離子源自動控制系統研制

趙瀟　張國光

【摘 要】論文針對中子發生器離子源的工作情況，設計一套離子源自動控制系統。自動控制系統選擇離子源電流、離子源電壓、電離腔外殼溫度及針閥相對位置作為控制數據采樣點;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。根據控制點設計系統電路及控制流程、編寫軟件。自動控制系統除具有離子源的控制、離子源工作狀態參數存儲功能及LCD顯示與鍵盤輸入功能。

【關鍵詞】中子發生器;離子源;自動控制系統;單片機

中圖分類號： V439.2文獻標識碼： 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兩個核聚變反應分別產生2.5MeV和14MeV的單能快中子[1]。其中子強度介于中子管與高壓倍加器之間，可廣泛應用于爆炸物檢測、中子照相、礦物分析、中子輻照等領域[2]。

中子發生器正常工作時，離子源一般帶有15kV～30kV的高壓。目前大多數離子源進氣調節針閥與離子源電源控制都使用手動調節。針對此情況，研究一套離子源自動控制系統。在中子發生器的運行過程中，由自動控制系統對離子源進行操作，從而確保中子出束連續。

1 自動控制系統的總體設計

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節和針閥開閉;選取離子源電壓、離子源電流、針閥轉動刻度作為采樣數值，以此為控制參數進行離子源自動控制。在中子發生器離子源對氘氣連續電離時，有可能造成溫度過高，燒毀離子源。因此設置一個離子源溫度傳感器，實時采集離子源溫度，當離子源溫度過高超過設定閾值時，關斷供電電源以保護離子源。綜上所述，離子源自動控制系統的控制點設置如表1所示。

1.2 自動控制系統功能設計

自動控制系統直接通過控制步進電機來控制針閥的開閉，并根據步進電機的操作勵磁數及步距角，來得到步進電機旋轉的相對角度，從而得到針閥旋轉的相對角度[3];自動控制系統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 硬件選擇與電路設計

主控芯片使用51系列單片機，其成本低，適用范圍廣，開發度高，且實時處理速度較快（12MHz）。這里選用40陣腳的STC89C52單片機，可自由分配4組各8個I/O端口P0～P3，用于數據傳輸或開關控制[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。使用AD模塊對反饋電流進行采樣變換。并選擇的也應具備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。

當手動旋轉針閥旋鈕時，相當于絲杠帶動閥針前后運動，以控制充入氣體的流量，離子源所使用的針閥的最大負載轉矩一般0.06Nm左右。使用步進電機，在電機轉軸上安裝一個能夠鎖緊針閥旋鈕的裝置，則步進電機可直接帶動針閥轉動。針閥旋轉一圈被分為50個刻度，因而其最小刻度代表旋轉7.2°。使用步進電機控制針閥時，我們選用的步進電機只要扭矩大于0.06Nm，且步距角小于7.2°時，對針閥的點動控制就已達到或超過手動控制的精度。

2 控制流程設計及軟件編寫

2.1 控制流程設計

自動控制系統上電后，會進行數據初始化，將輸出電壓清零，將各類端口都置成正常工作狀態。當手動/自動切換開關START為1時，離子源電源電壓由自動控制系統控制，此時即可進入自動控制程序。

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。設定一個高溫閾值溫度，當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，則認為離子源內氣體電離殆盡，啟動針閥調節程序。

（3）穩定輸出離子源電壓。

（4）針閥調節。

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及離子源電源擊穿短路保護的功能。

2.2 軟件編寫與系統調試

根據設計的流程圖進行程序編寫。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宏定義定義各類調試參數，當需要改變參數值時，可以只改變#define命令行，對于參數調試非常方便。

軟件編寫完成后，對各功能模塊分別進行了測試，并依據對中子發生器使用過程中手動操作經驗值，對自動控制系統各參數進行賦值，對自動控制整體系統進行了測試。

3 結論與展望

經測試，設計研制的中子發生器離子源自動控制系統工作狀態穩定，人機互動良好，能夠按照設計邏輯完成各項數據采集及控制動作輸出工作，達到了設計預期。

【參考文獻】

[1]肖坤祥，冉漢正，等.高產額中子發生器研制.原子能科學技術.2012，第46卷增刊.

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

[3]宋沛.ECR離子源高真空微調針閥控制系統.機電工程技術，2004.33.

[4]聞新，李東江，馬文弟.MCS-51/52單片機原理與應用. 北京：科學出版社，2008：1-6.

[5]喻平.中子發生器控制臺自動化研究，2010，長春，東北師范大學.