王 偉 王俊潤 李中平 韋 崢 張 宇 盧小龍 張子明 姚澤恩

?

緊湊型D-D中子發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 偉1,2王俊潤1,2李中平3韋 崢1,2張 宇1,2盧小龍1,2張子明3姚澤恩1,2

1（蘭州大學 核科學與技術(shù)學院 蘭州 730000）2（蘭州大學 教育部 中子應(yīng)用技術(shù)工程研究中心 蘭州 730000）3（中國科學院近代物理研究所 蘭州 730000）

緊湊型D-D中子發(fā)生器為工業(yè)物料中子活化分析提供穩(wěn)定可靠快中子源，其控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)對加速器現(xiàn)場多設(shè)備遠程參數(shù)調(diào)節(jié)和狀態(tài)監(jiān)測，保證中子發(fā)生器持續(xù)穩(wěn)定運行，采用PC機加智能儀器構(gòu)成的分布式結(jié)構(gòu)，設(shè)計開發(fā)了一套基于LabVIEW的綜合控制系統(tǒng)，將MySQL數(shù)據(jù)庫接入控制系統(tǒng)，實現(xiàn)中子發(fā)生器各設(shè)備主要運行參數(shù)的保存與查詢。系統(tǒng)測試穩(wěn)定，并成功應(yīng)用于該中子發(fā)生器的調(diào)試和實驗中。

中子發(fā)生器，LabVIEW，MySQL數(shù)據(jù)庫，分布式控制系統(tǒng)

緊湊型D-D中子發(fā)生器因其體積小、不使用放射性氚、有更好的安全性能、可代替同位素中子源等特點，在工業(yè)在線中子活化分析、中子照相、爆炸物及毒品檢測等方面有廣泛的應(yīng)用價值[1?3]。早先的緊湊型D-D中子發(fā)生器主要以密封中子管為主，但因其結(jié)構(gòu)限制及使用微型潘寧離子源，D束流只有幾十微安，中子產(chǎn)額低，不能滿足應(yīng)用需要。開發(fā)D束流大于1 mA，D-D中子產(chǎn)額大于108n?s?1的緊湊型中子發(fā)生器已成為中子應(yīng)用技術(shù)的迫切需要。美國勞倫斯伯克利國家實驗室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)已發(fā)展了各種形式的緊湊型中子發(fā)生器[4?6]，國內(nèi)此方面的研究相對滯后[7?8]。

在蘭州大學一臺用于工業(yè)物料成分在線中子活化分析的緊湊型D-D中子發(fā)生器正在研制中。為便于工業(yè)現(xiàn)場的應(yīng)用，緊湊型D-D中子發(fā)生器的計算機遠程控制是需要解決的問題之一。本文的主要目的是為緊湊型D-D中子發(fā)生器研制一套計算機控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)對中子發(fā)生器的遠程控制，要求系統(tǒng)緊湊可靠，操作界面簡單易行。

1 緊湊型D-D中子發(fā)生器結(jié)構(gòu)及控制參量

所開發(fā)的緊湊型D-D中子發(fā)生器由中子發(fā)生器主體、電源及控制測量集成柜、工控機、冷卻循環(huán)機等組成，如圖1所示[9]，其主要技術(shù)指標如下：

D-D中子產(chǎn)額>1×108n?s?1；靶上D束流≥1mA；靶上D束斑≤?20 mm；D束流能量100?120 keV；中子發(fā)生器主體外形尺寸?200?300 mm；長約1000mm。

