| Информационно-измерительная система для экспериментального исследования гиротронов
Диссертация
Автор: Постникова, Анна Станиславовна
Название: Информационно-измерительная система для экспериментального исследования гиротронов
Справка: Постникова, Анна Станиславовна. Информационно-измерительная система для экспериментального исследования гиротронов : диссертация кандидата технических наук : 05.11.16 - Нижний Новгород, 2003 - Количество страниц: 119 с. ил Нижний Новгород, 2003 119 c. :
Объем: 119 стр.
Информация: Нижний Новгород, 2003
Содержание:
1 Характеристика основных направлений и постановка задачи на разработку информационно — измерительной системы для экспериментального исследования гиротронов
11 Общее описание прибора
12 Экспериментальные исследования винтовых электронных пучков (ВЭП)
121 Анализ формирования ВЭП
122 Основные положения метода тормозящего поля
123 Постановка задачи на автоматизацию эксперимента
124 Расчетные формулы для получения характеристик винтовых электронных пучков по экспериментальным данным
12 Диагностика катодов методом вольт-амперных характеристик
13 Определение выходной мощности и КПД гиротронов
14 Определение энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне
2 Разработка моделей информационно-измерительной системы для исследования гиротронов на основе объектно-ориентированного подхода
21 Обоснование применения ООП
22 Использование Унифицированного языка моделирования ЦМЬ
23 Динамическая модель системы (диаграмма вариантов использования)
24 Статический вид системы
25 Динамические модели системы (продолжение)
251 Диаграммы взаимодействия
252 Диаграммы состояний и деятельности
26 Моделирование физических аспектов системы
3 Реализация информационно-измерительной и системы для экспериментального исследования гиротронов
31 Принципы построения информационно-измерительных систем для гиротронньк исследований
32 Выбор технических средств
33 Структура и состав программного обеспечения
34 Описание подсистемы по определению характеристик винтовых электронных пучков методом тормозящего поля
341 Техническое обеспечение подсистемы и погрешности измерений
342 Численные методы, применяемые при обработке экспериментальньк данных
343 Технология проведения эксперимента с использованием информационно-измерительной системы
344 Второй вариант реализации подсистемы по определению характеристик винтовых электронных пучков методом тормозящего поля
345 Преимущества проведения эксперимента под управлением информационно-измерительной и управляющей системы
35 Подсистема для измерения вольтамперных характеристик гиротронов
351 Необходимость реализации подсистемы в двух режимах
352 Технология проведения эксперимента
353 Результаты работы подсистемы
36 Подсистема для определения энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне
37 Подсистема по определению областей генерации гиротронов
371 Технические и программные особенности реализации подсистемы
372 Технология проведения эксперимента с использованием информационно измерительной системы
373 Расширение подсистемы с целью измерения потерь СВЧ-мощности для различных типов квазиоптических преобразователей
374 Результаты работы подсистемы по определению областей генерации гиротронов
Введение:
Общая характеристика работы А к т у а л ь н о с т ь т е м ы . Данная работа посвящена разработке информационноизмерительных и управляющих систем для экспериментального исследования гиротронов.Гиротрон - относится к классу мазеров на циклотронном резонансе (МЦР), приборов, основанных на индуцированном циклотронном излучении электронов, являющихся неизохронными осцилляторами вследствие релятивистского эффекта. [1-5]. МЦР, и прежде всего гиротроны, намного превосходя все другие источники электромагнитного излучения диапазона миллиметровых длин волн по мощности и эффективности, сохраняют возможности дальнейшего развития и остаются объектом интенсивного исследования. Диапазон миллиметровых длин волн имеет ряд специфических свойств: • возможность распространения в относительно плотной плазме с концентрацией электронов > Ю" - Ю'^ см'^ и взаимодействия с ней; • возможность концентрации и дистанционного управления посредством зеркал подобно световому излучению; • значительное поглощение практически во всех конденсированных средах, в том числе и в чистых кристаллических материалах.Учет этой специфики и необходимость источников высокой мощности делают привлекательным использование гиротронов. Мощные непрерывные и квазинепрерьшные гиротроны широко используются в экспериментальных установках управляемого термоядерного синтеза (УТС) для нагрева и активной диагностики плазмы, в плазмохимии, для дальней радиолокации, для микроволновой обработки материалов и спектроскопии высокого разрешения. Новыми областями применения мощных гиротронов может оказаться локация космического мусора (частей спутников) и крупномасштабный мониторинг атмосферной активности [3, 4].