中子束

描述中子通量的物理量

中子束是描述中子通量的物理量。

中子束线监测器

随着国际、国内散裂中子源的发展，中子通量越来越高，对束流监测器的要求也随之提高，除了需要实时监测中子束的强度外，还要具有良好的二维位置分辨使之能实时地监测中子束斑的形状，同时提供好的时间分辨用于测量中子波长。目前，基于涂硼GEM的中子探测技术已成为新型中子探测器研究的热点，也是新一代中子束流监测器的热点技术。

受中子产生效率及中子束传输效率等因素影响，中子源中子束的入射强度不稳定，会随时间而改变，导致系统误差增大，从而影响实验测量结果。在中子导管出口处放置一个中子束线监测器，这样就能够测量入射中子强度随时间的变化情况，从而有效减小中子束入射强度变化引起的系统误差。同时，为了减小对入射中子束的干扰，还要求中子束线监测器具有高传输因子（大于95%）以及低探测效率（约1%）。电子学系统采用96路Pad读出方案，任务是实现对中子束斑形状和强度的实时监测。设计指标为位置分辨约1cm，单路Pad能实现10的高计数率。

探测器简介

GEM膜是在厚50μm的聚酰亚胺（kapton）膜的上、下表面各敷厚5μm的铜层，并在其上蚀刻直径为70μm，布局呈三角形，各孔中心距为140μm微孔的一种复合膜。微孔内部形状为双圆锥形，GEM膜有效面积为100mm×100mm。漂移极采用200μm的铝箔拉伸粘框而成，由中核（北京）核仪器厂采用电泳的方法在其下表面涂上一层质量厚度约为1mg/cm的浓缩硼（硼－10丰度为92%），中子转换效率到达最大值约为5%，这样可以获得较大的计数率，以便使用放射源进行性能测试。信号收集极采用印刷电路板制成的96路镀金pad（8mm×8mm）多路独立引出。CEAN SY127多路高压电源为两级GEM膜以及漂移电极提供5路负高压。工作气体为Ar/CO2（70/30），采用一个大气压流气式供气。子计数情况，并最终通过中子飞行时间法来测量中子波长；PAS用于记录某一时间间隔内每路Pad上的中子计数情况，通过二维位置测量得到中子束斑的形状。

电子学系统设计

工作原理

基于涂硼的GEM探测器探测到中子后，输出携带中子各种物理信息的电信号。电子学系统对此信号进行初步放大后，送入甄别器甄别产生数字信号，再送FPGA进行数据处理，最后将TAS和PAS两个谱图数据包送至PC机上进行成像显示。以质子打靶周期信号T0（25Hz）为参考时刻，TAS以2μs为步长，用于记录某一时间间隔内所有Pad上的中AD8099及AD8137进行初步放大后，送AD8564进行甄别，并将甄别后的96路TTL数字信号送FPGA进行后续处理，最终经USB接口送计算机。子板接收母板为其提供的工作电压、工作模式控制电平信号、门控自检脉冲和程控甄别阈。整个系统有两种工作模式，在线取数模式下处理探测器输出信号；刻度校准模式下，模拟探测器输出信号，产生一个与门控脉冲同频率的、幅值可控的指数波信号送甄别器甄别。

Monitor母板

Monitor母板主要工作是接收子板送来的96 路数字信号对其进行FPGA数据处理，并将处理好的数据通过USB接口送至PC机。另外，它还为整个电子学系统提供工作所需电源及为子板提供校准模式下所需的各种信号。FPGA数据处理主要包括TAS、PAS、数据包装及USB接口逻辑几部分。

