STM32开发脉冲中子发生器

    中子发生器有直流和脉冲两种工作模式。直流模式下，中子发生器多用于中
子辐照;脉冲模式下，多道分析器利用同步脉冲的触发，将中子伽马能谱进行谱
分离，便于物质元素的分析。中子发生器产生的中子与物质可以进行多种核反应，
产生非弹、俘获、缓发等特征伽马射线。在最新的国际前沿研究中，这些特征伽
马射线能谱可以通过脉冲时间顺序分离出来，有利于中子多元素分析精度的提
高，特别适合在线分析技术应用。因此，在实际物料分析过程中，单一的中子能
谱己不能满足使用者的需求。为了在中子能谱中获取更多的核反应信息，这就需
要中子发生器能产生较为复杂的时序脉冲和相应的同步脉冲。本文针对东北师范
大学自主知识产权ZFD-1型自成靶陶瓷中子管，设计了一种新型脉冲中子发生
器控制台。该控制台在原有直流/脉冲模式下，根据中子爆发时间的不同，加入
了单一脉冲和复合脉冲模式，实现了能谱的分离。此外，中子发生器在正常运行
时会产生大量中子射线，为了保证操作人员的安全，需要使用者远离中子发生器
测试现场，但操作人员还需实时监测中子发生器的运行情况，因此中子发生器加
入了远程监测系统。

    硬件方面，设计了以STM32为核心的主控电路、电源驱动电路、中子定标
器电路和远程波形监测电路，实现了数据采集、DA输出、串口及USB通信、
驱动电源设计、同步脉冲远程监测、中子计数等功能;设计了以FPGA为辅助控
制器的同步脉冲时序电路，实现了控制台三种模式的脉冲输出，为后续中子伽马
全谱分离实验奠定硬件基础。软件方面，完成了STM32的C程序编写、FPGA
的Verilog程序设计以及脉冲中子与多道分析器的同步。上位机方面，以LabVIEW
平台为核心，设计了各功能模块的测试界面和系统控制界面。同以往控制台通信
协议相比较，本控制台移植了FreeModbus协议，工业场合可靠性强，进一步增
强了系统的容错能力。

    在石油测井方面，中子发生器在石油测井的应用己接近50年，并根据不同
的条件设计出了测井仪器[f6l。由于目前使用的脉冲中子发生器系统频率为
1 OKHz，脉冲宽度为l0us，中子产额高于1 x 1 Ogn/s，因而利用脉冲中子发生器可
以研究快中子与岩石作用的各种过渡过程，从而引出各种使用脉冲中子发生器的
中子测井方法，如:补偿石油测井、碳氧比能谱测井、中子寿命测井三种测井方
法}}-lob o  C/O能谱测井法是通过测量脉冲中子在地层中激发的非弹散射Y射线能
谱来确定套管井底层中油饱和度的一种新方法，对于己经进入后期开发的油田，
C/0能谱测井为探测富余的残留油层和确定水淹等级提供了唯一可靠的手段
【“一‘2l。脉冲中子发生器测井技术是一种先进、环保的石油测井技术，是未来石油
测井技术的方向【13]

    在工业在线分析方面，以煤质分析为例。传统的煤质分析方法有很多:红外
法、化学法、微波法、人工灼烧法和氧弹法等，他们的共同特性为:操作繁琐、
检测时间较长、不能在线分析且误差较大[[ 14]。新兴的中子煤质分析法正常解决
了这些难题，它是利用热中子俘获反应[[n, y]和快中子非弹性散射反应【n,n', y ]
放出的丫射线来分析物质元素，确定煤中的元素种类和工业量，具有可在线分析、
多元素测试、测试时间短等特点。与传统的工业分析方法相比，中子煤质分析大
大缩短了测试周期，准确率高[}ls-1}}

