电可控脉冲式中子发生器控制台的设计与实现

发布时间：2017-08-23 06:06

  本文关键词：电可控脉冲式中子发生器控制台的设计与实现

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【摘要】：脉冲式中子发生器具有中子能量高、单色性好、产额可控和使用安全等特性,可产生脉冲中子对物质进行元素分析,主要应用于爆炸物检测、石油测井和煤质分析等方面。为了提高元素分析精度,本文针对东北师范大学ZFD-1型自成靶陶瓷中子管,设计了一种电可控脉冲式中子发生器控制台。本文分析了ZFD-1型自成靶陶瓷中子管结构及工作原理,详细介绍了电可控脉冲式中子发生器控制台的硬件设计过程和软件实现方法。硬件方面,在传统控制台储存器驱动电源、离子源驱动电源和高压源驱动电源的基础上,以DSP为核心控制器,实现了DA输出功能、AD数据采集功能、串口通信功能、无线通信功能和计时功能等;以CPLD为辅助控制器设计了脉冲时序控制电路,实现了离子源触发脉冲及同步触发脉冲的功能。软件方面,主要完成了DSP的C语言编程,CPLD的Verilog程序设计和上位机软件的开发。传统的控制台通信协议无校验,工业场合可靠性差,本论文选取了Modbus-RTU协议,进一步增强了系统的可靠性和容错能力。电可控脉冲式中子发生器控制台可工作在三种工作模式,直流模式、单一脉冲模式和复合脉冲模式。在相应的工作模式下,中子发生器将会产生直流中子,单一脉冲中子和复合脉冲中子。直流模式下,中子发生器的中子产额稳定性明显提高。理论和实验均已证明,中子发生器工作于脉冲模式可以使元素分析的精度进一步提高。脉冲模式下,中子发生器可以工作在快-慢脉冲状态,在快脉冲期间,中子发射用于检测适合于快中子非弹性散射(n,n')的物质,间隔用于检测适合于慢中子辐射俘获(n,?)的物质,在慢脉冲过后检测适合于中子活化的物质。电可控脉冲式中子发生器控制台实际测试结果:储存器电流的调整范围和调整精度分别为0-1.2A和0.5mA,离子源电压的调整范围和调整精度分别为0-2500V和1V,高压源电压的调整范围和调整精度分别为0-130kV和0.06kV。直流模式下,中子发生器的稳定性达到2%;单脉冲模式下,最小脉冲宽度达到10us,最大脉冲频率达到10kHz。该中子发生器目前已经在国家重大科学仪器设备开发专项“工业物料成分实时在线检测仪器的开发与应用(2013YQ040861)”中使用,满足项目总体的要求,运行良好。
【关键词】：脉冲中子发生器 DSP CPLD 控制 电路设计
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O571.53;TP273
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 第1章 引言10-13
• 1.1 研究背景及意义10
• 1.2 国内外的研究进展10-11
• 1.3 论文研究的主要内容11-12
• 1.4 本章小结12-13
• 第2章 中子发生器的结构及原理13-16
• 2.1 中子发生器系统结构13
• 2.2 中子管结构13-14
• 2.2.1 储存器14
• 2.2.2 离子源14
• 2.2.3 高压源14
• 2.2.4 靶14
• 2.3 中子发生器电路构成14-15
• 2.3.1 中子发生器控制台14
• 2.3.2 储存器驱动电源14-15
• 2.3.3 离子源驱动电源15
• 2.3.4 高压源驱动电源15
• 2.4 本章小结15-16
• 第3章 控制台的硬件设计与实现16-30
• 3.1 控制台硬件系统结构总体设计16-17
• 3.2 核心控制板设计17-26
• 3.2.1 DSP芯片选型18
• 3.2.2 供电电源模块18-19
• 3.2.3 串口通信模块19
• 3.2.4 蓝牙模块19-20
• 3.2.5 DA输出模块20-21
• 3.2.6 AD转换模块21
• 3.2.7 计时模块21-22
• 3.2.8 CPLD模块电路设计22-23
• 3.2.9 接口设计23-26
• 3.3 辅助电路板设计26-27
• 3.4 储存器恒流源实现方法27
• 3.5 离子源驱动电源实现方法27-28
• 3.6 高压源驱动电源实现方法28-29
• 3.7 本章小结29-30
• 第4章 控制台的软件设计与实现30-55
• 4.1 DSP程序设计30-40
• 4.1.1 集成开发环境32
• 4.1.2 AD转换程序设计32-33
• 4.1.3 DA输出程序设计33-35
• 4.1.4 工作模式选择程序设计35-39
• 4.1.5 计时模块程序设计39-40
• 4.2 CPLD程序设计40-48
• 4.2.1 CPLD译码模块41-42
• 4.2.2 脉冲1模块42-44
• 4.2.3 脉冲2模块44-45
• 4.2.4 同步脉冲1模块45-47
• 4.2.5 多路选择器47-48
• 4.3 上位机监控软件的设计48-50
• 4.3.1 基于LabVIEW的虚拟仪器48-49
• 4.3.2 基于Android的移动终端监控APP49-50
• 4.4 通信协议50-54
• 4.4.1 Modbus协议简介50
• 4.4.2 通信协议的拟定50-54
• 4.5 本章小结54-55
• 第5章 中子发生器系统测试55-57
• 5.1 直流模式下运行测试55-56
• 5.2 脉冲模式下运行测试56
• 5.3 本章小结56-57
• 第6章 总结与展望57-59
• 参考文献59-61
• 附录 161-62
• 附录 262-63
• 致谢63-64
• 在学期间主要科研成果64

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本文编号：723378