“乒乓操作”简介

“乒乓操作”是一个常常应用于数据流控制的处理技巧。其简单处理流程为：在第一个缓冲周期，将数据缓存至“数据缓冲模块1”；在第二个缓冲周期，将数据流缓存至“数据缓冲模块2”，同时将“数据缓冲模块1”中的数据送至“数据流运算处理模块”进行运算处理；在第三个缓冲周期，再次将数据缓存到“数据缓冲模块1”，同时将“数据缓冲模块2”的数据送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。乒乓操作的最大特点是可以通过逻辑控制将经过缓冲的数据没有停顿地送到“数据流运算处理模块”进行运算与处理。因此，乒乓操作非常适合对数据流进行流水线式处理，完成数据的无缝缓冲与处理。

TAS算法

在FPGA中为每路Pad开辟一个独立的计数器和寄存器，用于计数和存储每路Pad 2μs时间内的计数值。2μs时钟信号上升沿到来时将计数值存入各自寄存器中，经过7级加法器后得到2μs时间内所有96路Pad上的中子计数总和，再将其累加进BRam对应的地址空间。开辟的两个单端口BRam用于数据缓冲，其工作方式按上述的“乒乓操作”方式运行。每个BRam的宽度设为32bit，按单路Pad最高10计数率计算，能记录60多分钟的计数值；深度设为20000，地址在2μs时钟信号上升沿自加1，正好能记录质子打耙周期（40ms）内的中子计数情况。质子打靶周期信号T0到来时，地址复位到0。

PAS算法

PAS用于记录指定时间间隔内每路Pad上的计数情况。同样地，为每路Pad开辟一个32bit的计数器和一个32bit的寄存器，后端DAQ每发出一条读PAS指令，便将当前计数器的值写入寄存器当中，随后立即对计数器清零，重新开始中子计数。寄存器中的计数值经数据打包及数据位宽转换后经USB口送至PC机上做成像显示。

数据包装及USB接口逻辑

后端DAQ每发出一条读数指令，FPGA内部便开始对相应数据进行数据打包处理。一个完整的数据包包括包头、真实数据及包尾。真实数据包括端口号、Pad序号/时间步长序号及相应的计数值，大小为64bits。根据需要，可在包头或包尾携带上状态及出错等信息，以便于调试时发现错误所在。一个完整的TAS数据包为160256Bytes，一个完整的PAS数据包为1024Bytes。USB接口主要用于向FPGA发出各种操作指令并将打包好的数据包读出至PC机上显示。

测试结果

为了检验电子学系统本身的性能指标，在与探测器联调前，我们需要对GEM Monitor子母板进行功能的检查与性能的测试。

1.各通道一致性测试

在校准模式下，我们对12块子板一一做了测试，确保所有通道之间保持良好的一致性，且子板输出信号质量良好，不会对后续数据处理产生误触发。实验通过调整各项电路参数使各通道放大倍数、信号波形等保持了良好的一致性。

2.串扰测试

校准模式下，母板为子板每通道提供频率1MHz，脉宽400ns的自检脉冲，以进行1MHz计数率情况下的串扰测试。从子板PCB布局布线考虑，我们选定了最容易受串扰的一个通道进行串扰测试。焊下该通道上的某个元件，使其接收不到母板送过来的自检脉冲，子板其余7个通道都工作在1MHz计数率下。实验证明，在1MHz的计数率下，各通道之间无串扰。

3.噪声触发水平测试

在线取数模式下，我们还做了噪声触发水平测试。在无输入的情况下，通过不断调整触发阈，观察在什么阈值下，噪声不会再产生误触发。测得在实验室条件下，噪声触发阈大概在26mV，等效到输入端的噪声为22μV，足以满足设计指标。

中子束线开关控制系统

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source, CSNS）是中国“十二五”期间重点建设的大科学装置之一，是一个国际前沿的高科技多学科应用大型研究平台。多功能反射谱仪是散裂中子源首期建设三台谱仪之一，主要用于研究物质表面和界面结构。该谱仪的中子导管系统中采用了8m长的多层弯导管，从而设计了两个中子束线开关，正常工作时，处于靶站内的第一中子束线开关保持常开，通过第二中子束线开关实现中子束流通断，因此第二中子束线开关是反射谱仪的关键设备之一。本文设计即用于实现第二中子束线开关的控制。

