紧凑型D-D中子发生器控制系统设计与实现

王 伟 王俊润 李中平 韦 峥 张 宇 卢小龙 张子明 姚泽恩



紧凑型D-D中子发生器控制系统设计与实现

王 伟1,2王俊润1,2李中平3韦 峥1,2张 宇1,2卢小龙1,2张子明3姚泽恩1,2

1（兰州大学 核科学与技术学院 兰州 730000）2（兰州大学 教育部 中子应用技术工程研究中心 兰州 730000）3（中国科学院近代物理研究所 兰州 730000）

紧凑型D-D中子发生器为工业物料中子活化分析提供稳定可靠快中子源，其控制系统需要实现对加速器现场多设备远程参数调节和状态监测，保证中子发生器持续稳定运行，采用PC机加智能仪器构成的分布式结构，设计开发了一套基于LabVIEW的综合控制系统，将MySQL数据库接入控制系统，实现中子发生器各设备主要运行参数的保存与查询。系统测试稳定，并成功应用于该中子发生器的调试和实验中。

中子发生器，LabVIEW，MySQL数据库，分布式控制系统

紧凑型D-D中子发生器因其体积小、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点，在工业在线中子活化分析、中子照相、爆炸物及毒品检测等方面有广泛的应用价值[1‒3]。早先的紧凑型D-D中子发生器主要以密封中子管为主，但因其结构限制及使用微型潘宁离子源，D束流只有几十微安，中子产额低，不能满足应用需要。开发D束流大于1 mA，D-D中子产额大于108n∙s‒1的紧凑型中子发生器已成为中子应用技术的迫切需要。美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence Berkeley National Laboratory, LBNL)已发展了各种形式的紧凑型中子发生器[4‒6]，国内此方面的研究相对滞后[7‒8]。

在兰州大学一台用于工业物料成分在线中子活化分析的紧凑型D-D中子发生器正在研制中。为便于工业现场的应用，紧凑型D-D中子发生器的计算机远程控制是需要解决的问题之一。本文的主要目的是为紧凑型D-D中子发生器研制一套计算机控制系统，以实现对中子发生器的远程控制，要求系统紧凑可靠，操作界面简单易行。

1 紧凑型D-D中子发生器结构及控制参量

所开发的紧凑型D-D中子发生器由中子发生器主体、电源及控制测量集成柜、工控机、冷却循环机等组成，如图1所示[9]，其主要技术指标如下：

D-D中子产额>1×108n∙s‒1；靶上D束流≥1mA；靶上D束斑≤ø20 mm；D束流能量100‒120 keV；中子发生器主体外形尺寸ø200‒300 mm；长约1000mm。

为实现上述指标，离子源采用了双等离子体离子源，该离子源需要三台电源为其供电，其电参数和控制要求分别为：灯丝电源，0‒20 V/0‒76 A连续可调；磁场电源，0‒100 V/0‒15 A连续可调；弧流电源，0 ‒ ‒500 V/0‒10 A连续可调；另外，采用质量流量控制器来控制离子源进气，进气量0‒10mL∙min‒1连续可调。高压电源指标为‒160kV/25 mA，经高压电缆和高压绝缘接头将高压加在中子发生器引出加速电极上，实现从离子源引出D离子束并加速到预定能量的目的，控制要求高压0 ‒ ‒160 kV连续可调，同时，采集高压负载电流并实时显示。由一组由分子泵、机械泵、真空计组成的真空机组保证中子发生腔内达到高真空，控制要求为分子泵、机械泵的起停，运行状态参数及真空度等数据的采集及实时显示。由一台冷却循环机为离子源及靶提供冷却液，控制要求为冷却循环机的起停及运行状态参数的采集与实时显示。另外，计算机控制系统还需要对来自中子产额监测探测器系统的数据进行采集和实时显示。

图1 中子发生器系统结构示意图 Fig.1 Systems of neutron generator.

2 控制系统硬件结构

中子发生器系统中离子源电源、气体质量流量计、高压电源、分子泵真空规等都属于智能化仪器，仪器内部自身集成了接口和接口协议，其中三台离子源电源采用RS-422串口通信标准，高压电源、真空规、气体质量流量计采用了RS-232串口通信标准，远程I/O ADAM-4000系列模块和分子泵采用RS-485串口通信。面对多设备、多通信协议组成的系统，为简化通信连接，增强系统可扩展性，工控机, IPC)通过网络TCP/IP通信协议[10]与串口联网服务器(Serial device server)通讯，利用串口联网服务器实现TCP/IP通信协议与RS-232/RS-422/RS-485串口通信协议的转换。控制系统硬件结构如图2所示。

图2 控制系统硬件框图 Fig.2 Hardware diagram of control system.

采用研华ADAM-4000系列I/O模块实现设备供电的远程监测以及温度数据采集。其中，由IPC经串口服务器向ADAM-4068模块发出数字控制信号，ADAM-4068将数字量信号转化成开关量控制继电器，实现离子源电源、高压电源、真空系统（包括机械泵、分子泵和真空规）冷却机和中子探测器的供电控制；利用ADAM-4053模块采集的继电器电参数转换的16路数字量，实现对设备供电状态的监测；利用ADAM-4018模块采集热电偶传感器模拟量转换的数字量，实现对冷却液、离子源线包等关键部位温度的监测。

3 控制系统软件设计

平台开发了控制系统软件，针对各个设备设计了各自的测控子模块，即开发了高压电源模块、离子源电源模块、气体质量流量计模块、真空计模块、ADAM O/I模块和等。其中，离子源电源模块包含灯丝电源、励磁电源和弧流电源三个相互独立的子模块；ADAM I/O部分包含三个相互独立的子模块，分别对应控制ADAM-4068、ADAM-4053。访问数据库子模块实现系统运行数据库更新和查询。当控制软件运行时，通过主程序实现各子模块的并行执行。控制软件框架结构如图3所示。

图3 控制软件结构框图 Fig.3 Software diagram of control system.

