EAST破裂炮的判定與波形顯示①

柴文婷,肖炳甲,袁旗平,陳大龍

1(中國科學院 合肥物質科學研究院 等離子體物理研究所,合肥 230031)

2(中國科學技術大學,合肥 230026)

EAST (Experimental Advanced Superconducting Tokamak)核聚變實驗裝置是我國自主研發(fā)的全超導的托卡馬克[1].EAST 裝置包括真空,低溫,快控,輔助加熱等十余個子系統(tǒng),EAST物理試驗中,由于雜質輻射、磁流體不穩(wěn)定性以及垂直位移事件會導致放電瞬間停止,釋放出大量的儲能和磁能[2,3],期間產生的熱負荷和電磁負荷會對第一壁造成極大的破壞,威脅著整個裝置的安全,因此破裂炮的判定及破裂數(shù)據(jù)的提取尤為重要.

EAST運行期間,操作人員使用等離子體控制系統(tǒng)(PCS)設置參數(shù)的目標值,待到放電結束時和診斷系統(tǒng)采集的各個子系統(tǒng)的放電參數(shù)一并存儲到對應的MDSplus 數(shù)據(jù)庫中[4–7],因此通過對 MDSplus讀取和分析,可以獲得破裂判定的關鍵參數(shù)信息.

為了使實驗人員遠程參與并實時的查詢和記錄實驗數(shù)據(jù),EAST聚變實驗室有很多有用的Web工具.EAST實驗日志評論系統(tǒng)Logbook能夠實時的獲取等離子體放電信息,并提供分析評論的平臺,該系統(tǒng)能夠實時獲取工程實驗數(shù)據(jù)、測量診斷數(shù)據(jù)、PCS控制數(shù)據(jù)等,同時實驗人員可以對每一炮進行評論標注,記錄該炮的輔助加熱,等離子體是否破裂,放電是否完整等情況[8].基于Web的放電方案管理系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)庫技術建立了PCS中預設的放電方案及實際放電方案的信息管理,運用 C 語言,MDSplus,PHP 技術提取預設和實際放電方案參數(shù)并提供快速查找,審核及日程管理等功能[5],但目前并沒有提供放電破裂情況和基本波形顯示的功能.

本論文以放電方案管理系統(tǒng)為基礎,對其進行功能擴充,增加了破裂信息和等離子體關鍵參數(shù)的預設值和實際值波形顯示與對比功能,從而減少了Logbook上需要手動記錄的繁瑣性.

1 EAST 實驗炮的破裂判定

為了便于實驗人員對歷史數(shù)據(jù)炮破裂情況的篩選分析,我們將 EAST 實驗炮大致分成 3 種類型: 1) 破裂炮 (Disruption),即依據(jù)1.1章中的破裂判定條件篩選出的實驗炮.2) 完整的放電炮 (Full discharge),即等離子體電流經(jīng)歷了完整的脈沖放電的實驗炮.3) 其他炮(Other),除掉以上兩種情況以外的實驗炮,一般指的是等離子體未擊穿或者是小電流短脈沖放電.

1.1 破裂炮的判定

在EAST運行期間,等離子體破裂是指等離子體在放電期間快速熄滅的過程,一般分為: 熱猝滅和電流猝滅,如圖1所示,虛線所示的芯部軟X射線的溫度反映的是等離子體的溫度,在破裂發(fā)生后的1 ms內等離子體溫度降到最低,這段期間的等離子電流(實線)表現(xiàn)出熱猝滅過程,當?shù)入x子體能量在極短時間內坍塌到第一壁后,壁雜質就會濺射至等離子體中,造成等離子體電阻升高,電流減小,這一過程稱為電流猝滅.

破裂期間,從等離子體中釋放出的熱能對第一壁造成燒蝕危害,電流猝滅期間引起的halo電流、渦流會對真空室部件帶來強大的電磁力,嚴重威脅著內部部件的安全.因此開展破裂數(shù)據(jù)分析,從大量的放電歷史實驗數(shù)據(jù)中尋找破裂炮,建立破裂數(shù)據(jù)庫存儲破裂及等離子體參數(shù)信息對科研人員順利開展破裂分析以及破裂預測有著重要的意義.

圖1 破裂期間等離子體電流 (實線)演化情況,芯部軟 X 射線演化(虛線)

目前EAST上破裂條件根據(jù)等離子體電流(IP)來判斷得出,我們制定了6個基本條件來判斷破裂是否發(fā)生,分別是:

(1)Tdischarge>0.6 s: 即放電時間長度大于 0.6 s.EAST是長脈沖放電,因此需要排除放電時間小于0.6 s的短脈沖.

(2)TCQ<50 ms: 電流猝滅時間TCQ應小于 50 ms.

(3) |IPfinal|<100 KA: 破裂發(fā)生 15 ms后電流絕對值|IPfinal|要小于100 KA,此條件是為了排除小的破裂.

