荷蘭基礎能源研究所利用 XIMEA 相機控制核聚變

荷蘭基礎能源研究所(DIFFER)目前正在開(kāi)發一(yī)種通過核聚變産生(shēng)碳中(zhōng)和能源的方法，這個複雜(zá)的過程需要一(yī)個故障安全控制系統來監督整個過程是否安全和順利。MANTIS多光譜成像系統是該結構的一(yī)部分(fēn)，它利用XIMEA多相機設置來幫助保持穩定狀态。該解決方案基于PCIe技術，可實現幾乎零延遲的數據檢索，從而确保系統的實時性。

21世紀的挑戰之一(yī)是碳中(zhōng)性經濟的能源轉型。該轉型可通過太陽能和風能實現，但是這些可再生(shēng)能源對季節變化的依賴性大(dà)。爲了補充這些可再生(shēng)能源，并推進從化石燃料能源的轉變，需要一(yī)種不依賴于天氣的能源。核聚變提供了一(yī)種環保、可持續和取之不盡的能源。

簡言之，核聚變是兩個輕核融合在一(yī)起形成較重元素同時釋放(fàng)能量的過程。它是地球上幾乎所有能量的來源：太陽通過核聚變運行，将氫轉化爲氦。核聚變的條件可以在高達 1.5 億攝氏度的高溫等離(lí)子體(tǐ)中(zhōng)重現。這可以在托卡馬克實驗核聚變反應堆中(zhōng)實現，托卡馬克是一(yī)種環形真空容器，利用磁場使其能夠容納熱聚變等離(lí)子體(tǐ)。

核聚變反應堆的設計目标是在其核心維持1.5億攝氏度的等離(lí)子體(tǐ)燃燒。因此，面向内壁的組件必須承受約1500°C的工(gōng)作溫度。其餘的主要挑戰是提取熱能（用于發電），而不會将敏感元件暴露在等離(lí)子體(tǐ)産生(shēng)的高熱或粒子流中(zhōng)。

托卡馬克實驗核聚變反應堆

荷蘭基礎能源研究所 DIFFER的科學家和工(gōng)程師共同開(kāi)發理論模型、診斷儀器和先進的控制系統，以安全地從聚變等離(lí)子體(tǐ)中(zhōng)排出能量。 DIFFER 的方法側重于采用物(wù)理學和控制理論提高排氣動力，該方法可通過一(yī)系列原子和分(fēn)子物(wù)理過程（統稱爲等離(lí)子體(tǐ)分(fēn)離(lí)）來實現。其挑戰在于保持工(gōng)藝平衡：等離(lí)子排氣中(zhōng)的過度冷卻會破壞等離(lí)子核心并降低發電效率，而冷卻不足會損壞面向等離(lí)子的組件。 

XIMEA 相機的采用

爲了實現分(fēn)離(lí)，DIFFER 與麻省理工(gōng)學院和 EPFL 合作開(kāi)發了一(yī)種名爲 MANTIS 的新診斷系統，這是一(yī)種先進的多光譜窄帶托卡馬克成像系統。

MANTIS 配備了10台 XIMEA xiX 系列相機，同時獲取不同光譜發射線強度的定量圖像。這使研究人員(yuán)能夠同時跟蹤不同的原子和分(fēn)子過程，然後将圖像用于理論模型，作爲基于模型的分(fēn)離(lí)控制器的輸入，該控制器可以實時修改動力的排放(fàng)。

MANTIS 的技術挑戰是在 10 台相機上同時采集和處理圖像。這是由使用 PCIe 接口技術的XIMEA xiX 相機提供的直接内存訪問 (DMA) 實現的。數據交付幾乎沒有延遲或 CPU 功耗，因此内核可以自由地處理傳入的數據流。 

MANTIS 不僅僅是一(yī)個多相機系統，它還是控制系統的一(yī)部分(fēn)。爲了實現控制目标，相機必須在幾十微秒的時間尺度上提供實時性能，并盡可能減少延遲。單幀凍結可能會破壞充分(fēn)冷卻和最大(dà)等離(lí)子性能之間的平衡。這就是整合的困難之處。

配備 xiX 相機的 MANTIS 光學諧振腔

攻克障礙

最初的 XIMEA PCIe 驅動程序基于事件同步工(gōng)作，其中(zhōng)相機将事件發送到事件隊列以供事件處理程序處理。此方法可有效地減少采集的功率和 CPU 時間。然而，随着事件數量的增加，時間變得更加不确定。爲了消除這種影響，MANTIS 團隊開(kāi)發了 XIMEA 驅動的擴展程序。

它使用XIMEA的循環DMA緩沖區來預測下(xià)一(yī)幀的傳輸位置。然後，它對該幀的最後一(yī)個像素進行輪詢，直到它不爲零，這意味着該幀剛剛被傳送到DMA緩沖區。這種方法使10台相機上的通信抖動從~1ms減少到小(xiǎo)于200ns。

 “當我(wǒ)(wǒ)發現XIMEA相機在我(wǒ)(wǒ)們的實時應用程序中(zhōng)表現得如此出色時，我(wǒ)(wǒ)感到震驚，而所有這些都是通過簡單的同步方案更改實現的。”Artur Perek，MANTIS 系統開(kāi)發人員(yuán)說。

來自XIMEA的 支持

XIMEA 的團隊通過更改 XIMEA PCIe 驅動程序進一(yī)步實現了這一(yī)想法，以便在相同的時間範圍内實現元數據檢索。這些變化使 xiX 相機能夠完全實時地用于 MANTIS 和許多其他應用程序。本項目使用MX031 相機型号和XS12 開(kāi)關。

惡劣環境适應性

除了優秀的實時性能外(wài)，XIMEA xiX相機還經受住了瑞士等離(lí)子體(tǐ)中(zhōng)心核聚變反應堆托卡馬克配置變量 ( TCV )的整個實驗活動。在戰役期間，攝像機暴露在随時間變化的磁場、中(zhōng)子、伽馬和 X 射線輻射中(zhōng)。根據不同的經驗，其他融合研究小(xiǎo)組也已開(kāi)始轉向 XIMEA 購買其相機。