中子束

隨着國際、國內散裂中子源的發展，中子通量越來越高，對束流監測器的要求也隨之提高，除了需要實時監測中子束的強度外，還要具有良好的二維位置分辨使之能實時地監測中子束斑的形狀，同時提供好的時間分辨用於測量中子波長。目前，基於塗硼GEM的中子探測技術已成為新型中子探測器研究的熱點，也是新一代中子束流監測器的熱點技術。

受中子產生效率及中子束傳輸效率等因素影響，中子源中子束的入射強度不穩定，會隨時間而改變，導致系統誤差增大，從而影響實驗測量結果。在中子導管出口處放置一箇中子束線監測器，這樣就能夠測量入射中子強度隨時間的變化情況，從而有效減小中子束入射強度變化引起的系統誤差。同時，為了減小對入射中子束的干擾，還要求中子束線監測器具有高傳輸因子（大於95%）以及低探測效率（約1%）。電子學系統採用96路Pad讀出方案，任務是實現對中子束斑形狀和強度的實時監測。設計指標為位置分辨約1cm，單路Pad能實現10的高計數率。

GEM膜是在厚50μm的聚酰亞胺（kapton）膜的上、下表面各敷厚5μm的銅層，並在其上蝕刻直徑為70μm，佈局呈三角形，各孔中心距為140μm微孔的一種複合膜。微孔內部形狀為雙圓錐形，GEM膜有效面積為100mm×100mm。漂移極採用200μm的鋁箔拉伸粘框而成，由中核（北京）核儀器廠採用電泳的方法在其下表面塗上一層質量厚度約為1mg/cm的濃縮硼（硼－10丰度為92%），中子轉換效率到達最大值約為5%，這樣可以獲得較大的計數率，以便使用放射源進行性能測試。信號收集極採用印刷電路板製成的96路鍍金pad（8mm×8mm）多路獨立引出。CEAN SY127多路高壓電源為兩級GEM膜以及漂移電極提供5路負高壓。工作氣體為Ar/CO₂（70/30），採用一個大氣壓流氣式供氣。子計數情況，並最終通過中子飛行時間法來測量中子波長；PAS用於記錄某一時間間隔內每路Pad上的中子計數情況，通過二維位置測量得到中子束斑的形狀。

工作原理

基於塗硼的GEM探測器探測到中子後，輸出攜帶中子各種物理信息的電信號。電子學系統對此信號進行初步放大後，送入甄別器甄別產生數字信號，再送FPGA進行數據處理，最後將TAS和PAS兩個譜圖數據包送至PC機上進行成像顯示。以質子打靶週期信號T₀（25Hz）為參考時刻，TAS以2μs為步長，用於記錄某一時間間隔內所有Pad上的中AD8099及AD8137進行初步放大後，送AD8564進行甄別，並將甄別後的96路TTL數字信號送FPGA進行後續處理，最終經USB接口送計算機。子板接收母板為其提供的工作電壓、工作模式控制電平信號、門控自檢脈衝和程控甄別閾。整個系統有兩種工作模式，在線取數模式下處理探測器輸出信號；刻度校準模式下，模擬探測器輸出信號，產生一個與門控脈衝同頻率的、幅值可控的指數波信號送甄別器甄別。

Monitor母板

Monitor母板主要工作是接收子板送來的96 路數字信號對其進行FPGA數據處理，並將處理好的數據通過USB接口送至PC機。另外，它還為整個電子學系統提供工作所需電源及為子板提供校準模式下所需的各種信號。FPGA數據處理主要包括TAS、PAS、數據包裝及USB接口邏輯幾部分。

“乒乓操作”簡介

“乒乓操作”是一個常常應用於數據流控制的處理技巧。其簡單處理流程為：在第一個緩衝週期，將數據緩存至“數據緩衝模塊1”；在第二個緩衝週期，將數據流緩存至“數據緩衝模塊2”，同時將“數據緩衝模塊1”中的數據送至“數據流運算處理模塊”進行運算處理；在第三個緩衝週期，再次將數據緩存到“數據緩衝模塊1”，同時將“數據緩衝模塊2”的數據送到“數據流運算處理模塊”進行運算處理。如此循環。乒乓操作的最大特點是可以通過邏輯控制將經過緩衝的數據沒有停頓地送到“數據流運算處理模塊”進行運算與處理。因此，乒乓操作非常適合對數據流進行流水線式處理，完成數據的無縫緩衝與處理。

