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基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制

朱文超 林汉尚 周泽然 蒋诗平

朱文超, 林汉尚, 周泽然, 等. 基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
引用本文: 朱文超, 林汉尚, 周泽然, 等. 基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
Zhu Wenchao, Lin Hanshang, Zhou Zeran, et al. Development of a neutron monitor based on embedded EPICS[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
Citation: Zhu Wenchao, Lin Hanshang, Zhou Zeran, et al. Development of a neutron monitor based on embedded EPICS[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168

基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
基金项目: 国家自然科学基金面上项目(11675170)
详细信息
    作者简介:

    朱文超(1994—),男,硕士,从事辐射探测和核电子学相关研究;zhuwench@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者:

    蒋诗平(1963—),男,副研究员,从事辐射探测和 X 射线成像相关研究;spjiang@ustc.edu.cn

  • 中图分类号: TL816

Development of a neutron monitor based on embedded EPICS

  • 摘要: 针对合肥光源(HLS-Ⅱ)辐射防护与安全需求,且合肥光源的控制系统是基于EPICS架构,为减少辐射监测系统中间的环节,提高合肥光源人身安全联锁可靠性,研制了基于嵌入式EPICS控制系统的中子监测仪。中子监测仪的关键部件-探测器选用BF3针对合肥光源(HLS-Ⅱ)辐射防护与安全需求,研制了基于嵌入式EPICS的中子监测仪,用于场所与环境辐射场中子的监测。合肥光源的控制系统是基于EPICS架构,为减少辐射监测系统中间的环节,提高合肥光源人身安全联锁可靠性,研制了基于嵌入式EPICS控制系统的中子监测仪。中子监测仪的关键部件-探测器选用BF3正比计数管,通过对正比计数管产生的微弱电信号加2 kV的正高压偏置,交流耦合介入前置放大器放大,后输出固定宽度的脉冲信号。信号由CORTEX-M3电路计数,后经CORTEX-A8电路处理后将数据发布到局域网。利用镅铍中子源和合肥光源现场辐射环境对所研制的监测仪性能进行了初步测试,结果表明,该监测仪达到设计要求,可用于中子监测。
  • 图  1  中子监测仪组成

    Figure  1.  Neutron monitor composition

    图  2  EPICS架构

    Figure  2.  EPICS architecture

    图  3  前置放大电路框图

    Figure  3.  Preamplifier circuit

    图  4  信号源仿真

    Figure  4.  Signal source simulation

    图  5  监测仪框图

    Figure  5.  Block diagram of the neutron monitor

    图  6  嵌入式EPICS架构

    Figure  6.  Embedded EPICS architecture

    图  7  IOC设计流程

    Figure  7.  IOC design process

    图  8  探测器与上位机显示界面

    Figure  8.  Detector and OPI

    图  9  性能测试实验

    Figure  9.  Performance testing

    图  10  应用场所的测试

    Figure  10.  Testing of application site

    表  1  数据类型

    Table  1.   Data type

    No.parameter nameattributebit width/bitdata typeunit
    A1 counting rate read-only 40 float cps
    A2 absorbed dose rate read-only 40 float μGy/h
    A3 dose equivalent rate read-only 40 float μSv/h
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-16
  • 修回日期:  2020-08-10
  • 网络出版日期:  2020-10-24

基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制

doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
    基金项目:  国家自然科学基金面上项目(11675170)
    作者简介:

    朱文超(1994—),男,硕士,从事辐射探测和核电子学相关研究;zhuwench@mail.ustc.edu.cn

    通讯作者: 蒋诗平(1963—),男,副研究员,从事辐射探测和 X 射线成像相关研究;spjiang@ustc.edu.cn
  • 中图分类号: TL816

摘要: 针对合肥光源(HLS-Ⅱ)辐射防护与安全需求,且合肥光源的控制系统是基于EPICS架构,为减少辐射监测系统中间的环节,提高合肥光源人身安全联锁可靠性,研制了基于嵌入式EPICS控制系统的中子监测仪。中子监测仪的关键部件-探测器选用BF3针对合肥光源(HLS-Ⅱ)辐射防护与安全需求,研制了基于嵌入式EPICS的中子监测仪,用于场所与环境辐射场中子的监测。合肥光源的控制系统是基于EPICS架构,为减少辐射监测系统中间的环节,提高合肥光源人身安全联锁可靠性,研制了基于嵌入式EPICS控制系统的中子监测仪。中子监测仪的关键部件-探测器选用BF3正比计数管,通过对正比计数管产生的微弱电信号加2 kV的正高压偏置,交流耦合介入前置放大器放大,后输出固定宽度的脉冲信号。信号由CORTEX-M3电路计数,后经CORTEX-A8电路处理后将数据发布到局域网。利用镅铍中子源和合肥光源现场辐射环境对所研制的监测仪性能进行了初步测试,结果表明,该监测仪达到设计要求,可用于中子监测。