3.1 并行子模块的设计

各设备子模块对应不同的串口联网服务器端口，尽管各个设备的端口和通讯协议不尽相同，但各设备软件子模块结构相类似。本节将以高压电源控制为例，来说明控制软件子模块的设计结构。高压电源的控制软件子模块结构如图4所示，即使用LabVIEW中已封装好的TCP通讯子VI来实现与设备的连接建立、数据发送、数据读取等功能。高压电源控制模块开始运行，首先调用子VI打开链接，工控机与高压电源串口服务器端口建立通信，如果建立通信过程中出现错误，则发出警告，关闭TCP链接结束程序；若没有错误，则查询是否进行参数设置操作。当有设备参数操作时，执行设备参数设置命令，调节电源电压、电流输出值或进行输出开关操作；当没有参数值改变时，循环执行设备状态查询，读取电压、电流输出值以及电源输出状态，并在界面实时显示。

图4 电源控制流程图 Fig.4 Diagram of power control software.

3.2 系统运行数据库的建立

中子发生器持续运行过程中会产生大量运行数据，运行历史数据是中子发生器故障诊断、维护和将来改进的依据，故需要建立相应的数据库，以及时保存相关数据。

系统运行数据库的建立采用了瑞典MySQL AB公司开发的关系型数据管理系统软件MySQL，MySQL具有源代码开放、体积小、运行速度快等特点。首先，在MySQL数据库软件环境下，利用SQL语言创建自定义数据库Ngenerator，并在该数据库下创建二维数据表格Records，数据表格中每一条记录包括日期、时间和中子发生器各设备运行参数，如真空度、离子源进气量、离子源电源电流和电压、高压电源电流和电压、中子产额等。

为让基于LabVIEW所开发的控制程序能够访问MySQL中所建立的数据库Ngenerator[11]，首先，安装MySQL数据库驱动程序MySQL ODBC 5.1 DRIVER，再用Windows系统自带的ODBC (Open Database Connectivity)管理器注册一个数据源，由ODBC管理器根据数据源提供的数据库位置、数据库类型及ODBC驱动程序等信息，建立起ODBC与数据库的链接，ODBC是微软提出的开放式数据库互连技术，为访问不同种类的SQL数据库提供了通用接口；其次，利用LabVIEW中的数据库连接工具包，通过所建立的ODBC接口实现基于LabVIEW开发的控制程序对数据库的访问。LabVIEW控制程序对数据库的访问逻辑框图如图5所示。

图5 LabVIEW控制程序访问数据库示意图 Fig.5 Diagram of LabVIEW application access databases.

为实现对数据库的操作，还需要开发基于LabVIEW的数据库的访问程序模块，该程序模块主要包括数据存储程序、历史数据查询及显示程序。数据存储程序首先通过局部变量数据共享得到中子发生器运行主要数据[12]，如真空度、进气量、离子源电源电压电流、高压电源电压电流以及中子产额等，加入计算机日期时间数据，打包形成数据簇，然后存储程序调用LabVIEW中的DB Tools Insert vi函数将打包的数据簇写入到数据库数据表格中，形成一条新的纪录，设置存储周期为1 s。由历史数据查询及显示程序调用DB Tools select vi函数，以日期时间为查询关键字，设定查询的时间范围，从数据库中获取历史数据，并由该程序将数据转化成LabVIEW可识别二维字符串数组，在控制界面子窗口中以二维数据表格的形式显示。

3.3 控制系统计算机操作界面

在LabVIEW平台上开发了控制软件计算机操作界面程序，其生成的控制系统界面如图6所示。为使界面显示清晰和操作简单易行，对界面进行了分区，将需要调节的元件分布在界面的右侧，如高压电源、离子源电源、气体质量流量计等，界面左侧是分子泵、真空计、中子探测器及温度监测显示区域，左下角是系统供电控制及状态监测显示区域。界面右上角按钮实现系统运行数据的保存与查询。

图6 控制系统界面 Fig.6 Interface of control system.

4 结语

在中子发生器出中子之前，开展了质子束出束调试，并对控制系统进行了测试。即给离子源通氢气产生等离子体，引出质子束并加速到靶上。在离子源进气0.22 mL∙min‒1、离子源励磁电流5 A、灯丝电流44 A、离子源弧流0.2 A、引出加速高压‒100kV条件下，靶上质子束流已大于2 mA。在调束过程中，利用开发的计算机远程控制系统实现了对离子源电源、气体流量计、高压电源、分子泵等设备的远程控制、采集和实时显示。系统运行稳定，控制信号响应快，远程数据采集准确，界面操作简洁方便，满足了中子发生器控制系统设计要求。

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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

国家重大科学仪器设备开发专项(No.2013YQ40861)资助

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

王伟，男，1990年出生，2013年毕业于兰州大学，现为硕士研究生，研究领域为核能与核技术工程

姚泽恩，E-mail: zeyao@lzu.edu.cn

2016-03-02，

2016-03-19