[发明专利]基于SOPC技术的Galatea型等离子体磁约束装置时序控制系统

说明书

技术领域

本发明涉及等离子体磁约束领域，具体为一种新型的Galatea等离子体磁约束装置的时序控制系统。

背景技术

目前，人类最主要的能源仍是煤炭、石油、天然气等化石燃料，这些能源储量有限而且使用过程严重污染环境。因此，随着能源问题的日益突出，开发安全可靠、高效清洁的新能源迫在眉睫。核能的利用上，由于核裂变所需的原料铀的储量不多，放射性与危险性大。而核聚变在燃料的燃料蕴藏量、安全性都具有非常大的优势。实现受控核聚变有两个方向：惯性约束和磁约束。目前，人们的主要研究方向为磁约束核聚变，具有代表性的磁约束装置由托卡马克和仿星器。

Galatea型磁约束装置作为非托卡马克型受控热核聚变等离子体磁约束的初级研究装置，与托卡马克、仿星器等磁约束装置相比，具有结构简单、体积小、可控性好、能自动抑制等离子体的互换不稳定性等优点。Galatea型等离子体磁约束装置主要由等离子体枪、等离子运输通道和磁阱三部分组成。其中等离子体枪、等离子运输通道和磁阱均放置于真空罐中。除此之外，Galatea型磁约束装置还需要配套其它的一些辅助系统，主要包括等离子体诊断系统、脉冲电源系统、真空抽气系统、水冷系统等。这些子系统广泛的分布在Galatea装置的不同位置，在装置工作的过程中，对每一个子系统的工作顺序和工作时间都有严格要求，因此需要一个同步时序控制机制来实现Galatea等离子体磁约束系统的各个部分的工作时序控制，并同步约束各个子系统的工作，从而保证等离子体的产生、输运和等离子体磁约束等一系列工作过程的正常运行。

目前，在已有的Galatea型磁约束装置使用的时序控制系统普遍使用多台脉冲信号发生器联合控制整个装置的工作。这种方式有以下缺陷：一是由于单个设备的脉冲触发时间需要手动设置，如果实验中需要改变脉冲触发时间，那就需要反复设置，自动化程度低、实验效率不高；二是多台设备联合使用时，设备之间的同步是通过串联触发信号，即电信号实现的，电信号的通信距离短且容易受到外界电磁干扰，容易产生误动作而导致实验失败。

在这种情况下，我们研发了基于SOPC技术的Galatea型等离子体时序控制系统。本系统由总控及时序参数设置平台、中央时序控制模块、本地时序控制模块以及外围隔离驱动设备组成。其中总控及时序参数设置平台负责Galatea型等离子体磁约束装置中各个子系统的工作时序、中央触发延时模块上的时钟和延时触发通道等参数的设置和管理。中央时序控制模块对32MHz的系统时钟进行0-65535的任意整数分频，能输出多达16路的延时触发和同步时钟信号，可以对任意一路的系统触发信号进行输出延时，最大延时时间为4096s，延时分辨率为100ns。本地时序控制模块接收中央时序控制模块输出的触发光信号，经过光电转换和外围隔离驱动后直接控制各个子系统的工作时序。本发明采用数据处理能力强大的工控机来管理整个装置复杂的参数设置和时序管理；利用FPGA的高效并行处理能力使得处于不同物理位置的各个节点获得了更为精准的触发定时信号和同步时钟信号；另外，采用SOPC技术的硬件结构通用性强、灵活可靠，使得系统升级也变得非常的方便和快捷。

发明内容

本发明的主要目的在于提供了一种基于SOPC技术的Galatea型等离子体磁约束装置的时序控制系统。在使用Galatea型离子体磁约束装置进行等离子体磁约束实验中，时序控制系统应该向分布在不同物理位置的各子系统提供精确的时钟信号和延时触发信号，以确保各个子系统可以以相同的时基和严格的时序工作，从而确保Galatea型等离子体磁约束装置的稳定运行。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：