English Abstract

朱文超, 林汉尚, 周泽然, 等. 基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
引用本文: 朱文超, 林汉尚, 周泽然, 等. 基于嵌入式EPICS的中子监测仪研制[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
Zhu Wenchao, Lin Hanshang, Zhou Zeran, et al. Development of a neutron monitor based on embedded EPICS[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
Citation: Zhu Wenchao, Lin Hanshang, Zhou Zeran, et al. Development of a neutron monitor based on embedded EPICS[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200168
  • 众所周知,中子具有极强的穿透能力,同等吸收剂量的情况下,相比于γ/X射线,其对人体产生的危害更大[1],因此在核辐射领域对中子的探测很重要[2]。合肥光源的辐射监测系统基于EPICS架构,而目前市场上的中子监测仪并没有适配于EPICS控制系统的接口,因而有必要研制满足HLS-II需求的中子监测仪。中子探测器种类很多,其中BF3正比计数管是最常用的一种,它具有便宜、性能好的优点[3]。因此,选择BF3正比计数管作为探测器。探测器输出微弱电信号,该信号经前置放大电路放大整形输出固定宽度的脉冲信号。脉冲信号经嵌入式电路计数处理后,将数据以EPICS的格式发布到局域网,以便实时地获取当地的辐射环境,避免受到不必要的照射[4]。与目前使用的监测仪相比,本文研制的监测仪中安装了基于EPICS架构的嵌入式操作系统,可以通过OPI访问监测仪的数据,无需EPICS Server获取数据,简化了辐射监测系统的结构,提高了人身安全联锁的可靠性。

    • 合肥光源是基于EPICS的分布式系统,为适配此系统研制了基于嵌入式EPICS的中子监测仪。监测仪由BF3正比计数管、慢化体、前置放大电路、嵌入式处理电路和OPI组成。BF3正比计数管型号为Φ50 mm×315 mm、灵敏长度316 mm、不锈钢外壳、镀金钨丝阳极、陶瓷绝缘材料、热中子灵敏度30(n·cm−2·s−1)·s−1、工作电压1800 V、电容7 pF、工作温度−20~100 ℃,它是由北京清达科宇科技有限公司生产,具有n-γ鉴别能力强、成本低、效率高、使用方便等优点[5]。慢化体的材料为纯聚乙烯,厚度约6 cm[6]。前置放大电路由I-V转换电路、运算放大器、比较器、触发器构成。嵌入式处理电路由CORTEX-M3芯片、CORTEX-A8处理器及外围电路组成。如图1所示,入射中子经过慢化体慢化后,进入正比计数管与管内工作气体中的10B核素发生10B(n,α)7Li核反应产生α粒子和Li[7],后者与管内工作气体BF3发生电离作用输出微弱的电信号。电信号经前置放大器放大整形后输出脉冲信号,经过嵌入式电路处理后,将数据以EPICS记录的格式打包发送到局域网中,中控室可以通过OPI从局域网中访问监测仪的数据(见图2)。

      图  1  中子监测仪组成

      Figure 1.  Neutron monitor composition

      图  2  EPICS架构

      Figure 2.  EPICS architecture

    • 中子监测仪的电子学部分主要由前置放大电路与嵌入式电路组成。前置放大电路由运算放大器、比较器、触发器构成,其功能是将微弱的电信号进行放大整形输出成固定宽度的脉冲信号。嵌入式电路主要包括CORTEX-M3芯片、CORTEX-A8处理器、LCD显示电路及外围通信电路等。其功能是实现统计一定周期内的脉冲个数、计算计数率与剂量率、界面显示、与上位机通信等。

    • 前置放大电路是监测仪的关键部分,主要包括I-V转换电路、运算放大器、电压比较器和触发器等(图3)。I-V转换电路主要由三极管和电阻构成,其功能是将正比计数管输出的电流信号转换为电压信号。运算放大器选用AD825,它的功能是将三极管输出的电压信号进行放大输出,它具有不会引起输出反相、高速度、低失真、在不同负载条件下驱动能力都比较稳定等优点。电压比较器选择LM393,它的功能是过滤辐射场中的γ信号与噪声信号,具有提高监测仪的准确度的优点[8]。触发器选用SN74LVC1G1123DCUT,它可以控制输出信号的脉冲宽度,信号经触发器处理后,输出固定宽度的脉冲信号。