В настоящее время электронно-циклотронный нагрев (ЭЦН) плазмы в экспериментальных установках УТС - главная область использования сверхмощных длинноимпульсных и квазинепрерывных гиротронов с рабочими частотами от 50 до 170 ГГц. Например, по программе "Международный термоядерный экспериментальный реактор" (ITER) для системы ЭЦН плазмы требуются источники непрерывного СВЧ излучения с суммарной мощностью более 50 МВт на частоте 170 ГГц и порядка 10 Мвт на частоте около 100 ГГц [26]. На современном этапе оптимальным путем достижения требуемых параметров представляется создание энергетических комплексов, сформированных на базе непрерывных гиротронов с выходной мощностью порядка 1 МВт. Кроме того, для стабилизации плазменных неустойчивостей и управления профилем энерговклада ЭЦН, во многих современных установках УТС - токамаках и стеллараторах, требуется многочастотный гиротрон со ступенчатой перестройкой частоты излучения от 100 до 140 ГГц с выходной мощностью 1 МВт в квазинепрерывном режиме. Таким образом, для решения задачи управляемого термоядерного синтеза необходимы мощные, высокоэффективные и стабильные в работе непрерывные гиротроны на частотах от 50 ГГц до 170 ГГц.К основным проблемам при разработке гиротронов в настоящее время относятся: • развитие электронных пушек, формирующих мощные винтовые электронные пучки с большой осцилдяторной энергией при достаточно малом скоростном разбросе; • обеспечение устойчивой высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах; • эффективное преобразование рабочей моды сложной структуры в волновой пучок с оптимизацией его пространственного распределения; • уменьшение энергетических потерь в области коллектора и т.д.При создании новых непрерывных гиротронов в ИПФ РАН работа, как правило, включает следующие стадии: расчеты и проект; испытание экспериментальной версии лампы в короткоимпульсном режиме; разработка промьшгленной версии лампы, работающей в полном режиме. Наиболее трудоемкими, длительными и дорогими являются обычно вторая и третья стадии.В настоящее время, когда сложность исследований непрерывно возрастает и требуется сокращение сроков их проведения с целью ускорения внедрения результатов в практику, возникает проблема повышения эффективности исследований. Применение разрабатываемых информационно-измерительных систем для экспериментальных исследований гиротронов является решением этой проблемы.Основное назначение рассматриваемых систем - повысить эффективность исследований гиротронов за счет сокращения сроков проведения экспериментов: информационноизмерительные системы снижают трудоемкость проведения измерений и обработки их результатов, предоставляя тем самым физику-экспериментатору новые возможности для выполнения творческих функций. Сокращение сроков исследований приводит, в свою очередь, к экономии дорогостоящих материалов, например, жидкого гелия, и к более эффективному использованию оборудования. Информационно-измерительные системы позволяют применять качественно новые методы исследования, реализация которых ранее была затруднена из-за трудоемкости вычислений. Кроме того, сопоставление результатов моделирования с данными измерений приводит к усовершенствованию теоретических моделей. С применением информационно-измерительных систем для исследования гиротронов становится возможным более полное использование экспериментальных данных в качестве входной информации для численного моделирования.На основании всего выше перечисленного можно сделать вывод, что проблема создания информационно-измерительных систем (ИИС) для экспериментальных исследований гиротронов, предназначенных повысить уровень эффективности этих исследований, является актуальной.Ц е л ь д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы - создание информационноизмерительной системы для экспериментальных исследований гиротронов. Разрабатываемая система должна обеспечивать: • определение характеристик винтовых электронных пучков методом тормозящего поля для оптимизации и дальнейщего развития электронных пушек, формирующих мощные винтовые пучки с большой осцилляторной энергией при достаточно малом скоростном разбросе; • измерение вольтамперных характеристик для диагностики катодов гиротронов; • определение областей генерации и КПД гиротронов для контроля за обеспечением устойчивой высокоэффективной генерации рабочей моды в сверхразмерных резонаторах; • измерение потерь мощности во встроенных квазиоптических преобразователях гиротронов для оптимизации преобразования рабочей моды сложной пространственной структуры в волновой пучок; • определение энергетического спектра электронного пучка после взаимодействия с ВЧ полем в гиротроне для уменьшения энергетических потерь в области коллектора и повышения КПД прибора.