趙瀟　張國光

【摘 要】論文針對中子發(fā)生器離子源的工作情況，設(shè)計一套離子源自動控制系統(tǒng)。自動控制系統(tǒng)選擇離子源電流、離子源電壓、電離腔外殼溫度及針閥相對位置作為控制數(shù)據(jù)采樣點;并將離子源電源輸出電壓大小、針閥開閉大小作為控制動作輸出點。根據(jù)控制點設(shè)計系統(tǒng)電路及控制流程、編寫軟件。自動控制系統(tǒng)除具有離子源的控制、離子源工作狀態(tài)參數(shù)存儲功能及LCD顯示與鍵盤輸入功能。

【關(guān)鍵詞】中子發(fā)生器;離子源;自動控制系統(tǒng);單片機(jī)

中圖分類號： V439.2文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）18-0048-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.024

Development of Automatic Control System for Ion Source

ZHAO Xiao ZHANG Guo-guang

（China Academy of Atomic Energy Sciences， Beijing 102413， China）

【Abstract】According to the working condition of neutron generator ion source， an automatic control system of ion source is designed in this paper. The automatic control system selects ion source current， ion source voltage， ionization chamber shell temperature and needle valve relative position as control data sampling points， and takes the output voltage of ion source power supply and needle valve opening and closing size as control action output points. According to the control point， the system circuit， control flow and software are designed. The automatic control system has the functions of controlling the ion source， storing the working state parameters of the ion source， LCD display and keyboard input.

【Key words】Neutron generator; Ion source; Automatic control system; Single chip computer

移動式中子發(fā)生器是一臺可移動小型中子源，它是一種微型高壓型加速器，主要利用D（d，n）3He和T（d，n）4He兩個核聚變反應(yīng)分別產(chǎn)生2.5MeV和14MeV的單能快中子[1]。其中子強(qiáng)度介于中子管與高壓倍加器之間，可廣泛應(yīng)用于爆炸物檢測、中子照相、礦物分析、中子輻照等領(lǐng)域[2]。

中子發(fā)生器正常工作時，離子源一般帶有15kV～30kV的高壓。目前大多數(shù)離子源進(jìn)氣調(diào)節(jié)針閥與離子源電源控制都使用手動調(diào)節(jié)。針對此情況，研究一套離子源自動控制系統(tǒng)。在中子發(fā)生器的運(yùn)行過程中，由自動控制系統(tǒng)對離子源進(jìn)行操作，從而確保中子出束連續(xù)。

1 自動控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

1.1 自動控制點的選取

自動控制的輸出操作，主要針對離子源電壓升降調(diào)節(jié)和針閥開閉;選取離子源電壓、離子源電流、針閥轉(zhuǎn)動刻度作為采樣數(shù)值，以此為控制參數(shù)進(jìn)行離子源自動控制。在中子發(fā)生器離子源對氘氣連續(xù)電離時，有可能造成溫度過高，燒毀離子源。因此設(shè)置一個離子源溫度傳感器，實時采集離子源溫度，當(dāng)離子源溫度過高超過設(shè)定閾值時，關(guān)斷供電電源以保護(hù)離子源。綜上所述，離子源自動控制系統(tǒng)的控制點設(shè)置如表1所示。

1.2 自動控制系統(tǒng)功能設(shè)計

自動控制系統(tǒng)直接通過控制步進(jìn)電機(jī)來控制針閥的開閉，并根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的操作勵磁數(shù)及步距角，來得到步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的相對角度，從而得到針閥旋轉(zhuǎn)的相對角度[3];自動控制系統(tǒng)還直接通過安裝在離子源外殼的溫度傳感器來讀取離子源外殼溫度。而離子源電源的電流值、電壓值及對離子源電壓的操作，自動控制系統(tǒng)都通過對離子源電源的操作來完成。

1.3 硬件選擇與電路設(shè)計

主控芯片使用51系列單片機(jī)，其成本低，適用范圍廣，開發(fā)度高，且實時處理速度較快（12MHz）。這里選用40陣腳的STC89C52單片機(jī)，可自由分配4組各8個I/O端口P0～P3，用于數(shù)據(jù)傳輸或開關(guān)控制[4]。離子源電源分別反饋0-5V電壓信號，與0-50mA離子源電流相對應(yīng)。使用AD模塊對反饋電流進(jìn)行采樣變換。并選擇的也應(yīng)具備0-10V電壓輸出D/A器件，作為控制輸出。選用Pt100變送一體測溫設(shè)備作為溫度傳感器。溫度傳感器輸出4-20ma電流，作為離子源溫度反饋信號。

