Система керування експериментальною установкою для дослідження імпульсних високовольтних розрядів



Метою даної роботи є опис системи, що має зробити можливими експерименти, які досліджуватимуть вплив певних варіативних параметрів на імпульсні високовольтні розряди. Розроблюваний прототип призначений для зміни параметрів експериментів, автоматичного збору та аналізу отриманих даних.

Ключові слова--термоядерний синтез, діод, зазор, лазери, зафіксована енергія.

Вступ

Розроблювана система буде застосовуватись до проєкту, який було розпочато, як наукове дослідження для розв'язання задачі ядерного синтезу з позитивним виходом енергії.

Одним з видів ядерного синтезу є термоядерний синтез, який характерний для зірок. Джерелом енергії горіння зірок є термоядерне згоряння речовини, при якому ядра гідрогену, що є легкими, зливаються та утворюють ядра інших хімічних елементів, що є більш важкими, у ході такої реакції випромінюється вільна енергія [1]. Керований термоядерний синтез – синтез більш важких атомних ядер з більш легких з метою отримання енергії, який, на відміну від вибухового термоядерного синтезу, що використовується в термоядерних вибухових пристроях, носить керований характер. Атомні ядра складаються з двох типів нуклонів – протонів і нейтронів. Їх утримує разом так звана сильна взаємодія. При цьому енергія зв'язку кожного нуклона з іншими залежить від загальної кількості нуклонів в ядрі, як показано на рис. 1.

Рис. 1 Залежність енергії зв'язку нуклона (МеВ) від числа нуклонів в ядрі

З графіка видно, що у легких ядер зі збільшенням кількості нуклонів енергія зв'язку зростає, а у важких падає. Ядерна реакція зі збільшенням кількості нуклонів в ядрі називається термоядерної реакцією або ядерним синтезом. Ядерна реакція зі зменшенням кількості нуклонів в ядрі – ядерним розпадом [2].

Концепція

Розроблювана система призначена для проведення експериментів на установці. Суть експериментів полягає у тому, що потрібно визначити яким чином конфігурації параметрів, які можна задавати або вимірювати, впливають на виділення енергії у навколишнє середовище під час пробою діода.

На рис.2 показано параметри з одного експерименту без використання лазера.

Рис. 2 Дані з осцилографа про експеримент без використання лазера

Для визначення потужності у блок обчислювальних приладів надходитимуть значення струму та напруги. Cтрум залежить від багатьох параметрів в діоді, два з них – відстань між катодом і анодом та налаштування лазерів – будуть регулюватись розроблюваною системою.

Основним параметром для визначення оптимального режиму роботи лазерів та зазору між катодом і анодом є температура до якої нагріваються екрани, оскільки саме цей зворотній зв'язок показує кількість виділеної енергії. Коліматори лазерів будуть розташовуватись концентрично, навколо діода, аби забезпечити рівномірне опромінення катода або анода з усіх сторін.

Опис структури системи

Блок давачів температури. Датчики розташовані на екранах, що нагріваються від випромінення. За допомогою цих датчиків можливий збір даних про зміну режиму роботи лазерів та зміну параметрів діода.

Рис. 3 Структурна схема

Блок давачів кутів нахилу коліматорів лазерів. Ці датчики потрібні для точного розуміння у яку точку напрямлене випромінення з кожного коліматора. Блок давачів зміщення коліматорів лазерів призначені для відслідковування точного положення фіксатора коліматорів, який, за допомогою електродвигуна матиме можливість переміщуватись вздовж осі діода. Давач положення анода. Даний датчик відповідає за надання інформації про те, на якому віддалені від кінця катода знаходиться кінець анода. Блок лазерів. У розроблюваній системі для створення плазми використовуються лазери. По колу надходять промені які створюють плазму з поверхні матеріалу, на яку вони спрямовані. Утворена плазма стимулює пробій діода. Двигун переміщення аноду виконує функцію збільшення або зменшення відстані між катодом та анодом. Перед центральним обчислювальним пристроєм стоїть задача керувати механізмами та роботою системи таким чином, аби накопичити статистику, яка покаже ту конфігурацію налаштувань, що є найбільш енергоефективною. Головним критерієм ефективності є температура, яку давачі температури зможуть зафіксувати на екранах.

Алгоритм збору та обробки даних

Навколо діода встановлено металеву кулю, що поглинає випромінення та теплову енергію. По «паралелях» кулі встановлені термопари, та для кожної паралелі вираховується середнє арифметичне температури. Таким чином з усіх рівнів давачів отримано ${t}_{1}, {t}_{2}, …, {t}_{n}$ відповідно. Зібрана енергія дорівнює \[E=m\cdot c\cdot \left( {{t}_{a.s.}}-{{t}_{a.s.0}} \right),\] де Е – теплова енергія; с – теплоємність матеріалу кулі; m – маса кулі.

Параметр $l$ – проміжок між катодом та анодом діода, – параметр, що автоматично або в ручному режимі змінюється при кожному експерименті для визначення оптимальної величини по критерію максимізації зібраної енергії. Параметр $Т$ – затримка або випередження спрацьовування лазера відносно спрацьовування розрядників. $Т$ автоматично або в ручному режимі змінюється при кожному експерименті для того, аби визначити його оптимальну величину по критерію максимізації зібраної енергії. Спочатку встановлюється статичним $Т$ та проводяться експерименти по пошуку максимального енерговиділення ($Е$) зі зміною $l$, знаходиться оптимальне $l$. Отримане значення $l$ фіксується та запускається алгоритм пошуку оптимального $Т$. Як результат – отримується оптимальна комбінація $T$, $l$.

Результатом роботи даного алгоритму є таблиця, що автоматично формується та містить у собі такі дані : $E, l, T, I, U,$ де $I$ – максимум сили струму; $U$ – максимум напруги. У таблиці виконується сортування по значенню $E$. Таким чином можна буде визначити при яких параметрах вдалось отримати найбільше теплової енергії.

Висновки

У роботі було описано ідею створення системи керування роботою лазерного обладнання, що має за мету покращити роботу експериментальної установки. Розраховується, що розроблювана система зробить можливим автоматичний збір даних, крім того, за допомогою алгоритму, буде виконуватись певне керування роботою лазерів на основі зібраних результатів експериментів, що зробить можливим пришвидшити пошук оптимальних налаштувань для кожної з конфігурацій, що застосовуються.

Література

{1} Controlled Nucleosynthesis / Stanislav Adamenko, Franco Selleri, Alwyn van der Merwe. // Springer Science \& Business Media. – 2007. – С. 16–40.

{2} r-Process Nucleosynthesis in Hot Accretion Disk Flows from Black Hole-Neutron Star Mergers / R. Surman, G. C. McLaughlin, M. Ruffert, H.-Th. Janka, W. R. Hix. // The Astrophysical Journal 679. – 2008. – С. 5-30.

Dec 5, 2021