 2847. Гатчина, 2010.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Приборы и техника эксперимента