New hardware and software technologies for real-time control in nuclear fusion experiments

Le attuali machine per lo studio della fusione nucleare producono un grande ammontare di dati. L’accuratezza di questi, la loro densità allinterno di stretti intervalli temporali può determinare la efficacia dei sistemi di controllo in tempo reale che dovranno essere installati nei futuri reattori. Ci siamo posti l’obiettivo di sviluppare e valutare un sistema di acquisizione dati ad alta velocità basato sulla ultima generazione di FPGA. In questa tesi abbiamo impiegato gli ultimi prodotti rilasciati da Xilinx per produrre un sistema in grado di acquisire segnali in streaming provenienti da sonde magnetiche generiche, installate in RFP e Tokamak. La famiglia 7000 Zynq è oggi lo stato dell’arte dei sistemi SoC integrando una potente sezione FPGA con un sistema multicore ARM Cortex A9 di ultima generazione. Di fondamentale importanza sarà la drastica riduzione dei cablaggi tra la macchina e l’apparato di concentrazione dei dati acquisiti con l’obiettivo di eliminare il rumore indotto e ridurre drasticamente i costi di assemblaggio. La configurazione dei campi magnetici in RFX è caratterizzata da veloci variazioni nelle tre component di campo, nella durata dell’impulso, con rilevanti componenti non assial-simmetriche specialmente in direzione toroidale. Tipicamente lo spettro mostra dei modi superiori a n=15 in direzione toroidale pricipalmente con m=0 e m=1 in direzione poloidale. Come conseguenza, i segnali alle sonde hanno un largo range dinamico, superiore a 60 dB e estendono lo spettro di frequenza oltre svariati decine di kHz. Quindi, molte sonde sono richieste per identificare correttamente la complessa struttura spaziale della Colonna di plasma. Per ridurre l’effetto schermo, le sonde devono essere installate dentro la shell stabilizzatrice. Le tre componenti del campo fuori dalla camera da vuoto possono essere molto differenti in ampiezza. Allo stesso tempo, una può raggiungere 0.8 T e un’altra può essere dell’ordine dei mT. Inoltre queste risultano essere molto veloci. Le sonde istallate devono garantire una incertezza minore di 1 mT per ricostruire correttamente il comportamento del plasma. Queste due specifiche sono particolarmente stringenti e richiedono una accurate calibrazione e allineamento dei sensori per minimizzare gli effetti spuri e il rilevamento di componenti indesiderate. Un ulteriore specifica di progetto per i sensori è dovuta alla massima temperatura della camera da vuoto che può raggiungere i 200 °C. I sistemi di acquisizione analogica devono mostrare un alto isolamento, velocità e risoluzione; ma soprattutto la qualità deve essere maggiore di qanto richiesto dal livello di rumore. Il rumore deve rimanere infatti sotto una soglia minima nello spettro di uscita. L’obiettivo principare della tesi è di verificare l’applicabilità del modulo ATCA MIMO ISOL nella parte alta e bassa dello spettro del segnale delle sonde magnetiche biassiali in modo da metterlo in grado di essere integrato nella nuova acquisizione FPGA e controllo in tempo reale per RFXmod.