為實現(xiàn)上述指標，離子源采用了雙等離子體離子源，該離子源需要三臺電源為其供電，其電參數(shù)和控制要求分別為：燈絲電源，0?20 V/0?76 A連續(xù)可調(diào)；磁場電源，0?100 V/0?15 A連續(xù)可調(diào)；弧流電源，0 ? ?500 V/0?10 A連續(xù)可調(diào)；另外，采用質(zhì)量流量控制器來控制離子源進氣，進氣量0?10mL?min?1連續(xù)可調(diào)。高壓電源指標為?160kV/25 mA，經(jīng)高壓電纜和高壓絕緣接頭將高壓加在中子發(fā)生器引出加速電極上，實現(xiàn)從離子源引出D離子束并加速到預定能量的目的，控制要求高壓0 ? ?160 kV連續(xù)可調(diào)，同時，采集高壓負載電流并實時顯示。由一組由分子泵、機械泵、真空計組成的真空機組保證中子發(fā)生腔內(nèi)達到高真空，控制要求為分子泵、機械泵的起停，運行狀態(tài)參數(shù)及真空度等數(shù)據(jù)的采集及實時顯示。由一臺冷卻循環(huán)機為離子源及靶提供冷卻液，控制要求為冷卻循環(huán)機的起停及運行狀態(tài)參數(shù)的采集與實時顯示。另外，計算機控制系統(tǒng)還需要對來自中子產(chǎn)額監(jiān)測探測器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進行采集和實時顯示。

圖1 中子發(fā)生器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Systems of neutron generator.

2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

中子發(fā)生器系統(tǒng)中離子源電源、氣體質(zhì)量流量計、高壓電源、分子泵真空規(guī)等都屬于智能化儀器，儀器內(nèi)部自身集成了接口和接口協(xié)議，其中三臺離子源電源采用RS-422串口通信標準，高壓電源、真空規(guī)、氣體質(zhì)量流量計采用了RS-232串口通信標準，遠程I/O ADAM-4000系列模塊和分子泵采用RS-485串口通信。面對多設(shè)備、多通信協(xié)議組成的系統(tǒng)，為簡化通信連接，增強系統(tǒng)可擴展性，工控機, IPC)通過網(wǎng)絡(luò)TCP/IP通信協(xié)議[10]與串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器(Serial device server)通訊，利用串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器實現(xiàn)TCP/IP通信協(xié)議與RS-232/RS-422/RS-485串口通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件框圖 Fig.2 Hardware diagram of control system.

采用研華ADAM-4000系列I/O模塊實現(xiàn)設(shè)備供電的遠程監(jiān)測以及溫度數(shù)據(jù)采集。其中，由IPC經(jīng)串口服務(wù)器向ADAM-4068模塊發(fā)出數(shù)字控制信號，ADAM-4068將數(shù)字量信號轉(zhuǎn)化成開關(guān)量控制繼電器，實現(xiàn)離子源電源、高壓電源、真空系統(tǒng)（包括機械泵、分子泵和真空規(guī)）冷卻機和中子探測器的供電控制；利用ADAM-4053模塊采集的繼電器電參數(shù)轉(zhuǎn)換的16路數(shù)字量，實現(xiàn)對設(shè)備供電狀態(tài)的監(jiān)測；利用ADAM-4018模塊采集熱電偶傳感器模擬量轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，實現(xiàn)對冷卻液、離子源線包等關(guān)鍵部位溫度的監(jiān)測。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

平臺開發(fā)了控制系統(tǒng)軟件，針對各個設(shè)備設(shè)計了各自的測控子模塊，即開發(fā)了高壓電源模塊、離子源電源模塊、氣體質(zhì)量流量計模塊、真空計模塊、ADAM O/I模塊和等。其中，離子源電源模塊包含燈絲電源、勵磁電源和弧流電源三個相互獨立的子模塊；ADAM I/O部分包含三個相互獨立的子模塊，分別對應(yīng)控制ADAM-4068、ADAM-4053。訪問數(shù)據(jù)庫子模塊實現(xiàn)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫更新和查詢。當控制軟件運行時，通過主程序?qū)崿F(xiàn)各子模塊的并行執(zhí)行。控制軟件框架結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制軟件結(jié)構(gòu)框圖 Fig.3 Software diagram of control system.