      (1)基于芯片S TM32F 103 VET6开发完成了脉冲中子发生器的主控电路和
驱动电路，负责协调和控制整个系统。同时，完成了整体系统的组装和调试。
      C2)基于芯片EP4CE6E22C8N设计了脉冲时序电路，产生3路触发脉冲和
4路同步可调脉冲。触发脉冲用于触发中子管离子源进行模式选择，同步脉冲用
于触发多道分析器，进行脉冲中子的谱采集。
      C3)设计完成在直流、单一脉冲模式下多道分析器与中子发生器同步问题，
实现在复合脉冲模式下触发脉冲与4路同步脉冲的输出。
      C4)基于芯片S TM32F 103 VET6设计了一种便携式监测系统，包括双通道
远程波形监测仪和4通道中子定标器，旨在用户可以远程监控中子发生器的运行
状态。波形监测仪用于离子源触发信号的实时检验;中子定标器用于采集He-3
探测器的脉冲个数。
      CS)基于LabVIEW虚拟仪器，设计了实验室独有的控制台控制界面，取
代了触摸屏，具有错误处理、数据采集、身份识别、参数设置、中子计数和系统
监控等功能，使系统可读性、稳定性提高。
      C6)基于Android Studio 2.2软件，设计了一款与单片机通信的手机APP ,
主要用于在工业现场使用前中子发生器控制系统的校验。

    中子发生器用于产生可调控的中子源，它的构成如图2.1所示，主要包括密
封中子管、中子发生器控制系统、控制台连接组件、电缆、上位机及其控制软件。
其中中子发生器控制系统包括主控电路、脉冲发生电路、数据采集电路、监测电
路、储存器电源、离子源电源和加速极电源驱动等[[30]。其中储存器为。-lf}恒流
源电源，离子源为0-3000V可调电源、高压源为0-130KV可调电源，且电源各
自独立，隔离调控。中子发生器本就是弱电控制强电的一个系统，通过产生的三
路低电压驱动电源来控制中子管的三路电源。

    储存器是中子管内调节管内气压的元件。储存器由吸氢能力强的粉末和加热
丝组成，它在一定温度下能够吸附一定量的氖氖气体，温度升高时放出，温度降
低时吸收[[32]。储存器的加热丝由金属徕钨丝制成，导热性能优越，可利用储存
器驱动电源来控制徕钨丝进行热量的调控，进而控制释放的气体量。

    2.2.2离子源
    离子源用来电离储存器释放出来的氖氖气体，它的电离能力和它自身的永磁
体磁性强度、电压大小和整体压强相关[[33]。通常稳定阳极电压和压强可以稳定
离子源电流，进而来稳定中子产额。
    2.2.3加速电极
    加速电极实际则为一个加速电场，主要用来加速离子源电离后的带电离子，
进而与靶进行核反应产生中子。
    2.2.4靶
    靶核是中子管内发生核反应的场所，当目标靶被加速的离子轰击时，会与吸
附在靶上的气体发生核反应产生中子[[34]
2.3中子发生器控制系统
    中子发生器控制系统主要包括中子发生器控制台、储存器电源、离子源电源、
加速极电源。
    2.3.1中子发生器控制台
    中子发生器控制台是中子管正常运行的核心组件，它主要实现了对中子管内
储存器电源、离子源电源、加速极电源三路电源和中子产额的实时控制和监控。
另外，它还负责系统各模块之间的通信功能。

    2.3.2储存器电源
    储存器电源主要负责加热中子管内部的徕钨丝，使得温度升高，氖氖气体随
之释放。随着温度上升，徕钨丝的内阻值增大，电流会相应的减小，这就使得系
统整体滞后动荡。故储存器设计为恒流源，电流范围为。-1.5  A。在实际使用过
程中，考虑到中子管使用寿命，系统通常会限制储存器电流调节范围为。-0.5 Ao
    2.3.3离子源电源
    离子源电源的工作电压为1700 V-2400 V旨在电离储存器内放出的气体。
氖氖气体从储存器出来后，加在离子源两端的电压将气体电离，从而这些带电离
子经过高压加速后进行中子核反应。离子源有两种工作模式，直流和交流模式，
这也就决定了中子产额的特性。当离子源电源工作在直流电压情况下，中子管产
生恒定产额的中子;当离子源电源工作在脉冲电压下，中子管产生脉冲中子。在
使用过程中，可依靠上位机对离子源电源模式进行调控。
    2.3.4加速极电源
    加速极电源主要加速从离子源电离出来的带电气体，电压范围。-130 KV}
是一种小型、可调控、功率低的高压电源。在加速极电源的作用下，电离后的氖
氖气体经过加速轰击到靶上进行核反应，产生中子射线。在使用过程中，可通过
LabVIEW上位机来控制加速极电源电压大小。