第二中子束线开关在机械结构上，通过旋转屏蔽块内的中子导管的方向实现中子束流的切断/导通，即将导管旋转至中子束流方向时，束流导通，将导管旋转至中子束流垂直方向时，束流被屏蔽块挡住，束流切断。

分析该中子束线开关作用和工作位置可知，该开关在束流导通时，要求有高位置精度，以保证中子束流通量，在束流切断位置时，要求强屏蔽性，以保证散射室内人员和设备安全。因此，该系统工作在中子辐射环境下，要求大负载下的高精度控制。经模拟分析，该系统负载约为450kg，运动行程为90°转角，转动重复定位精度要求好于0.011 46°（41″），可在中子环境下稳定工作。

中子束线开关总体控制结构设计

按照上述需求，该中子束线开关控制系统实现的主要功能是：根据输入信号控制实现中子束线开关动作，实时显示开关状态，同时与反射谱仪上层及其他系统进行信息交互。为保证系统的可靠性和长时间运行稳定性，我们选择了以PLC（Programmable Logic Controller）控制器为控制核心，以步进电机为驱动部件，以高精度绝对值编码器为位置反馈部件，形成高精度的闭环控制系统。向中子束线开关运动控制器发送控制指令，驱动步进电机运动，并实时接收位置编码器的信息反馈，完成位置闭环控制，从而实现中子束线开关在大负载下的高精度开/关动作，同时通过硬件输出信号实时显示系统的运行状态。PLC控制器中的系统状态信息通过中子束线开关控制服务器实现与其他系统的信息交互。

中子束线开关控制系统硬件设计

根据第二中子束线开关控制系统结构，控制系统硬件主要分为控制用服务器、PLC控制器、底层运动控制等三部分。

1.主要设备选型

PLC控制器是本控制系统的核心，所选PLC需要质量安全可靠，可长时间稳定运行。经过对比，我们选择日本横河公司的F3型PLC：CPU模块F3SP76-7N，程序长度260K阶，支持USB、网络等接口；输入模块F3XD08-6F光电隔离，支持12–24V宽范围工作电压，可自由扩展；输出模块支持继电器输出，各点独立，可自由扩展；以太网接口模块F3LE11-0T，适用10BASE-T/100 BASE-TX。在底层运动控制方面，经过对比，我们选择德国Huber Diffraktionstechnik GmbH & Co. KG公司的Huber运动控制器控制电机，可驱动1–16轴电机，支持串口、网络通讯方式；选择日本Oriental公司五相步进电机PK569驱动束线开关转台，额定转矩1.66Nm；英国Renishaw公司的绝对式环形编码器RESA30USA417B作为位置信息反馈方式，系统精度±0.68″，从而实现闭环控制。第二中子束线开关控制用服务器用于接收PLC传输的状态信息，并与反射谱仪域服务器进行信息交互。作为上位工控机，要求保证计算机的可靠性和实时性，同时配备双网口，经过对比，我们选择台湾研华的工控机作为控制用服务器。

2.可靠性设计

根据设计要求特别考虑硬件的可靠性和安全性方面设计。针对中子实验环境，为了减少信号干扰，选用硬件方式传输信号。采用手动开关、信号灯等形式接入横河PLC控制器的输入输出模块，以硬件信号的方式操作控制束线开关和实时显示开关状态。同时限位开关与位置开关均选用机械式开关。

为了加强系统的安全可靠，对关键部件进行冗余设计。设计开位和关位限位开关，用于在编码器失效情况下防止束线开关过位损坏，同时在限位开关后设计机械挡板，进一步保护束线开关。另外，为防止电子部件产生虚假信号，在编码器反馈位置信息的基础上，打开和关闭位置均设计有机械位置开关，中子束线开关的打开和关闭状态需要综合判断：开工位要求精度，打开状态由位置开关和编码器位置值共同判断；关工位重视安全，关闭状态同时触发位置开关和限位开关，由位置开关、限位开关和编码器位置值共同判断。