      图  3  前置放大电路框图

      Figure 3.  Preamplifier circuit

      为验证前置放大电路的性能,进行了仿真实验。为了模拟正比计数管输出的弱电流信号,将信号源输出的50 mV的脉冲信号经过1 MΩ的电阻转换后获得50 pA的电流信号输入前置放大器。蓝色为最后一级放大器的信号,脉冲宽度约为10 μs,峰值约为232 mV。

      图  4  信号源仿真

      Figure 4.  Signal source simulation

    • 图5(a) 为研制的中子监测仪电路框图,利用嵌入式系统电路实现对前放脉冲信号的计数与处理,再通过EPICS的方式将数据发送到OPI;图5(b)是目前使用的中子监测仪电路框图,采用传统的方式仅能实现对脉冲信号的计数与处理。嵌入式电路选用CORTEX-M3芯片与CORTEX-A8芯片协作的方式,实现对前放脉冲信号的计算与后续处理。CORTEX-M3和CORTEX-A8是由ARM公司开发的嵌入式处理器,具有体积小、可定制、功耗低的优势。CORTEX-M3芯片内自带16位的定时器与串口,可以将其设置为脉冲计数的功能实现对前放输出的脉冲信号进行计数,串口的功能是将CORTEX-M3处理后的数据发送给CORTEX-A8处理器。CORTEX-A8芯片内安装了嵌入式Linux操作系统,同时内部运行了经交叉编译后的EPICS包,在此基础下开发嵌入式EPICS IOC,最后通过Channel Access协议发布数据到EPICS控制系统中。

      图  5  监测仪框图

      Figure 5.  Block diagram of the neutron monitor

      目前合肥光源辐射监测系统所使用的监测仪,需要通过EPICS Server采集中子监测仪的数据再打包发布到局域网。若采用嵌入式EPICS监测仪的辐射监测系统就无需EPICS Server,因为监测仪可以独立运行IOC程序并将本地数据通过EPICS的方式直接发布到局域网。采用嵌入式EPICS的监测仪具有如下优势:将服务器运行于CORTEX-A8芯片中,结构简单,体积小;可以直接与OPI实现信息交互免除了EPICS Server这一环节,降低了系统的故障率,进而提高了合肥光源人身安全联锁的可靠性;与目前合肥光源辐射监测系统相比,研制的监测仪处理器芯片主频可达1 GHz,运算能力强,可达1600 DMIPS,且其中运行了操作系统,提高了人机交互性,提高了处理大数据的能力,至少可以存储1年的数据。

    • 众所周知,EPICS具有分布式、实时性、扩展性强、代码开源、且长时间运行稳定等特点,因而被广泛应用于大科学装置中,基于EPICS分布式控制系统的研究也成为各个实验室研究的热点[9]。合肥光源储存环控制系统就是基EPICS的分布式控制系统[10]图6为所研制监测仪采用的嵌入式EPICS控制系统架构图。中子监测仪的EPICS实现主要包括数据采集与处理、EPICS IOC、OPI程序的设计。在嵌入式平台中运行EPICS IOC程序,客户端运行OPI程序,并通过EPICS中标准的C/A协议获取前端采集的信息。监测仪将数据以EPICS记录的方式发布,根据使用场所设定其刷新时间,且监测仪的报警阈值、刻度系数等参数都可以通过OPI进行修改。

      图  6  嵌入式EPICS架构

      Figure 6.  Embedded EPICS architecture

    • 数据采集与处理程序是基于C语言构建的,该程序在CORTEX-M3芯片内运行。程序主要包括定时器中断程序和串口通信程序。定时器中断程序的功能是通过边沿触发的方式实现对脉冲信号的计数与处理,程序中统计一个周期内的脉冲个数再对其处理,串口通信程序的功能是把处理后的数据从CORTEX-M3发送给CORTEX-A8处理器。

    • 在A8处理器内运行EPICS IOC,当IOC启动后监测仪通过串口读取CORTEX-M3处理后的数据,并将数据打包成EPICS记录的格式发布到局域网。StreamDevice是一种常用的EPICS协议,支持串口、网口等常用的“字节流”设备。StreamDevice附带了一个到asynDriver的接口,asynDriver提供了对这些通信接口的支持。监测仪的IOC程序就是基于StreamDevice协议构建而成的。