(4) |IP0|>100 KA: 破裂時刻電流絕對值|IP0|要大于100 KA,此條件是為了排除等離子電流比較小的破裂.

(5) |IPmax|>200 KA: 整個過程中等離子電流的絕對最大值|IPmax|應大于200 KA,此條件是為了排除小電流炮.

(6)IP0/IPmax>1/3: 等離子體電流在下降階段也會發(fā)生破裂,為了排除破裂時刻過晚的放電,我們規(guī)定破裂時刻電流值IP0要大于最大電流IPmax的1/3.

1.2 完整放電炮的判定

對于一次完整的放電,等離子體電流會在0時刻開始,按照預設的目標值,經(jīng)歷建立、爬升、平頂和下降四個階段.圖2所示為2017年第一輪實驗中的75 680 炮的 IP 電流,該炮在 1.4 s 左右進入平頂段,IP電流約 400 KA,7.9 s 左右進入下降段,9.7 s 左右結束放電.

從1.1節(jié)中破裂判定條件來看,條件(2)、(3)、(4)、(6)是判斷一次等離子放電是否破裂的必要條件,而條件(1)、(5)則是限定了算法判定的范圍.對于EAST而言,一次完整放電的放電長度Tdischarge一般大于 0.6 s,電流平頂段的最大值IPmax大于 200 KA,而在對于破裂炮的判定時,系統(tǒng)對于Tdischarge大于0.6 s、IPmax大于 200 KA 的炮都進行了破裂判定,因此,我們規(guī)定當Tdischarge大于0.6 s并且IPmax大于200 KA時,除去破裂炮之外的炮都是完整的放電炮.

圖2 完整放電情況下的等離子體電流

本文將破裂炮和完整的放電炮以外的炮稱為其他(Other)類型的炮,一般是一些無效炮,小電流破裂炮等.

1.3 具體實現(xiàn)描述

根據(jù)1.1和1.2所描述的破裂炮和完整放電炮的判定條件可以得出判定的關鍵是對實驗炮的IP電流進行數(shù)據(jù)提取和分析.對于EAST的每一炮放電,采集系統(tǒng)都會實時的采集各個子系統(tǒng)的關鍵參數(shù)信息并按類別存入MDSplus數(shù)據(jù)庫中.

Matlab具有高效的數(shù)據(jù)計算功能,而且能夠通過接口文件方便的存取MDSplus和MySQL.因此我們選用Matlab工具讀取IP電流并按照1.1和1.2中的條件編寫程序進行關鍵參數(shù)的提取和判定,最后將關鍵參數(shù)和判定結果存入MySQL數(shù)據(jù)庫中,然后利用Web技術顯示在界面上,每一次放電結束后程序自動運行,數(shù)據(jù)庫自動更新,在本文中需要使用的主要參數(shù)有: 炮號,評定結果 (破裂炮,完整放電炮或其他炮),破裂時刻電流值,破裂時刻.

具體實現(xiàn)過程如圖3所示.功能界面見3.1節(jié).

圖3 破裂判定的實現(xiàn)過程

2 Dygraphs實現(xiàn)波形的對比顯示

EAST每一次放電結束后,等離子體電流和密度等參數(shù)都會按照指定的類目存入MDSplus,為了更加直觀的顯示出等離子放電過程中尤其是破裂情況下預設參數(shù)值與實際參數(shù)值的波形對比情況,采用PHP技術讀取 MDSplus中各個波形的參數(shù),并轉換成Dygraphs顯示數(shù)據(jù)的格式,然后用Dygraphs繪制出帶對比顯示功能的圖表.具體過程如圖4所示.

圖4 波形對比顯示的實現(xiàn)過程

2.1 圖表繪制框架Dygraphs

Dygraphs是一個快速,靈活,開源的 JavaScript圖表繪制插件[9],用于生成可與用戶交互的、可縮放的時間表,可以用來顯示密集數(shù)據(jù)集,用戶可以方便的瀏覽和查看數(shù)據(jù): 可以高亮需要強調的數(shù)據(jù)集; 可以使用鼠標點擊或者用鼠標拖動來縮放圖表; 可以修改數(shù)值或者點擊條目來調整平均周期.Dygraphs支持多種格式的數(shù)據(jù)顯示,可接收的數(shù)據(jù)類型有: CSV data,URL,array(native format),function,Data Table.

Dygraphs還支持將多個x-value相互獨立的數(shù)據(jù)集在同一坐標系顯示的功能.方法是對所有數(shù)據(jù)集中的x-value都指定y-value,對于一個數(shù)據(jù)集中有yvalue的x-value,給其余在x-value這一時間點上沒有值的數(shù)據(jù)集賦值null.如圖5所示,兩個獨立的數(shù)據(jù)集A和B,必須轉換成圖示的array形式,即對沒有值的位置賦null值,就可顯示出如圖5所示的圖表.

