離子源自動(dòng)控制系統(tǒng)研制

趙瀟　張國(guó)光

【摘 要】論文針對(duì)中子發(fā)生器離子源的工作情況，設(shè)計(jì)一套離子源自動(dòng)控制系統(tǒng)。自動(dòng)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(duì)位置作為控制數(shù)據(jù)采樣點(diǎn);并將離子源電源輸出電壓大小、針閥開閉大小作為控制動(dòng)作輸出點(diǎn)。根據(jù)控制點(diǎn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路及控制流程、編寫軟件。自動(dòng)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(chǔ)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(dòng)控制系統(tǒng);單片機(jī)

中圖分類號(hào)： V439.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(dòng)式中子發(fā)生器是一臺(tái)可移動(dòng)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(gè)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(cè)、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(shí)，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(dòng)調(diào)節(jié)。針對(duì)此情況，研究一套離子源自動(dòng)控制系統(tǒng)。在中子發(fā)生器的運(yùn)行過程中，由自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)離子源進(jìn)行操作，從而確保中子出束連續(xù)。

1 自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)控制點(diǎn)的選取

自動(dòng)控制的輸出操作，主要針對(duì)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(dòng)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(dòng)控制。在中子發(fā)生器離子源對(duì)氘氣連續(xù)電離時(shí)，有可能造成溫度過高，燒毀離子源。因此設(shè)置一個(gè)離子源溫度傳感器，實(shí)時(shí)采集離子源溫度，當(dāng)離子源溫度過高超過設(shè)定閾值時(shí)，關(guān)斷供電電源以保護(hù)離子源。綜上所述，離子源自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制點(diǎn)設(shè)置如表1所示。

1.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

自動(dòng)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(lì)磁數(shù)及步距角，來得到步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度，從而得到針閥旋轉(zhuǎn)的相對(duì)角度[3];自動(dòng)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(duì)離子源電壓的操作，自動(dòng)控制系統(tǒng)都通過對(duì)離子源電源的操作來完成。

1.3 硬件選擇與電路設(shè)計(jì)

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(shí)時(shí)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(gè)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(hào)，與0-50mA離子源電流相對(duì)應(yīng)。使用AD模塊對(duì)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(cè)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(hào)。

當(dāng)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)針閥旋鈕時(shí)，相當(dāng)于絲杠帶動(dòng)閥針前后運(yùn)動(dòng)，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(gè)能夠鎖緊針閥旋鈕的裝置，則步進(jìn)電機(jī)可直接帶動(dòng)針閥轉(zhuǎn)動(dòng)。針閥旋轉(zhuǎn)一圈被分為50個(gè)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(shí)，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(shí)，對(duì)針閥的點(diǎn)動(dòng)控制就已達(dá)到或超過手動(dòng)控制的精度。

2 控制流程設(shè)計(jì)及軟件編寫

2.1 控制流程設(shè)計(jì)

自動(dòng)控制系統(tǒng)上電后，會(huì)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(dòng)/自動(dòng)切換開關(guān)START為1時(shí)，離子源電源電壓由自動(dòng)控制系統(tǒng)控制，此時(shí)即可進(jìn)入自動(dòng)控制程序。

自動(dòng)控制流程中，自控程序主要完成以下四個(gè)功能：

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

（2）離子源電離電流判斷。設(shè)定一個(gè)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(dòng)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(dòng)控制流程的功能可看出，自動(dòng)控制流程模仿的是手動(dòng)操作時(shí)，當(dāng)離子源電流降低時(shí)，向離子源電離腔注入氘氣的操作。還附加了對(duì)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(jì)的流程圖進(jìn)行程序編寫。編寫程序時(shí)盡量做到模塊化，一個(gè)程序完成一個(gè)功能，一個(gè)頭文件代表自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)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(shí)，可以只改變#define命令行，對(duì)于參數(shù)調(diào)試非常方便。

軟件編寫完成后，對(duì)各功能模塊分別進(jìn)行了測(cè)試，并依據(jù)對(duì)中子發(fā)生器使用過程中手動(dòng)操作經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)各參數(shù)進(jìn)行賦值，對(duì)自動(dòng)控制整體系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。

3 結(jié)論與展望

經(jīng)測(cè)試，設(shè)計(jì)研制的中子發(fā)生器離子源自動(dòng)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，人機(jī)互動(dòng)良好，能夠按照設(shè)計(jì)邏輯完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)采集及控制動(dòng)作輸出工作，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期。

【參考文獻(xiàn)】

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[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.

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[5]喻平.中子發(fā)生器控制臺(tái)自動(dòng)化研究，2010，長(zhǎng)春，東北師范大學(xué).