Для создания системы, как научно-обоснованной технологической разработки, необходимо: 1) провести анализ требований к информационно - измерительным системам для определенного класса экспериментов (в данном случае для исследования гиротронов), предъявляемых физиком - экспериментатором; 2) формализовать описания и построить различные типы моделей на основе новых подходов к созданию систем, чтобы облегчить процесс реализации и эксплуатации систем, а также их модернизации в дальнейшем; 3) разработать критерии выбора оптимальной конфигурации программно-аппаратных средств для рассматриваемого класса экспериментов; 4) реализовать на основе построенных моделей и выбранной конфигурации информационно - измерительную систему для экспериментального исследования гиротронов.Н а у ч н а я н о в и з н а работы состоит в следующем: - в качестве методологии при создании информационно-измерительной системы для исследования гиротронов предложено использовать объектно-ориентированный подход и дано обоснование этого предложения; - в рамках этого подхода на основе Универсального языка моделирования (ЦМЬ) построены модели подсистем для: определения характеристик винтовых электронных пучков методом тормозящего поля, измерения вольтамперных характеристик гиротронов; определения областей генерации и КПД гиротронов. - на основе анализа требований к информационно-измерительной системе для экспериментального исследования гиротронов и с учетом её эксплуатации вьфаботаны общие принципы построения информационно-измерительных систем для исследования такого класса устройств, как гиротроны; эти принципы могут быть применены при создании ИИС для различных типов мазеров на циклотронном резонансе и других электронных приборов; -с учетом выработанных принципов и на основе построенных моделей создана информационно-измерительная и управляющая система для экспериментального исследования электронно-оптической и электродинамической компонент гиротронов.П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь работы. На основании результатов исследований, проводимых с помощью информационно-измерительной системы для экспериментального исследования гиротронов, оказалось возможным быстро провести оптимизацию отдельных элементов ламп и создать высокоэффективные гиротроны мегаваттного уровня мощности для диапазона 80-170 ГГц. В настоящее время система применяется для разработки многочастотного гиротрона со ступенчатой перестройкой частоты излучения от 100 до 170 ГГц с выходной мощностью порядка 1 МВт. Созданная система может быть использована для тестирования опытно-промышленных и серийньгх образцов гиротронов.Разработанные модели информационно-измерительных подсистем для определения характеристик винтовых электронных пучков методом тормозящего поля, измерения вольтамперньпс характеристик гиротронов, определения энергетического спектра электронного пучка в области коллектора, подсистемы для определения областей генерации и КПД гиротронов используются при модернизации существующих систем на новой технической основе.Полученные в диссертационной работе результаты развивают теоретические и практические аспекты создания информационно-измерительных систем, которые могут найти применение при анализе, проектировании, и эксплуатации информационноизмерительных систем для экспериментального исследования различных типов мазеров на циклотронном резонансе и других мощных электронных приборов, например, для гироклистронов или технологических гиротронов.Р е а л и з а ц и я и в н е д р е н и е . Созданная информационно-измерительная система для экспериментального исследования гиротронов бьша внедрена на испытательных стендах ИПФ РАН и частично в НПП "Гиком С т р у к т у р а и о б ъ е м р а б о т ы . Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения и приложений. Объем диссертации составляет 117 страниц, включая 38 рисунков, 11 таблиц и списка литературы из 78 наименований.Краткое содержание диссертации.Во введении дано обоснование актуальности темы, определены цели и задачи работы, сформулированы научная новизна и практическая значимость полученных результатов, приведены структура и краткий обзор содержания диссертации.В первом разделе дано общее описание гиротрона - прибора, для исследования которого создана информационно-измерительная система (ИИС) и рассмотрены основные направления, цели и задачи экспериментальных исследований гиротронов. Кроме того, приведено краткое описание методов исследования и схемы экспериментальных установок; для каждого из описанных методов поставлена задача на создание информационноизмерительной системы; сформулированы общие требования к разработке таких систем.Анализ этих требований показал, что у всех систем можно вьщелить общую часть, что позволило рассматривать их в совокупности как единую систему, в состав которой входят подсистемы для обработки определенного типа экспериментов.