2.2 波形參數(shù)的獲取及格式化

IP和Density的預設值是采用PCS手動繪制離散點后系統(tǒng)自動插值得到的波形,數(shù)據(jù)量在6個點左右,而其實際值是經(jīng)過高速采集系統(tǒng)(頻率約250 KHZ)采集得到,因此一次放電會產生幾萬個數(shù)據(jù)點.為了使這兩個差距較大的數(shù)據(jù)集共同顯示在一個圖表上,我們選取了array作為數(shù)據(jù)類型,采用類似順序表合并的算法[10],將兩個數(shù)據(jù)集合并成圖5所示的array形式.

算法實現(xiàn)采用PHP技術,流程如圖6所示.其中n1和n2分別代表兩個數(shù)據(jù)集的總點數(shù),time和value數(shù)組分別代表數(shù)據(jù)集的x-value和y-value,Data是最終需要的合并后的數(shù)據(jù)集.得到Data后,就可以按照Dygraphs插件的格式要求顯示出來,具體結果見第3部分.

圖5 兩個獨立數(shù)據(jù)集的顯示

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 破裂信息的顯示

圖7是放電方案管理系統(tǒng)中歷史炮的參數(shù)信息顯示界面,包括等離子體電流 (IP),位形 (Shape),密度(Density),放電長度 (Pulse),一些波加熱參數(shù) (ECRH,ICRF,NBI,LHW)和破裂參數(shù)等.圖中圈出部分為破裂相關信息,其中Disruption表示是否是破裂炮,Disruption time為破裂時刻,另外Evaluate為破裂評定結果,一般有三種取值: Plasma died at ‘disruption time’s,Full discharge,Other.

圖7 歷史炮的信息顯示界面

3.2 預設值和實際值的波形對比顯示

采用Dygraphs圖表繪制插件將波形繪制到前端頁面,首先需要在頁面載入dygraph.js和dygraph.css,然后將2.2部分得到的Data數(shù)組生成Dygraphs對象,此外,我們還添加了波形的顯示和隱藏功能,以IP為例生成對象的代碼如下所示,對應生成的圖表如圖8所示.

圖8 Dygraphs對比顯示預設參數(shù)和實際參數(shù)

本文選取了IP和Density這兩個參數(shù),圖8中75655是破裂炮,75677是一次完整的放電炮,實際值和預設值分別用實線和虛線畫出,‘pcrl01’和‘IP’ 分別代表等離子體電流的實際值和預設值,‘dfsdev’和‘density’分別代表密度的實際值和預設值.

為了用戶能夠方便的查看數(shù)據(jù),我們還提供了波形的顯示與隱藏功能,見圖中的Show series復選框,圖8(d) 是隱藏了預設值的效果圖.此外,用戶還可以運用此插件提供的局部縮放功能更方便的查看數(shù)據(jù).

4 結語

本文通過MDSplus技術讀取破裂參數(shù),然后應用Matlab設計算法進行破裂判定,最后采用主流的Web技術展示破裂參數(shù)信息.基于Web的EAST破裂參數(shù)的計算與顯示功能的設計與實現(xiàn)能夠對EAST實驗炮的破裂情況進行判別分類、自動記錄和顯示,尤其是運用Dygraphs繪制的預設置和實際值的對比圖,能夠更加直觀的反映破裂狀態(tài).作為放電方案管理系統(tǒng)的重要部分,該功能的實現(xiàn)使得實驗人員不用手動記錄破裂情況,同時更加便捷直觀的查看破裂電流和密度,提高了實驗運行效率.

參考文獻

1Wan BN,Teams EH-7,International Collaborators.Recent experiments in the EAST and HT-7 superconducting Tokamaks.Nuclear Fusion,2009,49(10): 104011.

2Chen DL,Robert G,Shen B,et al.Characterization of plasma current quench during disruption in EAST Tokamak.Chinese Physics B,2015,24(2): 025205.[doi: 10.1088/1674-1056/24/2/025205]

3陳大龍.EAST裝置上halo電流實驗性研究[博士學位論文].北京: 中國科學院大學,2015.

4袁旗平.基于Linux集群架構的等離子體控制系統(tǒng)[博士學位論文].合肥: 中國科學院合肥物質科學研究院,2009.

5Chai WT,Xiao BJ,Yuan QP,et al.The design of remote discharge scenario management system on EAST.Fusion Engineering and Design,2016,(112): 1049 –1054.[doi: 10.1016/j.fusengdes.2016.04.015]

6李貴明,羅家融,劉英,等.EAST 托卡馬克實時數(shù)據(jù)系統(tǒng).計算機工程,2008,34(21): 15–17.[doi: 10.3969/j.issn.1000-3428.2008.21.006]

7黃文君,王華忠,楊飛,等.MDSplus 實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).測控技術,2014,33(2): 16–19.

8楊飛.EAST 實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)研究[博士學位論文].北京: 中國科學院研究生院,2011.

9http://dygraphs.com/.

10嚴蔚敏,吳偉民.數(shù)據(jù)結構 (C 語言版).北京: 清華大學出版社,2007.21–31.