TAS算法

在FPGA中為每路Pad開闢一個獨立的計數器和寄存器，用於計數和存儲每路Pad 2μs時間內的計數值。2μs時鐘信號上升沿到來時將計數值存入各自寄存器中，經過7級加法器後得到2μs時間內所有96路Pad上的中子計數總和，再將其累加進BRam對應的地址空間。開闢的兩個單端口BRam用於數據緩衝，其工作方式按上述的“乒乓操作”方式運行。每個BRam的寬度設為32bit，按單路Pad最高10計數率計算，能記錄60多分鐘的計數值；深度設為20000，地址在2μs時鐘信號上升沿自加1，正好能記錄質子打耙週期（40ms）內的中子計數情況。質子打靶週期信號T₀到來時，地址復位到0。

PAS算法

PAS用於記錄指定時間間隔內每路Pad上的計數情況。同樣地，為每路Pad開闢一個32bit的計數器和一個32bit的寄存器，後端DAQ每發出一條讀PAS指令，便將當前計數器的值寫入寄存器當中，隨後立即對計數器清零，重新開始中子計數。寄存器中的計數值經數據打包及數據位寬轉換後經USB口送至PC機上做成像顯示。

數據包裝及USB接口邏輯

後端DAQ每發出一條讀數指令，FPGA內部便開始對相應數據進行數據打包處理。一個完整的數據包包括包頭、真實數據及包尾。真實數據包括端口號、Pad序號/時間步長序號及相應的計數值，大小為64bits。根據需要，可在包頭或包尾攜帶上狀態及出錯等信息，以便於調試時發現錯誤所在。一個完整的TAS數據包為160256Bytes，一個完整的PAS數據包為1024Bytes。USB接口主要用於向FPGA發出各種操作指令並將打包好的數據包讀出至PC機上顯示。

為了檢驗電子學系統本身的性能指標，在與探測器聯調前，我們需要對GEM Monitor子母板進行功能的檢查與性能的測試。

1.各通道一致性測試

在校準模式下，我們對12塊子板一一做了測試，確保所有通道之間保持良好的一致性，且子板輸出信號質量良好，不會對後續數據處理產生誤觸發。實驗通過調整各項電路參數使各通道放大倍數、信號波形等保持了良好的一致性。

2.串擾測試

校準模式下，母板為子板每通道提供頻率1MHz，脈寬400ns的自檢脈衝，以進行1MHz計數率情況下的串擾測試。從子板PCB佈局佈線考慮，我們選定了最容易受串擾的一個通道進行串擾測試。焊下該通道上的某個元件，使其接收不到母板送過來的自檢脈衝，子板其餘7個通道都工作在1MHz計數率下。實驗證明，在1MHz的計數率下，各通道之間無串擾。

3.噪聲觸發水平測試

在線取數模式下，我們還做了噪聲觸發水平測試。在無輸入的情況下，通過不斷調整觸發閾，觀察在什麼閾值下，噪聲不會再產生誤觸發。測得在實驗室條件下，噪聲觸發閾大概在26mV，等效到輸入端的噪聲為22μV，足以滿足設計指標。 ^[1] 

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）是中國“十二五”期間重點建設的大科學裝置之一，是一個國際前沿的高科技多學科應用大型研究平台。多功能反射譜儀是散裂中子源首期建設三台譜儀之一，主要用於研究物質表面和界面結構。該譜儀的中子導管系統中採用了8m長的多層彎導管，從而設計了兩個中子束線開關，正常工作時，處於靶站內的第一中子束線開關保持常開，通過第二中子束線開關實現中子束流通斷，因此第二中子束線開關是反射譜儀的關鍵設備之一。本文設計即用於實現第二中子束線開關的控制。

