Pieter en het avontuur met de Phase Locked Loop

Twee jaar geleden wilden we ons (tot dan toe ultieme) experiment doen om macroscopische plasmaturbulentie te onderdrukken. Onze experimenten vonden plaats op de Duitse tokamak TEXTOR, op het Forschungszentrum Jülich, 40 km ten noorden van Aken. Van april 2007 tot juni 2009 hadden we systematisch alle hard,- en software opgezet en de real-time signal processing voorbereid.

In kernfusieplasma’s kunnen magnetische eilanden ontstaan. Kleine eilandjes maken de plasma’s minder efficiënt, grote eilanden kunnen zelfs leiden tot schade aan een fusiereactor. Hoe beter de condities voor kernfusie in het plasma zijn, hoe makkelijker de eilanden ontstaan. De eilanden moeten dus actief onderdrukt worden. Daartoe moeten een microgolven van een Megawatt (zeg maar het vermogen van 2000 magnetrons samen) gekoppeld worden in het plasma, en resonant gedeponeerd worden op het dikste punt van het roterende eiland.

De straling wordt opgewekt met een gyrotron, en via een bundellijn naar het plasma geleid. Daar wordt de straling met een beweegbare component, een launcher, in het plasma gekoppeld. De launcher is nodig om de bundel te mikken op plek waar de buik van het eiland en de conditie voor resonante vermogensdepositie samenvallen. Dit noemen we de radiele tracking van het eiland.

Schema onderdrukkingssysteem voor magnetische eilanden

Een aan-uit circuit (een modulator) is nodig om vermogen te deponeren in de buik van het roterende eiland en nergens anders. Dit noemen we de fase-tracking van het eiland.

Veel teams werken aan dit probleem en de mondiale competitie is groot. Wij hadden echter twee troeven, die andere teams niet hadden.

• Ten eerste waren wij het eerste team dat de mechanische launcher had getuned naar inzichten uit de wereld van de mechanical motion control. De samenwerking tussen FOM en de Control System Technology groep van de TU\e op dit vlak was net gestart. Wij fysici keken onze ogen uit. We kregen een prachtige oplossing voor een probleem waarvan ons niet eens gerealiseerd hadden dat we het hadden.
• Ten tweede konden wij de eilanden bekijken langs de zelfde gyrotron bundellijn. Dit maakt het controle probleem voor de radiele tracking eenvoudig. Het systeem wat een paar weken geleden op Asdex Upgrade is geplaatst is een voortzetting van dit concept.

December 2008. Ik zit in Milaan op de luchthaven te balen van weer een uur vertraging, als mijn mobieltje gaat. Een van mijn bazen is net terug van een economische missie naar China met ‘Jan-Peter’ en ‘Marja.’ Daar was ondermeer een samenwerkingsovereenkomst getekend tussen FOM en een groot Chinees kernfusie-instituut. Om de overeenkomst direct maar wat glans te geven heeft mijn baas mijn gyrotron installatie aangeboden aan onze nieuwe partners. De Chinese directeur reageerde heel erg enthousiast, en daar hoorde ‘Jan-Peter’ dan toch weer van op, aldus mijn baas. Dat wij als klein land dan toch een dergelijk mooie bijdrage kunnen leveren aan het grote China…

Mijn baas had gescoord, en wij (het eiland-onderdrukking team) waren de klos. Er werd ons nog een half jaar gegeven om de experimenten af te maken…. Hoe dan ook, we waren er bijna. De laatste stap betrof de implementatie van het real-time dataverwerkingssysteem, incusief de implementatie van real-time programma’s op een Field Programmable Gate Array (FPGA). In het bijzonder wilden we een Hilberttransformatie inzetten om te moduleren. Van januari tot en met juni hebben we met een commercieel bedrijfje als paarden gewerkt om een en ander op te zetten.

We maken voortgang, maar alles gaat net iets te traag. In april heb ik maar eens goed ruzie gemaakt met het management. We mogen doorgaan tot juli.