當(dāng)手動旋轉(zhuǎn)針閥旋鈕時，相當(dāng)于絲杠帶動閥針前后運(yùn)動，以控制充入氣體的流量，離子源所使用的針閥的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩一般0.06Nm左右。使用步進(jìn)電機(jī)，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一個能夠鎖緊針閥旋鈕的裝置，則步進(jìn)電機(jī)可直接帶動針閥轉(zhuǎn)動。針閥旋轉(zhuǎn)一圈被分為50個刻度，因而其最小刻度代表旋轉(zhuǎn)7.2°。使用步進(jìn)電機(jī)控制針閥時，我們選用的步進(jìn)電機(jī)只要扭矩大于0.06Nm，且步距角小于7.2°時，對針閥的點動控制就已達(dá)到或超過手動控制的精度。

2 控制流程設(shè)計及軟件編寫

2.1 控制流程設(shè)計

自動控制系統(tǒng)上電后，會進(jìn)行數(shù)據(jù)初始化，將輸出電壓清零，將各類端口都置成正常工作狀態(tài)。當(dāng)手動/自動切換開關(guān)START為1時，離子源電源電壓由自動控制系統(tǒng)控制，此時即可進(jìn)入自動控制程序。

自動控制流程中，自控程序主要完成以下四個功能：

（1）溫度判斷。設(shè)定一個高溫閾值溫度，當(dāng)對離子源的采樣溫度高于此閾值溫度時，將離子源電壓降至零。

（2）離子源電離電流判斷。設(shè)定一個離子源電流下閾值，如果離子源電流值低于下閾值，則認(rèn)為離子源內(nèi)氣體電離殆盡，啟動針閥調(diào)節(jié)程序。

（3）穩(wěn)定輸出離子源電壓。

（4）針閥調(diào)節(jié)。

由自動控制流程的功能可看出，自動控制流程模仿的是手動操作時，當(dāng)離子源電流降低時，向離子源電離腔注入氘氣的操作。還附加了對離子源高溫過熱的保護(hù)及離子源電源擊穿短路保護(hù)的功能。

2.2 軟件編寫與系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)設(shè)計的流程圖進(jìn)行程序編寫。編寫程序時盡量做到模塊化，一個程序完成一個功能，一個頭文件代表自動控制系統(tǒng)的一個子功能模塊。在程序定義的頭文件define.h中使用#define宏定義定義各類調(diào)試參數(shù)，當(dāng)需要改變參數(shù)值時，可以只改變#define命令行，對于參數(shù)調(diào)試非常方便。

軟件編寫完成后，對各功能模塊分別進(jìn)行了測試，并依據(jù)對中子發(fā)生器使用過程中手動操作經(jīng)驗值，對自動控制系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行賦值，對自動控制整體系統(tǒng)進(jìn)行了測試。

3 結(jié)論與展望

經(jīng)測試，設(shè)計研制的中子發(fā)生器離子源自動控制系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，人機(jī)互動良好，能夠按照設(shè)計邏輯完成各項數(shù)據(jù)采集及控制動作輸出工作，達(dá)到了設(shè)計預(yù)期。

【參考文獻(xiàn)】

[1]肖坤祥，冉漢正，等.高產(chǎn)額中子發(fā)生器研制.原子能科學(xué)技術(shù).2012，第46卷增刊.

[2]丁大釗，葉春堂，趙志祥，等.中子物理學(xué)-原理、方法與應(yīng)用.北京：原子能出版社，2001：962.

[3]宋沛.ECR離子源高真空微調(diào)針閥控制系統(tǒng).機(jī)電工程技術(shù)，2004.33.

[4]聞新，李東江，馬文弟.MCS-51/52單片機(jī)原理與應(yīng)用. 北京：科學(xué)出版社，2008：1-6.

[5]喻平.中子發(fā)生器控制臺自動化研究，2010，長春，東北師范大學(xué).