第二中子束線開關在機械結構上，通過旋轉屏蔽塊內的中子導管的方向實現中子束流的切斷/導通，即將導管旋轉至中子束流方向時，束流導通，將導管旋轉至中子束流垂直方向時，束流被屏蔽塊擋住，束流切斷。

分析該中子束線開關作用和工作位置可知，該開關在束流導通時，要求有高位置精度，以保證中子束流通量，在束流切斷位置時，要求強屏蔽性，以保證散射室內人員和設備安全。因此，該系統工作在中子輻射環境下，要求大負載下的高精度控制。經模擬分析，該系統負載約為450kg，運動行程為90°轉角，轉動重複定位精度要求好於0.011 46°（41″），可在中子環境下穩定工作。

按照上述需求，該中子束線開關控制系統實現的主要功能是：根據輸入信號控制實現中子束線開關動作，實時顯示開關狀態，同時與反射譜儀上層及其他系統進行信息交互。為保證系統的可靠性和長時間運行穩定性，我們選擇了以PLC（Programmable Logic Controller）控制器為控制核心，以步進電機為驅動部件，以高精度絕對值編碼器為位置反饋部件，形成高精度的閉環控制系統。向中子束線開關運動控制器發送控制指令，驅動步進電機運動，並實時接收位置編碼器的信息反饋，完成位置閉環控制，從而實現中子束線開關在大負載下的高精度開/關動作，同時通過硬件輸出信號實時顯示系統的運行狀態。PLC控制器中的系統狀態信息通過中子束線開關控制服務器實現與其他系統的信息交互。

根據第二中子束線開關控制系統結構，控制系統硬件主要分為控制用服務器、PLC控制器、底層運動控制等三部分。

1.主要設備選型

PLC控制器是本控制系統的核心，所選PLC需要質量安全可靠，可長時間穩定運行。經過對比，我們選擇日本橫河公司的F3型PLC：CPU模塊F3SP76-7N，程序長度260K階，支持USB、網絡等接口；輸入模塊F3XD08-6F光電隔離，支持12–24V寬範圍工作電壓，可自由擴展；輸出模塊支持繼電器輸出，各點獨立，可自由擴展；以太網接口模塊F3LE11-0T，適用10BASE-T/100 BASE-TX。在底層運動控制方面，經過對比，我們選擇德國Huber Diffraktionstechnik GmbH & Co. KG公司的Huber運動控制器控制電機，可驅動1–16軸電機，支持串口、網絡通訊方式；選擇日本Oriental公司五相步進電機PK569驅動束線開關轉枱，額定轉矩1.66Nm；英國Renishaw公司的絕對式環形編碼器RESA30USA417B作為位置信息反饋方式，系統精度±0.68″，從而實現閉環控制。第二中子束線開關控制用服務器用於接收PLC傳輸的狀態信息，並與反射譜儀域服務器進行信息交互。作為上位工控機，要求保證計算機的可靠性和實時性，同時配備雙網口，經過對比，我們選擇台灣研華的工控機作為控制用服務器。

2.可靠性設計

根據設計要求特別考慮硬件的可靠性和安全性方面設計。針對中子實驗環境，為了減少信號干擾，選用硬件方式傳輸信號。採用手動開關、信號燈等形式接入橫河PLC控制器的輸入輸出模塊，以硬件信號的方式操作控制束線開關和實時顯示開關狀態。同時限位開關與位置開關均選用機械式開關。

為了加強系統的安全可靠，對關鍵部件進行冗餘設計。設計開位和關位限位開關，用於在編碼器失效情況下防止束線開關過位損壞，同時在限位開關後設計機械擋板，進一步保護束線開關。另外，為防止電子部件產生虛假信號，在編碼器反饋位置信息的基礎上，打開和關閉位置均設計有機械位置開關，中子束線開關的打開和關閉狀態需要綜合判斷：開工位要求精度，打開狀態由位置開關和編碼器位置值共同判斷；關工位重視安全，關閉狀態同時觸發位置開關和限位開關，由位置開關、限位開關和編碼器位置值共同判斷。

