中子发生器及相关三路电源设计
发布时间：2019-12-17
摘 要： 在测量领域，稳定性能较好的中子发生器受控于三路电源，即设计中子管工作所必需的三路电源——存储器电源、离子源电源和加速极电源。为达到系统设计指标，需要提高三路电源的稳定性。以TMS320F28335为主控CPU系统检测三路电源的输出参数，将加速极控制电路设计在脉冲中子发生器系统内部，应用专用电缆组件与中子管连接，形成中子产额闭环控制。调试完成的电路系统与中子管联调，监测得到中子发生器的中子产额稳定性小于5%。
关键词： 中子发生器;离子源;加速极电源;中子产额;闭环控制
引言
中子发生器作为一种可控中子源，具有高而单一的中子发射能量(2.45 MeV或14.1 MeV)。利用中子发生器的这一特点，结合中子活化技术，可以对C、H、O、N、S、Si、Al、Fe、Ca、Ti等元素进行检测分析，开展工业在线检测仪表的相关应用研究。另外，设备在不通电的情况下不会发射中子，因此在设备运输或产品检修状态下，可以关闭设备工作电源，使得所有工作均在无辐射环境下进行，保证工作过程的绝对安全，具有非常明显的技术优势[1]。
随着信息化与工业化深度融合，工业在线检测仪表的应用领域越来越广，中子发生器在工业在线检测仪表方面的研究也越来越多。然而，中子发生器输出的稳定性以及中子发生器本身的可靠性，制约了中子发生器的研发创新。
影响中子发生器中子输出稳定性的因素主要是为中子管供电的三路电源[2, 3]。本文以此为切入点介绍了一种工业中子发生器的设计方法，并给出了设计样机的测试结果。
1 中子管的工作原理
中子管是一种小型加速器中子源，它利用加速后的高能粒子轰击靶中原子核(氚和氘)，高能粒子与靶中原子核发生核反应，产生中子，核物理反应公式分别如式(1)和式(2)所示。当用氘离子轰击氚原子核时，会产生能量为14.1 MeV的中子;当用氘离子轰击氘原子核时，则会产生能量为2.45 MeV的中子[1]。
目前，常用的中子管把离子源、加速系统、靶、存储器等全部密封在陶瓷管内，是一种结构简单紧凑、使用方便的真空器件，其结构示意图如图 1所示。
中子管在使用前，需要在存储器中预先充入一定量的氘气。当中子管工作时，先给存储器中的灯丝两端加适当的工作电压，灯丝发热，使存储器中的气体被放出;再给离子源的阳极加适当的高压，当离子源高压增加到一定值时，将存储器放出的气体电离，产生离子。这时，再给加速系统加足够高的电压，离子经过加速系统加速后，会高速轰击在靶上，与靶中的氚或氘原子核发生核反应，以产生所需要的中子。
2 系统设计指标
工业中子发生器的设计目标是：根据常用中子管的工作原理，结合工业中子发生器的应用目标，设计能够使中子管工作的电路系统。系统的设计指标如下所述：
(1)存储器电源：DC 0~5 V/0~2 A;
(2)离子源电源：0~2.0 kV/1 mA;
(3)加速系统电源：-120~0 kV/0.5 mA;
(4)同步脉冲频率：≥10 kHz;
(5)同步脉冲宽度：≤10 μs。
3 硬件电路设计
根据工业中子发生器的设计方案，电路系统主要包含存储器电源、离子源电源、加速系统电源、主控CPU电路及人机接口等部分，系统原理示意框图如图2所示。
3.1 存储器电源电路
存储器电源电路的作用是给存储器中的灯丝两端加一定的电压，使得灯丝发热，释放存储器中的气体。根据当前常用中子管的工作要求，存储器电源电压通常在0~5 V范围内，电源电流一般不超过1 A。根据此要求，将系统的存储器电源设计成电流大于1 A的0~5 V可调电源即可[4, 5]。由于实现较为简单，此次不再详述。
主 控 CPU 电路控制存储器电源的输出电压，实现输出电压的线性可调功能。同时，为满足中子管工作的稳定性要求，电路系统采集中子管存储器的电压反馈信号，主控CPU电 路利用反馈信号形成闭环控制，对存储器电源电路进行实时调节。
3.2 离子源电源电路
离子源电源电路的作用是利用阳极高压电离存储器所释放出的气体，以产生用于轰击靶中原子核的离子。电离中子管中气体所需要的离子源电压通常在0~2 kV范围内，电流一般不超过 0.5 mA。根据中子管的工作要求，需要将离子源电源电路设计为0~2 kV可调。同时，由于离子源电压的变化会对中子管内的离子束流产生比较大的影响，因此要求离子源电源能够提供稳定的离子源电压。
根据离子源工作要求，采用如图3所示的原理框图对离子源电源电路进行设计。电路中采用采样电路，根据可调基准信号形成硬件反馈控制电路，实现输出电压的实时调整及稳定性控制。