3.1 并行子模塊的設(shè)計

各設(shè)備子模塊對應(yīng)不同的串口聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端口，盡管各個設(shè)備的端口和通訊協(xié)議不盡相同，但各設(shè)備軟件子模塊結(jié)構(gòu)相類似。本節(jié)將以高壓電源控制為例，來說明控制軟件子模塊的設(shè)計結(jié)構(gòu)。高壓電源的控制軟件子模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，即使用LabVIEW中已封裝好的TCP通訊子VI來實現(xiàn)與設(shè)備的連接建立、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)讀取等功能。高壓電源控制模塊開始運行，首先調(diào)用子VI打開鏈接，工控機與高壓電源串口服務(wù)器端口建立通信，如果建立通信過程中出現(xiàn)錯誤，則發(fā)出警告，關(guān)閉TCP鏈接結(jié)束程序；若沒有錯誤，則查詢是否進行參數(shù)設(shè)置操作。當有設(shè)備參數(shù)操作時，執(zhí)行設(shè)備參數(shù)設(shè)置命令，調(diào)節(jié)電源電壓、電流輸出值或進行輸出開關(guān)操作；當沒有參數(shù)值改變時，循環(huán)執(zhí)行設(shè)備狀態(tài)查詢，讀取電壓、電流輸出值以及電源輸出狀態(tài)，并在界面實時顯示。

圖4 電源控制流程圖 Fig.4 Diagram of power control software.

3.2 系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫的建立

中子發(fā)生器持續(xù)運行過程中會產(chǎn)生大量運行數(shù)據(jù)，運行歷史數(shù)據(jù)是中子發(fā)生器故障診斷、維護和將來改進的依據(jù)，故需要建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，以及時保存相關(guān)數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)庫的建立采用了瑞典MySQL AB公司開發(fā)的關(guān)系型數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件MySQL，MySQL具有源代碼開放、體積小、運行速度快等特點。首先，在MySQL數(shù)據(jù)庫軟件環(huán)境下，利用SQL語言創(chuàng)建自定義數(shù)據(jù)庫Ngenerator，并在該數(shù)據(jù)庫下創(chuàng)建二維數(shù)據(jù)表格Records，數(shù)據(jù)表格中每一條記錄包括日期、時間和中子發(fā)生器各設(shè)備運行參數(shù)，如真空度、離子源進氣量、離子源電源電流和電壓、高壓電源電流和電壓、中子產(chǎn)額等。

為讓基于LabVIEW所開發(fā)的控制程序能夠訪問MySQL中所建立的數(shù)據(jù)庫Ngenerator[11]，首先，安裝MySQL數(shù)據(jù)庫驅(qū)動程序MySQL ODBC 5.1 DRIVER，再用Windows系統(tǒng)自帶的ODBC (Open Database Connectivity)管理器注冊一個數(shù)據(jù)源，由ODBC管理器根據(jù)數(shù)據(jù)源提供的數(shù)據(jù)庫位置、數(shù)據(jù)庫類型及ODBC驅(qū)動程序等信息，建立起ODBC與數(shù)據(jù)庫的鏈接，ODBC是微軟提出的開放式數(shù)據(jù)庫互連技術(shù)，為訪問不同種類的SQL數(shù)據(jù)庫提供了通用接口；其次，利用LabVIEW中的數(shù)據(jù)庫連接工具包，通過所建立的ODBC接口實現(xiàn)基于LabVIEW開發(fā)的控制程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問。LabVIEW控制程序?qū)?shù)據(jù)庫的訪問邏輯框圖如圖5所示。

圖5 LabVIEW控制程序訪問數(shù)據(jù)庫示意圖 Fig.5 Diagram of LabVIEW application access databases.

為實現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，還需要開發(fā)基于LabVIEW的數(shù)據(jù)庫的訪問程序模塊，該程序模塊主要包括數(shù)據(jù)存儲程序、歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示程序。數(shù)據(jù)存儲程序首先通過局部變量數(shù)據(jù)共享得到中子發(fā)生器運行主要數(shù)據(jù)[12]，如真空度、進氣量、離子源電源電壓電流、高壓電源電壓電流以及中子產(chǎn)額等，加入計算機日期時間數(shù)據(jù)，打包形成數(shù)據(jù)簇，然后存儲程序調(diào)用LabVIEW中的DB Tools Insert vi函數(shù)將打包的數(shù)據(jù)簇寫入到數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)表格中，形成一條新的紀錄，設(shè)置存儲周期為1 s。由歷史數(shù)據(jù)查詢及顯示程序調(diào)用DB Tools select vi函數(shù)，以日期時間為查詢關(guān)鍵字，設(shè)定查詢的時間范圍，從數(shù)據(jù)庫中獲取歷史數(shù)據(jù)，并由該程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成LabVIEW可識別二維字符串數(shù)組，在控制界面子窗口中以二維數(shù)據(jù)表格的形式顯示。