    控制系统由上位机、基于STM32的主控电路、辅助驱动电路、基于FPGA
的脉冲时序发生电路、远程波形监测仪和中子定标器组成。脉冲中子发生器有三
种工作模式，直流模式、单一脉冲模式和复合脉冲模式。在直流模式下，离子源
触发脉冲和多道分析器的触发信号都为固定时长的高电平;在单一脉冲模式下，
离子源触发脉冲为上位机可调频率和宽度的单一脉冲，多道分析器的触发信号为
对应的同步单一脉冲;在复合脉冲模式下，离子源触发脉冲由高、低频率脉冲相
与而得，多道分析器的触发信号为对应的四路复杂脉冲，且各脉冲之间相对同步。
图3.1为本文设计的脉冲中子发生器控制系统框架图。

    主控板电路主要由供电电源、串口通信模块、Wifi模块、I/O输出模块、系
统计时模块、接口模块、AD数据采集和PWM输出模块构成，原理如图3.2所
不。
    各电路模块实现功能如下:
      C1)电源模块负责转化出主控板各个器件所需要的电压。
      C2)串口通信模块实现PC机与主控板之间的通信。
      (      3) Wifi模块实现了移动终端设备与单片机的无线通信方式。
      (4) I/O输出模块用于控制离子源开关、单一/复合开关和脉冲/直流开关，
是系统进行模式切换的必要工具。
      CS)系统计时模块用于实时记录脉冲中子发生器在线使用时间和中子管累
计使用时间。
      C6)接口模块为核心主控板与驱动板之间的连接口。
      C7) AD数据采集模块实现中子管各路电源的实时采集。
      C8) DA模块实现单片机对储存器、离子源、加速极三路驱动电源的调控。

     主控电路最小系统电路设计如图3.4所示。在电源满足性能的要求下，最小
系统还需要外接三个模块，分别为8MHz晶振、32.768KHz晶振和下载器模块。
8M晶振提供单片机MCU的主频，用于系统时钟的设置，32.768KHz晶振用于
系统时钟芯片[[38]。此外，STM32还需要有下载程序的下载口，故系统设计了双
排针20PIN的下载口供ARM程序下载。

    在前几代的控制台设计中，通信部分采用MAX232或者MAX3232通信芯
片，但在实际工业控制现场，中子管的放电，使得控制台整个地的电位上升，导
致上位机电脑蓝屏，此时中子管将无法受到控制，系统异常。为了解决这个问题，
本系统将该芯片换为TD301D232H隔离232通信芯片，原理图如图3.5所示。
    TD301D232H模块，是一款隔离RS232通信模块，它可以将TTL电平转化
为232电平，实现串行通信的隔离。该模块使用方便简单，稳定性强，符合中子
发生器控制台设计的需要。

    在中子发生器测试过程中，操作人员需要实时记录中子发生器系统在线运行
时间和中子管的使用时间，这有助于后期系统的维护和中子管寿命的检测。本文
采用W25Q64这款芯片来实现此功能，该芯片是一个带有SPI通信的大容量Flash
芯片，拥有64Mb大小存储容量，它的擦写周期为lOW次，数据保存时长20年
[42]。在供电上，支持供电电压2.7-3.6V，可使用STM32内部供电。
    本系统采用STM32内置SPI接口SPI3对W25Q64进行读写操作，CS线接
了1 OK的上拉电阻至3.3V，保证系统默认情况下SPI通信无使能。W25 Q64外
围电路原理图如图3.7所示。

    中子管有6路电参数需要中子发生器系统实时采集和检测，分别为:储存器
电压和电流、离子源电压和电流、加速极电压和电流。考虑到STM32内部集成
有3个12位的ADC模块，每个模块共用多达21个外部AD采集通道，故本系
统采用STM32内部的ADC模块来实现AD采集功能。
    STM32片上集成有两个12位DAC转换器，但由于系统需要三路DA输出
来控制储存器、离子源和加速极电源，无法满足控制需要。为了解决整个问题，
本系统采用定时器产生PWM波的形式产生3路占空比可调方波，再利用低通滤
波电路将PWM波转化为直流信号，达到DA输出功能。具体做法:当上位机输
入一定数字量后，STM32接收到控制指令，通过改变定时器比较寄存器的值，
继而改变PWM波输出的占空比，在经过二阶有源低通滤波器后变为直流信号，
实现数模转换。