1.軟件結構設計

第二中子束線開關控制系統的軟件，主要涉及控制用計算機的客户端開發，PLC控制器的控制邏輯開發、底層運動控制等。以橫河 PLC控制器為核心，重點是PLC控制器的控制邏輯開發，採用服務端/客户端的通信方式。

服務端與客户端之間採用Socket TCP/IP的方式通信，通過橫河PLC中CPU模塊和以太網接口模塊把PLC與控制用計算機和SMC9300運動控制器的通信網段分開，實現兩部分的通信隔離。因為SMC9300內部自帶Socket Server通信程序，所以只需要在橫河PLC控制器中使用梯形圖編寫Socket Client程序，即可實現PLC對SMC9300的控制操作。PLC與上位機的通信功能主要用於傳輸系統狀態信息並存入第二中子束線開關狀態數據庫。選擇橫河PLC控制器的Higher Level Link Service功能實現Socket TCP/IP通信，以橫河PLC控制器為Socket服務端，只需在上位機編寫Socket客户端程序即可訪問PLC控制器實現讀寫功能。

2.控制邏輯設計

在橫河PLC控制器中採用模塊化方式編程設計系統的邏輯功能，實現系統開機自檢、工作模式切換和開關動作控制等。第二中子束線開關系統控制邏輯設計的關鍵是在實現系統功能的基礎上加強系統安全和錯誤處理等。根據散裂中子源工程總體安全設計要求，第二中子束線開關控制系統通PLC控制器以硬件信號的方式納入人身安全連鎖保護系統（Physical Protection System, PPS）。

（1）系統開機自檢是保護系統正常工作和防止系統錯誤的重要環節。系統啓動後依次檢查PLC控制器、SMC9300運動控制器和編碼器等關鍵設備的狀態。設備工作狀態正常才能進入下一步手動操作，否則輸出錯誤信號，記錄故障信息，系統自動退出。同時在PLC的運行過程中，每個掃描週期，都會讀取檢查編碼器位置信息。關完全從PPS中剝離；維修完成後，手動S0至正常工作模式，並人工通知PPS第二中子束線開關故障解除，PPS復位其本地對應故障位。

（2）系統工作模式切換，由手動開關S0人工控制，設計有正常和維修兩種工作模式（圖6、圖7）。正常工作模式時，第二中子束線開關係統可以正常執行本地/PPS命令進行第二中子束線開關的開/關。維修工作模式時，PPS能使其對應本地的故障位，禁止第一中子束線開關打開，並使第二中子束線開

目前，第二中子束線開關控制系統的軟硬件設計已經完成，並且在實驗室進行了長時間測試。測試時使用實驗室搭建的模擬系統，重點在於驗證系統控制邏輯功能、安全設計及錯誤處理；同時測量模擬系統空載時的轉動精度作為參考，待機械部分加工完成後進一步測量實際系統的轉動精度。

模擬測試系統在光學平台上搭建，如圖8所示。測試用模擬轉枱為MRS103（北光世紀公司）：枱面直徑200mm，減速比180，重複定位精度小於0.003°（10.8″）；MRS103 轉枱配備有模擬測試用步進電機PK566（Oriental），實際系統中選用的步進電機PK569（Oriental）具有更大轉矩，保證系統負載時的轉動力矩和轉動精度；位置反饋用絕對式光柵編碼器為RESA30USA 417B（Renishaw）；PPS等信號採用外置開關模擬，直接接入PLC輸入模塊；PPS狀態、系統狀態等信號採用計算機實時顯示方式，測試方法為：模擬轉枱為空載，運動行程為90°，運動速度為2°·s。通過改變外置控制信號的狀態，測試信號輸出狀態和轉枱轉動狀態的變化，進而測試系統的邏輯功能設計和錯誤安全處理等。模擬系統轉動精度測量工具為：ELCOMAT 3000型雙軸電子自準直儀，最小分辨率0.005″；測量方法為：設定逆時針轉動為正向運動，根據第二中子束線開關的轉動行程，在90°範圍內每隔15°取測量點，在2°·s的轉枱速度下，以0°→90°→0°往返為一次測量過程，如此重複進行10次測量，記錄每個測量點的位置偏差，根據每個測量點的位置偏差計算平均偏差和標準偏差。

