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XIMEA相机应用案例研究:用于基础能源研究的MANTIS多光谱托卡马克成像系统
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时间:2021-09-17 12:02:50

荷兰基础能源研究所利用 XIMEA 相机控制核聚变

荷兰基础能源研究所利用 XIMEA 相机控制核聚变

 

      荷兰基础能源研究所(DIFFER)目前正在开发一种通过核聚变产生碳中和能源的方法,这个复杂的过程需要一个故障安全控制系统来监督整个过程是否安全和顺利。MANTIS多光谱成像系统是该结构的一部分,它利用XIMEA多相机设置来帮助保持稳定状态。该解决方案基于PCIe技术,可实现几乎零延迟的数据检索,从而确保系统的实时性。

 

       21世纪的挑战之一是碳中性经济的能源转型。该转型可通过太阳能和风能实现,但是这些可再生能源对季节变化的依赖性大。为了补充这些可再生能源,并推进从化石燃料能源的转变,需要一种不依赖于天气的能源。核聚变提供了一种环保、可持续和取之不尽的能源。

 

      简言之,核聚变是两个轻核融合在一起形成较重元素同时释放能量的过程。它是地球上几乎所有能量的来源:太阳通过核聚变运行,将氢转化为氦。核聚变的条件可以在高达 1.5 亿摄氏度的高温等离子体中重现。这可以在托卡马克实验核聚变反应堆中实现,托卡马克是一种环形真空容器,利用磁场使其能够容纳热聚变等离子体。

 

      核聚变反应堆的设计目标是在其核心维持1.5亿摄氏度的等离子体燃烧。因此,面向内壁的组件必须承受约1500°C的工作温度。其余的主要挑战是提取热能(用于发电),而不会将敏感元件暴露在等离子体产生的高热或粒子流中。

 

托卡马克实验核聚变反应堆

托卡马克实验核聚变反应堆

 

      荷兰基础能源研究所 DIFFER的科学家和工程师共同开发理论模型、诊断仪器和先进的控制系统,以安全地从聚变等离子体中排出能量。 DIFFER 的方法侧重于采用物理学和控制理论提高排气动力,该方法可通过一系列原子和分子物理过程(统称为等离子体分离)来实现。其挑战在于保持工艺平衡:等离子排气中的过度冷却会破坏等离子核心并降低发电效率,而冷却不足会损坏面向等离子的组件。 

 

      XIMEA 相机的采用

      为了实现分离,DIFFER 与麻省理工学院和 EPFL 合作开发了一种名为 MANTIS 的新诊断系统,这是一种先进的多光谱窄带托卡马克成像系统。

       MANTIS 配备了10台 XIMEA xiX 系列相机,同时获取不同光谱发射线强度的定量图像。这使研究人员能够同时跟踪不同的原子和分子过程,然后将图像用于理论模型,作为基于模型的分离控制器的输入,该控制器可以实时修改动力的排放。

      MANTIS 的技术挑战是在 10 台相机上同时采集和处理图像。这是由使用 PCIe 接口技术的XIMEA xiX 相机提供的直接内存访问 (DMA) 实现的。数据交付几乎没有延迟或 CPU 功耗,因此内核可以自由地处理传入的数据流。 

      MANTIS 不仅仅是一个多相机系统,它还是控制系统的一部分。为了实现控制目标,相机必须在几十微秒的时间尺度上提供实时性能,并尽可能减少延迟。单帧冻结可能会破坏充分冷却和最大等离子性能之间的平衡。这就是整合的困难之处。

 

配备 xiX 相机的 MANTIS 光学谐振腔

配备 xiX 相机的 MANTIS 光学谐振腔

 

      攻克障碍

      最初的 XIMEA PCIe 驱动程序基于事件同步工作,其中相机将事件发送到事件队列以供事件处理程序处理。此方法可有效地减少采集的功率和 CPU 时间。然而,随着事件数量的增加,时间变得更加不确定。为了消除这种影响,MANTIS 团队开发了 XIMEA 驱动的扩展程序。

 

      它使用XIMEA的循环DMA缓冲区来预测下一帧的传输位置。然后,它对该帧的最后一个像素进行轮询,直到它不为零,这意味着该帧刚刚被传送到DMA缓冲区。这种方法使10台相机上的通信抖动从~1ms减少到小于200ns。

 

     “当我发现XIMEA相机在我们的实时应用程序中表现得如此出色时,我感到震惊,而所有这些都是通过简单的同步方案更改实现的。”Artur Perek,MANTIS 系统开发人员说。

 

      来自XIMEA 支持

      XIMEA 的团队通过更改 XIMEA PCIe 驱动程序进一步实现了这一想法,以便在相同的时间范围内实现元数据检索。这些变化使 xiX 相机能够完全实时地用于 MANTIS 和许多其他应用程序。本项目使用MX031 相机型号和XS12 开关。

 

      恶劣环境适应性

      除了优秀的实时性能外,XIMEA xiX相机还经受住了瑞士等离子体中心核聚变反应堆托卡马克配置变量 ( TCV )的整个实验活动。在战役期间,摄像机暴露在随时间变化的磁场、中子、伽马和 X 射线辐射中。根据不同的经验,其他融合研究小组也已开始转向 XIMEA 购买其相机。

 

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