中子束线开关控制系统软件设计

1.软件结构设计

第二中子束线开关控制系统的软件，主要涉及控制用计算机的客户端开发，PLC控制器的控制逻辑开发、底层运动控制等。以横河 PLC控制器为核心，重点是PLC控制器的控制逻辑开发，采用服务端/客户端的通信方式。

服务端与客户端之间采用Socket TCP/IP的方式通信，通过横河PLC中CPU模块和以太网接口模块把PLC与控制用计算机和SMC9300运动控制器的通信网段分开，实现两部分的通信隔离。因为SMC9300内部自带Socket Server通信程序，所以只需要在横河PLC控制器中使用梯形图编写Socket Client程序，即可实现PLC对SMC9300的控制操作。PLC与上位机的通信功能主要用于传输系统状态信息并存入第二中子束线开关状态数据库。选择横河PLC控制器的Higher Level Link Service功能实现Socket TCP/IP通信，以横河PLC控制器为Socket服务端，只需在上位机编写Socket客户端程序即可访问PLC控制器实现读写功能。

2.控制逻辑设计

在横河PLC控制器中采用模块化方式编程设计系统的逻辑功能，实现系统开机自检、工作模式切换和开关动作控制等。第二中子束线开关系统控制逻辑设计的关键是在实现系统功能的基础上加强系统安全和错误处理等。根据散裂中子源工程总体安全设计要求，第二中子束线开关控制系统通PLC控制器以硬件信号的方式纳入人身安全连锁保护系统（Physical Protection System, PPS）。

（1）系统开机自检是保护系统正常工作和防止系统错误的重要环节。系统启动后依次检查PLC控制器、SMC9300运动控制器和编码器等关键设备的状态。设备工作状态正常才能进入下一步手动操作，否则输出错误信号，记录故障信息，系统自动退出。同时在PLC的运行过程中，每个扫描周期，都会读取检查编码器位置信息。关完全从PPS中剥离；维修完成后，手动S0至正常工作模式，并人工通知PPS第二中子束线开关故障解除，PPS复位其本地对应故障位。

（2）系统工作模式切换，由手动开关S0人工控制，设计有正常和维修两种工作模式（图6、图7）。正常工作模式时，第二中子束线开关系统可以正常执行本地/PPS命令进行第二中子束线开关的开/关。维修工作模式时，PPS能使其对应本地的故障位，禁止第一中子束线开关打开，并使第二中子束线开

中子束线开关控制系统测试

目前，第二中子束线开关控制系统的软硬件设计已经完成，并且在实验室进行了长时间测试。测试时使用实验室搭建的模拟系统，重点在于验证系统控制逻辑功能、安全设计及错误处理；同时测量模拟系统空载时的转动精度作为参考，待机械部分加工完成后进一步测量实际系统的转动精度。

模拟测试系统在光学平台上搭建，如图8所示。测试用模拟转台为MRS103（北光世纪公司）：台面直径200mm，减速比180，重复定位精度小于0.003°（10.8″）；MRS103 转台配备有模拟测试用步进电机PK566（Oriental），实际系统中选用的步进电机PK569（Oriental）具有更大转矩，保证系统负载时的转动力矩和转动精度；位置反馈用绝对式光栅编码器为RESA30USA 417B（Renishaw）；PPS等信号采用外置开关模拟，直接接入PLC输入模块；PPS状态、系统状态等信号采用计算机实时显示方式，测试方法为：模拟转台为空载，运动行程为90°，运动速度为2°·s。通过改变外置控制信号的状态，测试信号输出状态和转台转动状态的变化，进而测试系统的逻辑功能设计和错误安全处理等。模拟系统转动精度测量工具为：ELCOMAT 3000型双轴电子自准直仪，最小分辨率0.005″；测量方法为：设定逆时针转动为正向运动，根据第二中子束线开关的转动行程，在90°范围内每隔15°取测量点，在2°·s的转台速度下，以0°→90°→0°往返为一次测量过程，如此重复进行10次测量，记录每个测量点的位置偏差，根据每个测量点的位置偏差计算平均偏差和标准偏差。

