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

The current machines for the study of nuclear fusion does not produce energy, and their output is substantially a large amount of data. The accuracy of the data collected, and their density within narrow temporal samples, can determine the effectiveness of the real time control systems to install in future reactors. We set ourselves the objective to design and test a high-speed and high-density data acquisition system based on the latest generation FPGA technologies. in the thesis is used the latest products released by Xilinx to design a acquire stream system of signals from generic probes (specifically magnetic probes). The Zynq 7000 family is nowadays state of the art of sistemy SoC that integrating a powerful and extensive FPGA section with an ARM mullticore. Of fundamental importance will be the drastic reduction of signal cables between the sensory apparatus and acquisition systems with the dual objective of eliminating the noise induced and drastically lower installation costs. Magnetic field configuration in RFX is characterised by fast variations of all the three field components during the pulse, with relevant non axis-symmetry in toroidal direction. Typical spectra exhibit modes up to n=15 in toroidal direction and mainly m=0 and m=1 in poloidal direction. As a consequence, probe signals have a large dynamic (more than 60 dB), and extended frequency spectrum (several tens of kHz). Therefore, a large number of probes are required to correctly identify the complex spatial structure of the plasma column. To reduce shielding effects, probes must be installed inside the stabilising shell. The three components of field outside the vacuum vessel can be very different in amplitude. At the same time, one can reach 0.8 T and another can be typically lower than some mT. Furthermore, they vary very quickly. The probes to be installed have to guarantee an uncertainty less than 1 mT to correctly reconstruct the plasma behaviour. These two specifications are particularly stringent and require an accurate calibration and a careful probe alignment to minimise the spurious effect of unwanted components. A further design specification for the sensors is due to the maximum operation temperature of the vacuum vessel (200 °C). The analogic acquires systems must exhibit high isolation, high speed and resolution, but above all a low noise level. The noise must be below minimum margins throughout the frequency spectrum contained in the signals provided by magnetic probes. The main topic of the thesis is to verify the suitability of the ATCA MIMO ISOL modules in the upper and lower part of the signal spectrum of bi-axis magnetic probes in order to be able to be integrated into the new FPGA acquisition and realtime control in RFX systems.

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.