根據測試結果，系統能夠滿足反射譜儀對第二中子束線開關的控制邏輯要求，且長時間運行穩定。通過對編碼器、步進電機等人為錯誤模擬，系統能夠及時停止報警，有效檢測並記錄故障信息。同時模擬系統的轉動精度測量結果如圖10所示，系統的重複定位精度小於0.0045°（16.2″），滿足要求精度。 ^[2] 

醫院中子照射器是我國建造的世界上第1座專門用於硼中子俘獲治療的微型中子源反應堆，它包括堆芯和3條中子束流孔道：熱中子束流孔道、超熱中子束流孔道和實驗中子束流孔道。前兩條束流孔道用於不同病況下硼中子俘獲治療；而實驗中子束流孔道用於血硼濃度的在線測量。在利用束流孔道開展硼中子俘獲療法研究和臨牀應用前，需對束流孔道的中子能譜進行計算和實驗測量，為後續細胞實驗、動物實驗，以及臨牀研究提供理論和實驗數據。本文將用MCNP建立醫院中子照射器模型，以得到能譜計算值。

1.MCNP程序模擬醫院中子照射器

以堆芯活性區中心為原點，根據設計圖紙確定各部分尺寸及材料參數，對不規則部分，採用均勻化的方法處理。計算時，中心控制棒位於滿功率時的臨界棒位，距原點約4.3cm；輔助控制棒提出堆外，堆芯歸一化核功率為30kW。

2.金箔活化法測量

絕對中子通量密度選用Au箔和Mn箔各兩片，將其中1片放置在鎘盒內、1片放置在鋁盒內，在束流出口中心處進行輻照，由測得的鎘比和絕對活度可計算絕對通量密度，有：式中：D₀為金探測箔的出堆活度；F_c為鎘上中子在鎘內的衰減因子；R_Au為金探測箔的鎘比；R_Mn為錳探測箔的鎘比；N_m為金探測箔總核子數；為金探測箔的熱區截面偏離1/v的修正g因子；為金與速度為2200m/s的中子的反σ0應截面，取98.8×10m；G_t為金探測箔本身的自屏因子。

3.中子能譜測量

用MCNP計算了出口處37羣、172羣和642羣的中子能譜，最終選取642羣的中子能譜作為輸入譜。在中心位置處不同通量條件下輻照各金屬活化箔，並用高純鍺探頭測量各箔以In為例，測量活度為4.1×10B_q，由冷卻時間和照射時間得到出堆飽和活度為6.78×10B_q，再由質量計算得到核子數為3.63×10，則單核飽和活度為1.87×10B_q，換算到滿功率時的單核飽和活度為3.73×10B_q。將 MCNP計算譜作為SAND－方法的輸入譜進行解譜。利用MCNP計算結果作為初始譜，經過SAND－程序迭代3次。

1）滿功率運行時，熱中子孔道出口處中心位置熱中子通量密度為2.038×10cm·s，該值滿足>1.0×10cm·s的設計要求，可作為BNCT技術的中子源。

2）從水平方向和豎直方向的中子通量密度結果看出，r<3cm，熱中子通量密度為（1.99±0.15）×10cm·s，變化較小；3cm≤r≤6cm，熱中子通量密度為（1.58±0.74）×10cm·s，變化較大。所以，在治療時應選用中心r<3cm的中子r>6cm處中子通量密度迅速下降，減少了不必要的劑量。

3）由能譜結果可看出：經石墨慢化層後，中子束流得到了充分慢化，熱中子佔總中子95%以上，快中子約佔1%，可作為BNCT的中子源。能譜計算值在較高能量段誤差較大，是由於快中子通量密度較小引起的，可選用更多種類的探測片來減小SAND－解譜時的誤差。 ^[3]