Второй раздел посвящен разработке моделей информационно-измерительной системы для экспериментального исследования гиротронов на основе объектноориентированного подхода. В начале дано краткое описание объектно-ориентированного подхода и обоснование его использования в качестве методологии при разработке моделей рассматриваемой системы. В качестве метода в рамках объектно-ориентрованном подхода для разработки ИИС используется Универсальных язьпс моделирования (ЦМЬ).Далее, во втором разделе приведены разработанные на основе ЦМЬ динамические, статические и физические модели информационно-измерительной системы для исследования гиротронов. Рассмотрение проведено как для информационноизмерительной системы в целом, так и для отдельных её подсистем. Указанные подсистемы служат для обработки определенного типа экспериментов, таких как: определение характеристик винтовых электронньк пучков методом тормозящего поля, измерение вольтамперных характеристик гиротронов; определение энергетического спектра электронного пучка в области коллектора, определение областей генерации и КПД гиротронов. В данной работе проектирование на языке ЦМЬ проводилось с тирование на языке U M L проводилось с помощью CASE-средства для визуального моделирования Rational Rose 98i.Третий раздел посвящен реализации информационно-измерительной и управляющей системы для экспериментального исследования гиротронов. В начале раздела приведены общие принципы построения информационно-измерительных систем, используемые при создании систем для экспериментального исследования гиротронов, такие как гибкость, открытость, модульность, принцип выбора из альтернативных вариантов и принцип непосредственного редактирования, дано обоснование необходимости их применения в данном случае. Затем сформулированы дополнительные требования к техническим средствам систем автоматизации для исследования гироприборов, такие как существование большого выбора модулей с различными функциональньв1и возможностями у выбранной линии, обязательное наличие быстрых аналого-цифровьк устройств с буферной памятью, возможность приобретения полной документации на используемую аппаратуру, наличие специалистов-ремонтников и разработчиков дополнительных защитных блоков и устройств сопряжения. Как показала практика, система удобна для применения, если она наиболее полно реализует определенный физиком ход эксперимента, дает понятную и как можно более полную диагностику работы.В этом же разделе дано обоснование выбранных технических и программных средств, использованных в разработанной информационно-измерительной системе для экспериментального исследования гиротронов, приведены численные методы, применяемые для первичной обработки экспериментальных данных.Далее рассматривается подсистема для определения характеристик винтовых электронных пучков методом тормозящего поля: дано описание использованных технических и программных средств, изложена технология проведения эксперимента с использованием этой подсистемы; перечислены преимущества, которые дает её использование; приведены примеры экспериментальных результатов, полученных в результате работы этой подсистемы.Затем рассмотрена подсистема для измерения вольтамперных характеристик гиротронов, дано обоснование необходимости реализации работы подсистемы в двух режимах, описана технология проведения эксперимента с использованием этой подсистемы; показаны результаты измерений ВАХ гиротронов и возможность ее использования для диагностики катодов с помощью разработанной информационно-измерительной системы.В следующем разделе приведена подсистема определения энергетического спектра электронного пучка в области коллектора и рассмотрены результаты её работы в короткоимпульсном гиротроне (83 ГГц/1 МВт).Далее дано описание подсистемы для определения областей генерации и КПД гиротронов и её модификации с целью измерения потерь СВЧ- мощности для различных типов квазиоптических преобразователей. Приведены примеры результатов работы подсистемы при исследовании различных гиротронов.В заключении сформулированы основные результаты работы и возможные перспективы дальнейшего развития информационно-измерительных и управляющих систем для экспериментальных исследований гиротронов.А п р о б а ц и я р а б о т ы . Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной школе по автоматизации (1988), Международньк совещаниях "Joint RussianGerman Meeting on ECRH and Gyrotron" (1992, 1994), на 1 Всероссийской научнотехнической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании, и производстве" (1999), IV Всероссийской научно-технической конференции "Методы и средства измерения физических величин" (1999), на второй Всероссийской научно-технической конференции "Информационные технологии в науке, проектировании и производстве" (2000). По теме диссертации опубликованы работы [15-22, 57-64, 67-69, 73-78], более подробное изложение ряда результатов содержится в отчетах по НИР [26-34].Автор глубоко признателен А.Н.Гинзбургу, В.Е.Запевалову, А.Н.Куфтину, М.Ю.Глявину, И.Артюху, а также всем сотрудникам ИПФ РАН, принимавшим участие в выполнении работ, составивших основу диссертации.
|