Midden juli. Nog een week te gaan. Het laatste experiment komt in zicht. Alles werkt, behalve de Hilberttransformatie. We hebben gewoon niet genoeg geheugen op onze FPGA. Het ziet er niet goed uit. Mentaal ben ik al bezig met een plan B. Ineens komt Pieter met de suggestie om de Hilberttransformatie op te geven en een phase locked loop in te zetten. Glazig kijk ik ‘m aan. Het modulatorcircuit moet wel een installatie met een Megawatt aan outputvermogen aansturen. Ik haat improviseren met hoogvermogenstechnologie.  Demonstratief haal ik mijn zakken leeg… ‘Da’s een uitstekend idee, Pieter’ sneer ik ‘maar ik heb helaas geen PLL bij me’…

Pieter claimt in het week-end in de hobbyschuur een PLL te bouwen. Ik besluit dat het tijd wordt om mijn oude hobby, het alcoholisme, op te pakken. We waren kansloos, and I knew it!

Maandag verschijnt Pieter in Juelich met een onooglijk oranje printplaatje. Dit, zegt hij zelfverzekerd, werkt. Met Andreas (onze Duitse gyrotron operator) en Bart (onze OiO) loopt hij naar de gyrotron installatie. Waldo en David zijn overgekomen uit Nederland om onze sensor, de radiometer, aan te zetten en te kalibreren. Om 11:00 staat Waldo met een bezorgd gezicht bij me in deuropening. De radiometer blijkt niet te werken. Waldo stelt voor om het systeem op te pakken, en terug naar Nederland te rijden, om het ’s avonds te repareren. De mannen hebben de hele dinsdagavond doorgewerkt. Donderdagochtend zijn ze om 4 uur ’s ochtends in auto gestapt, en om 6 uur in waren ze weer Jülich. Om 8 uur, net voordat de experimenten moesten starten hadden we een weer een werkende radiometer.

Dan blijkt hoe dun de scheidslijn tussen verliezen en winnen kan zijn. Egbert draaide het programma in de TEXTOR controle room, Bart, Pieter en Andreas waren druk met de gyrotron en het real-time systeem, en Waldo en David hielden de radiometer overeind. Binnen 10 ontladingen is de radiele tracking van het eiland opgelost. Daarna is de phase locked loop ingezet. Succes! Nog 5 ontladingen later kunnen we phase tracken in een ruime bandbreedte. In een keer zijn wij het eerste team ter wereld dat dit bereikt heeft, plots lopen we voor op iedereen in het veld.

Na de experimenten zijn we zijn nog gaan eten. Wederom bleek hoe dun de scheidslijn tussen winnen en verliezen kan zijn. Niemand was uitgelaten. Ik herinner zelfs dat het uitgesproken saai was. Er werd bijna niets gezegd. Het eten werd naar binnen geschoven en iedereen keek een beetje voor zich uit. We hadden als team jarenlang naar dit moment toegewerkt. De laatste twee jaar waren zeer intensief geweest met een opeenstapeling van dead-lines. Gisteren leken we kansloos, maar we werkten hard en intensief samen. Vandaag hebben we de buit binnen gehaald, en daarmee hebben we het team met een klap uit elkaar laten spatten. Andreas kreeg een andere rol binnen FZ-Jülich, Pieter en Bart gingen door in Eindhoven, en Waldo, David en ik gingen terug naar FOM. We waren te moe om voldaan te zijn, en om te beseffen wat we bereikt hadden.

We zijn nu een paar jaar verder. We hebben instituutsevaluatie gehad: alles is nog onder de pet, maar ik weet dat we het heel goed gedaan hebben. Ons succes is het gevolg van de technische competentie van de team leden, en hun emotionele commitment aan elkaar en het project om hun kennis vol in te zetten. ’s Avonds, in het week-end, wanneer het maar nodig is. En dat jarenlang.

Egbert, Pieter, Waldo, Bart, Andreas, Hans & David … Deze is voor jullie!