      IOC设计的基本过程是通过串口采集程序将数据从CORTEX-M3读取到CORTEX-A8处理器中,再通过网络通信程序将数据通过网口发布到局域网。图7为IOC的具体设计流程,主要包括对底层设备的驱动文件、记录文件、协议文件的编写。在IOC设计中需要编写*.cmd设备驱动文件以设置通信接口(串口、网口)的属性。以串口为例,文件中实现对串口的波特率、停止位、流控等参数进行设置。编写*.protocol协议文件对CORTEX-M3的数据流信息进行定义,编写*.db记录文件,通过设置*.db文件中INP、OUT的属性,来建立*.protocol与*.db的一一映射关系。*.db实现对数据的记录,使得上层OPI程序可以通过此纪录访问监测仪的数据。将数据命名(PV name)后存放到一个记录(record)中,并依据表1设置*.db文件中记录的属性。当IOC启动后,可以通过OPI访问PV name的方式获取监测仪的信息。

      表 1  数据类型

      Table 1.  Data type

      No.parameter nameattributebit width/bitdata typeunit
      A1 counting rate read-only 40 float cps
      A2 absorbed dose rate read-only 40 float μGy/h
      A3 dose equivalent rate read-only 40 float μSv/h

      图  7  IOC设计流程

      Figure 7.  IOC design process

    • CSS是一种基于eclipse插件的图形编程软件,可用于监视与操作大型分布式系统,打开CSS后选择合适的控件可以实现对IOC中定义的PV的读写。监测仪的OPI程序就是基于CSS软件构建的,可以实现对监测仪定义的参数(PV)进行读取与写入;当IOC启动后,OPI通过特定的PV来访问监测仪的信息。

    • 监测仪实物与OPI如图8所示。为了解中子监测仪的性能,利用放射源和应用场所进行了相关测试。

      图  8  探测器与上位机显示界面

      Figure 8.  Detector and OPI

    • 实验采用镅铍中子放射源,放射源编码 0092AB472615,中子产额2.69×106 s−1。实验中将放射源与监测仪摆放到同一直线上,通过对同一直线上不同的点进行测量,待监测仪计数稳定后取三次数据求均值,用Origin软件对测量数据进行处理(图9(a)),其中纵坐标为中子计数,横坐标为监测仪与放射源之间距离的平方。测试结果表明中子计数与监测仪与放射源之间距离的平方成反比,满足点源关系。图9(b)为剂量率与计数率之间的关系,将所研制的监测仪与检定合格的进口监测仪(FHT-762)摆放在同一位置进行对比测试,其中纵坐标为进口监测仪的剂量率,横坐标为研制的监测仪的计数。结果表明,剂量率与计数之间呈线性关系,对测得数据进行处理,计算出监测仪的刻度系数0.4868(µSv/h)−1·s−1

      图  9  性能测试实验

      Figure 9.  Performance testing

    • 除利用放射源外,还利用合肥光源储存环大厅的应用场所对监测仪进行了性能测试。图10(a)为合肥光源运行状态下储存环束流变化曲线,其中,A和D段是TOP-OFF模式的束流变化曲线,B段是Decay模式的束流变化曲线,C段是注入期间的束流变化曲线。图10(b)为相应时间下监测仪测得的剂量率曲线。由于当束流强度越高的时候,单位时间内损失的电子越多,损失的电子与环境相互作用产生的辐射场就越强,当束流强度越低时损失电子越少,此时辐射场就越弱。因此,对应于高束流的A、D段剂量率较高,而对应于衰减的B段剂量率呈下降趋势。当束流注入(C段)时,也会损失一部分电子,所以此时辐射场的强度会升高[11],因此有束流注入时监测仪所测得的剂量率会上升。TOP-OFF模式有频繁注入,此时可以看到注入束流损失带来的瞬时剂量率的小幅增加。测试结果显示所研制的监测仪能够灵敏、准确地测定出运行状态下合肥光源中子辐射场的变化,可以满足合肥光源的需求。

      图  10  应用场所的测试

      Figure 10.  Testing of application site

    • 为了满足合肥光源辐射监测需求,本文研制了一款基于嵌入式EPICS的中子监测仪,并对该监测仪进行了一些初步测试,测试结果表明了监测仪的可行性。可以通过EPICS分布式控制系统访问监测仪获得监测数据。与目前的监测仪相比,所研制的监测仪具有EPICS接口且无需提供EPICS服务器,减少了中间环节,简化了系统结构,降低了辐射监测系统的故障率,进而提高了合肥光源人身安全联锁的可靠性。

参考文献 (11)

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