离子源自动控制系统研制

赵潇　张国光

【摘 要】论文针对中子发生器离子源的工作情况，设计一套离子源自动控制系统。自动控制系统选择离子源电流、离子源电压、电离腔外壳温度及针阀相对位置作为控制数据采样点;并将离子源电源输出电压大小、针阀开闭大小作为控制动作输出点。根据控制点设计系统电路及控制流程、编写软件。自动控制系统除具有离子源的控制、离子源工作状态参数存储功能及LCD显示与键盘输入功能。

【关键词】中子发生器;离子源;自动控制系统;单片机

中图分类号： V439.2文献标识码： A 文章编号： 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

移动式中子发生器是一台可移动小型中子源，它是一种微型高压型加速器，主要利用D（d，n）3He和T（d，n）4He两个核聚变反应分别产生2.5MeV和14MeV的单能快中子[1]。其中子强度介于中子管与高压倍加器之间，可广泛应用于爆炸物检测、中子照相、矿物分析、中子辐照等领域[2]。

中子发生器正常工作时，离子源一般带有15kV～30kV的高压。目前大多数离子源进气调节针阀与离子源电源控制都使用手动调节。针对此情况，研究一套离子源自动控制系统。在中子发生器的运行过程中，由自动控制系统对离子源进行操作，从而确保中子出束连续。

1 自动控制系统的总体设计

1.1 自动控制点的选取

自动控制的输出操作，主要针对离子源电压升降调节和针阀开闭;选取离子源电压、离子源电流、针阀转动刻度作为采样数值，以此为控制参数进行离子源自动控制。在中子发生器离子源对氘气连续电离时，有可能造成温度过高，烧毁离子源。因此设置一个离子源温度传感器，实时采集离子源温度，当离子源温度过高超过设定阈值时，关断供电电源以保护离子源。综上所述，离子源自动控制系统的控制点设置如表1所示。

1.2 自動控制系统功能设计

自动控制系统直接通过控制步进电机来控制针阀的开闭，并根据步进电机的操作励磁数及步距角，来得到步进电机旋转的相对角度，从而得到针阀旋转的相对角度[3];自动控制系统还直接通过安装在离子源外壳的温度传感器来读取离子源外壳温度。而离子源电源的电流值、电压值及对离子源电压的操作，自动控制系统都通过对离子源电源的操作来完成。

1.3 硬件选择与电路设计

主控芯片使用51系列单片机，其成本低，适用范围广，开发度高，且实时处理速度较快（12MHz）。这里选用40阵脚的STC89C52单片机，可自由分配4组各8个I/O端口P0～P3，用于数据传输或开关控制[4]。离子源电源分别反馈0-5V电压信号，与0-50mA离子源电流相对应。使用AD模块对反馈电流进行采样变换。并选择的也应具备0-10V电压输出D/A器件，作为控制输出。选用Pt100变送一体测温设备作为温度传感器。温度传感器输出4-20ma电流，作为离子源温度反馈信号。

当手动旋转针阀旋钮时，相当于丝杠带动阀针前后运动，以控制充入气体的流量，离子源所使用的针阀的最大负载转矩一般0.06Nm左右。使用步进电机，在电机转轴上安装一个能够锁紧针阀旋钮的装置，则步进电机可直接带动针阀转动。针阀旋转一圈被分为50个刻度，因而其最小刻度代表旋转7.2°。使用步进电机控制针阀时，我们选用的步进电机只要扭矩大于0.06Nm，且步距角小于7.2°时，对针阀的点动控制就已达到或超过手动控制的精度。

2 控制流程设计及软件编写

2.1 控制流程设计

自动控制系统上电后，会进行数据初始化，将输出电压清零，将各类端口都置成正常工作状态。当手动/自动切换开关START為1时，离子源电源电压由自动控制系统控制，此时即可进入自动控制程序。

自动控制流程中，自控程序主要完成以下四个功能：

（1）温度判断。设定一个高温阈值温度，当对离子源的采样温度高于此阈值温度时，将离子源电压降至零。

（2）离子源电离电流判断。设定一个离子源电流下阈值，如果离子源电流值低于下阈值，则认为离子源内气体电离殆尽，启动针阀调节程序。

（3）稳定输出离子源电压。

（4）针阀调节。

由自动控制流程的功能可看出，自动控制流程模仿的是手动操作时，当离子源电流降低时，向离子源电离腔注入氘气的操作。还附加了对离子源高温过热的保护及离子源电源击穿短路保护的功能。

2.2 软件编写与系统调试

根据设计的流程图进行程序编写。编写程序时尽量做到模块化，一个程序完成一个功能，一个头文件代表自动控制系统的一个子功能模块。在程序定义的头文件define.h中使用#define宏定义定义各类调试参数，当需要改变参数值时，可以只改变#define命令行，对于参数调试非常方便。

软件编写完成后，对各功能模块分别进行了测试，并依据对中子发生器使用过程中手动操作经验值，对自动控制系统各参数进行赋值，对自动控制整体系统进行了测试。

3 结论与展望

经测试，设计研制的中子发生器离子源自动控制系统工作状态稳定，人机互动良好，能够按照设计逻辑完成各项数据采集及控制动作输出工作，达到了设计预期。

【参考文献】

[1]肖坤祥，冉汉正，等.高产额中子发生器研制.原子能科学技术.2012，第46卷增刊.

[2]丁大钊，叶春堂，赵志祥，等.中子物理学-原理、方法与应用.北京：原子能出版社，2001：962.

[3]宋沛.ECR离子源高真空微调针阀控制系统.机电工程技术，2004.33.

[4]闻新，李东江，马文弟.MCS-51/52单片机原理与应用. 北京：科学出版社，2008：1-6.

[5]喻平.中子发生器控制台自动化研究，2010，长春，东北师范大学.