3.3 控制系統(tǒng)計算機操作界面

在LabVIEW平臺上開發(fā)了控制軟件計算機操作界面程序，其生成的控制系統(tǒng)界面如圖6所示。為使界面顯示清晰和操作簡單易行，對界面進行了分區(qū)，將需要調(diào)節(jié)的元件分布在界面的右側(cè)，如高壓電源、離子源電源、氣體質(zhì)量流量計等，界面左側(cè)是分子泵、真空計、中子探測器及溫度監(jiān)測顯示區(qū)域，左下角是系統(tǒng)供電控制及狀態(tài)監(jiān)測顯示區(qū)域。界面右上角按鈕實現(xiàn)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的保存與查詢。

圖6 控制系統(tǒng)界面 Fig.6 Interface of control system.

4 結(jié)語

在中子發(fā)生器出中子之前，開展了質(zhì)子束出束調(diào)試，并對控制系統(tǒng)進行了測試。即給離子源通氫氣產(chǎn)生等離子體，引出質(zhì)子束并加速到靶上。在離子源進氣0.22 mL?min?1、離子源勵磁電流5 A、燈絲電流44 A、離子源弧流0.2 A、引出加速高壓?100kV條件下，靶上質(zhì)子束流已大于2 mA。在調(diào)束過程中，利用開發(fā)的計算機遠程控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對離子源電源、氣體流量計、高壓電源、分子泵等設(shè)備的遠程控制、采集和實時顯示。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制信號響應(yīng)快，遠程數(shù)據(jù)采集準確，界面操作簡潔方便，滿足了中子發(fā)生器控制系統(tǒng)設(shè)計要求。

1 魏國海, 韓松柏, 陳東風, 等. 中子照相技術(shù)在核燃料元件無損檢測中的應(yīng)用[J].核技術(shù),
WEI Guohai, HAN Songbai, CHEN Dongfeng, .Application of neutron radiography for non-destructive testing nuclear fuel elements[J]. Nuclear Techniques, 2012, 35(11): 821?826

2 冉建玲, 盧小龍, 馬占文, 等. 基于微通道板的快中子像探測器轉(zhuǎn)換器的模擬研究[J]. 核技術(shù), 2015, 38(9): 090401. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.090401
RAN Jianling, LU Xiaolong, MA Zhanwen,. Simulation study on the converter of fast neutron imaging detector based on micro-channel plates[J]. Nuclear Techniques, 2015, 38(9): 090401. DOI: 10.11889/j.0253- 3219.2015.hjs.38.090401

3 袁國軍, 肖才錦, 金象春, 等. 北京市場10種膳食魚微量元素的中子活化分析[J]. 核技術(shù), 2013, 36(9): 090207. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36.090207
YUAN Guojun, XIAO Caijin, JIN Xiangchun,. Study on trace elements of ten kinds of fish species at Beijing market by INAA[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(9): 090207. DOI: 10.11889/j.0253-3219.2013.hjs.36. 090207

4 Reijonen J, Gicquel F, Leung K N,.[J]. Applied Radiation and Isotopes, 2005, 63: 757?763. DOI: 10.1016/j. apradiso.2005.05.024

5 Ludewigt B A, Wells R P, Reijonen J. High-yield D-T neutron generator[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2007, 261: 830?834. DOI: 10.1016/j.nimb.2007.04.246

6 Reijonen J. Neutron generators developed at LBNL for homeland security and imaging applications[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, 2007, 261: 272?276. DOI: 10.1016/j.nimb.2007.04.192