3.3 加速极电源电路
加速极电源电路的作用是利用足够高的负高压对离子源电离得到的离子进行加速，形成离子束流轰击靶中的氚或氘原子核，以产生所需要的中子。中子管的中子产额与加速电压的大小成正比例关系，而且对加速电压的稳定性要求很高。常用的中子管在达到最大输出产额时，通常要求加速电压达到-120 kV~-100 kV。根据要求，加速极电源电路输出电压设计目标为-120 kV~0 kV 可调。
根据工业在线检测仪表的现场使用环境，工业中子发生器的电气系统无法全部放置到被测物料附近，而是会与被测物料存在一定的距离。加速系统-120 kV的电压在进行远距离传输时，对传输电缆及绝缘工艺的要求非常高。为了保证脉冲中子发生器能够在产品中稳定可靠地应用，加速极电源采用分开设计思想，即将电源的变压器、倍压电路与中子管设计在不锈钢筒内，并对高电压进行绝缘设计处理;加速系统的控制电路则设计在脉冲中子发生器的控制系统内部。以上设计同时还可以降低产品的成本。
3.4 脉冲电路
为了检测被测物料中的多种不同元素，需要中子发生器提供脉冲中子。通常情况下，利用脉冲电路控制离子源电源生成脉冲离子源，进而产生脉冲中子[5, 6]。设计中采用脉冲发生电路，产生两路时序可调的脉冲信号“ FAST ” 和 “ THERMAL ”，分别用于控制中子发生器产生“FAST NEUTRON”和“THERMAL NEUTRON”。两路脉冲电路再经过脉冲复合电路形成复合脉冲“NEUTRON”，以用来控制离子源电源生成脉冲离子源，进而控制中子管的中子输出。脉冲高压时序图如图4所示。
3.5 主控CPU电路
工业中子发生器既然最终要应用到工业在线检测仪表中，就需要满足工业使用环境的要求。采用TMS320F28335作为主控CPU，以提高系统处理速度、保证系统稳定性。
TMS320F28335是T I公司推出的一款3 2位浮点数字信号控制器，该芯片功能强大、性能稳定可靠，片上资源丰富，在工业控制领域应用较为广泛。与TMS320F2812定 点DSP相比， TMS320F28335 增加了单精度浮点运算单元(FPU)和高精度脉冲宽度调制(PWM)功能，且闪存增加了一倍(256 K×16 Bit)。同时，其增加的DMA功能可将ADC转换结果直接存入DSP 的任一存储空间。TMS320F28335的执行速度比相同时钟频率的F28xx系列定点芯片快50%， 数学运算性能提升2.45倍，控制算法性能提升1.57 倍，DSP性能提升1.38倍，总体性能提升近2倍。
采用TMS320F28335作为系统的主控CPU，不仅可以提高系统运算速度和计算精度，更重要的是，系统利用TMS320F28335集成的内部ADC 模块采集系统中各种模拟信号，可以提高系统的可靠性、降低系统成本。另外，TMS320F28335丰富的外设完全可以满足系统设计要求[6-8]。
4 应用测试
根据工业在线检测仪表通常的工作环境要求，工业中子发生器所有电路被设计在标准19寸机箱内部，通过专用电缆组件与中子管连接。这样的设计更有助于中子发生器在工业现场应用过程中的安装、调试和维修。
为验证所设计的工业中子发生器的功能指标，将组装好的样机与常用中子管连接，进行功能指标测试，并用中子探测器监测中子管的中子输出情况。通过测试，该中子发生器各部分电路均可满足常用中子管的工作要求，并可以产生相对稳定的中子。对联调好的中子发生器系统进行 2 h的监测，得到如图5所示的中子产额情况。计算得知，中子产额稳定性小于5%[9, 10]。
5 结束语
应用测试表明，本文提出的工业中子发生器可以满足常用中子管的使用需求，中子输出稳定性可以满足元素分析仪等工业在线检测仪表的应用研究要求。
本文的创新点在于设计了中子产额监测功能，该功能与中子发生器控制系统相结合，实现了中子产额的闭环控制，能够更好地满足工业在线检测仪表连续在线使用的需求。
中子发生器及相关三路电源设计相关期刊推荐：《电源技术与应用》杂志创刊于1998年4月，由中央政治局委员会、国务院副总理曾培炎题写刊名，系新闻出版总署、出版局批准，中国电源学会、陕西省电源学会联合主办，陕西省科学技术协会主管，是电源行业第一本面向应用、具有较强学术性、实用性和信息性的国家级刊物。共设有：刊首语、资讯、人物、企业、研究与设计、专题讨论、电力电子器件、技术与应用、产品与解决方案等栏目，有投稿需求的作者，可以直接与在线编辑联系。