7 張國光, 沈冠仁, 豐樹強, 等.[R]. 中國原子能科學研究院年報, 2012: 344?346
ZHANG Guoguang, LIU Guanren, FENG Shuqiang,. The development of miniaturized neutron generator[R]. China Institute of Atomic Energy Annual Report, 2012: 344?346

8 肖坤祥, 冉漢正, 曾清, 等.高產(chǎn)額中子發(fā)生器研制[J]. 原子能科學技術(shù), 2012, 46(B09): 713?717. DOI: 1000-6931(2012)S0-0713-05
XIAO Kunxiang, RAN Hanzheng, ZENG Qing,. Development of high-yielding neutron generator[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2012, 46(B09): 713?717. DOI: 1000-6931(2012)S0-0713-05

9 王俊潤. 緊湊型D-D中子發(fā)生器的物理設(shè)計[D]. 蘭州: 蘭州大學, 2015
WANG Junrun. Design of a high-yield D-D neutron generator with compact construction[D]. Lanzhou: Lanzhou University, 2015

10 姜子運, 郭玉輝, 劉海濤, 等. 加速器驅(qū)動次臨界系統(tǒng)注入器離子源控制系統(tǒng)[J]. 強激光與粒子束, 2014, 26(05): 26055102. DOI: 10.11884/HPLPB201426.055102
JIANG Ziyun, GUO Yuhui, LIU Haitao,. Control systerm of ion sources for injector of accelerator driven sub-critical system[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2014, 26(05): 26055102. DOI: 10.11884/ HPLPB201426.055102

11 吳雪婷, 孔祥成, 孫書歡. 基于LabVIEW的MUED加速器控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 核電子學與探測技術(shù),DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934. 2014.11.022
WU Xueting, KONG Xiangcheng, SUN Shuhuan. Design and implementation of LabVIEW-based control system for MUED accelerator[J]. Nuclear Electronics and Detection Technology, 2014, 34(11): 1371?1375. DOI: 10.3969/j.issn.0258-0934.2014.11.022

12 阮奇楨. 我和LabVIEW：一個NI工程師的十年編程經(jīng)驗[M]. 北京: 北京航空航天大學出版社, 2012: 8?189
RUAN Qizhen. I and LabVIEW: ten years programming experience of a NI engineer[M]. Beijing: Beijing University of Aeronautics and Astronautics Press, 2012: 8?189

國家重大科學儀器設(shè)備開發(fā)專項(No.2013YQ40861)資助

Supported by National Major Scientific Instruments and Equipment Development Projects (No.2013YQ40861)

Design and implementation of control system for compact D-D neutron generator

WANG Wei1,2WANG Junrun1,2LI Zhongping3WEI Zheng1,2ZHANG Yu1,2LU Xiaolong1,2ZHANG Ziming3YAO Zeen1,2

1(School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)2(Engineering Research Center for Neutron Application, Ministry of Education, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China)3(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)

Background: Compact D-Dprovides the stable and reliable 2.5-MeV neutrons with higher neutron yields, which can be applied in,, and detection of explosives and drugs. In this work, a control system of neutron generator was developed to realize remote adjustment and measurement. Purpose: Theof neutron generator is used to adjust and monitor field devices remotely to ensure normal work for neutron generator. Methods: According to the characteristics of the devices’ interface, serial port server is used as the hardware for control system. Based on LabVIEW, the control system integrates and monitors all equipments of neutron generator, which duly saves and queries main operating parameters of neutron generator by accessing MySQL database. Results: The control system operates stably for long time, and is applied successfully to debug and test of the neutron generator. Conclusion: The design of control system for compact D-D neutron generator meets the designed goal, and realizes remote control mode for adjustment and measurement.

Neutron generator, LabVIEW, MySQL database, Distributed control system

WANG Wei, male, born in 1990, graduated from Lanzhou University in 2013, master student, focusing on nuclear power and nuclear techniques

YAO Zeen, E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

TL503.6

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.050402

王偉，男，1990年出生，2013年畢業(yè)于蘭州大學，現(xiàn)為碩士研究生，研究領(lǐng)域為核能與核技術(shù)工程

姚澤恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2016-03-02，

2016-03-19