根据测试结果，系统能够满足反射谱仪对第二中子束线开关的控制逻辑要求，且长时间运行稳定。通过对编码器、步进电机等人为错误模拟，系统能够及时停止报警，有效检测并记录故障信息。同时模拟系统的转动精度测量结果如图10所示，系统的重复定位精度小于0.0045°（16.2″），满足要求精度。

中子束能谱

医院中子照射器是我国建造的世界上第1座专门用于硼中子俘获治疗的微型中子源反应堆，它包括堆芯和3条中子束流孔道：热中子束流孔道、超热中子束流孔道和实验中子束流孔道。前两条束流孔道用于不同病况下硼中子俘获治疗；而实验中子束流孔道用于血硼浓度的在线测量。在利用束流孔道开展硼中子俘获疗法研究和临床应用前，需对束流孔道的中子能谱进行计算和实验测量，为后续细胞实验、动物实验，以及临床研究提供理论和实验数据。本文将用MCNP建立医院中子照射器模型，以得到能谱计算值。

方法

1.MCNP程序模拟医院中子照射器

以堆芯活性区中心为原点，根据设计图纸确定各部分尺寸及材料参数，对不规则部分，采用均匀化的方法处理。计算时，中心控制棒位于满功率时的临界棒位，距原点约4.3cm；辅助控制棒提出堆外，堆芯归一化核功率为30kW。

2.金箔活化法测量

绝对中子通量密度选用Au箔和Mn箔各两片，将其中1片放置在镉盒内、1片放置在铝盒内，在束流出口中心处进行辐照，由测得的镉比和绝对活度可计算绝对通量密度，有：式中：D0为金探测箔的出堆活度；Fc为镉上中子在镉内的衰减因子；RAu为金探测箔的镉比；RMn为锰探测箔的镉比；Nm为金探测箔总核子数；为金探测箔的热区截面偏离1/v的修正g因子；为金与速度为2200m/s的中子的反σ0应截面，取98.8×10m；Gt为金探测箔本身的自屏因子。

3.中子能谱测量

用MCNP计算了出口处37群、172群和642群的中子能谱，最终选取642群的中子能谱作为输入谱。在中心位置处不同通量条件下辐照各金属活化箔，并用高纯锗探头测量各箔以In为例，测量活度为4.1×10Bq，由冷却时间和照射时间得到出堆饱和活度为6.78×10Bq，再由质量计算得到核子数为3.63×10，则单核饱和活度为1.87×10Bq，换算到满功率时的单核饱和活度为3.73×10Bq。将 MCNP计算谱作为SAND－方法的输入谱进行解谱。利用MCNP计算结果作为初始谱，经过SAND－程序迭代3次。

讨论

1）满功率运行时，热中子孔道出口处中心位置热中子通量密度为2.038×10cm·s，该值满足>1.0×10cm·s的设计要求，可作为BNCT技术的中子源。

2）从水平方向和竖直方向的中子通量密度结果看出，r<3cm，热中子通量密度为（1.99±0.15）×10cm·s，变化较小；3cm≤r≤6cm，热中子通量密度为（1.58±0.74）×10cm·s，变化较大。所以，在治疗时应选用中心r<3cm的中子r>6cm处中子通量密度迅速下降，减少了不必要的剂量。

3）由能谱结果可看出：经石墨慢化层后，中子束流得到了充分慢化，热中子占总中子95%以上，快中子约占1%，可作为BNCT的中子源。能谱计算值在较高能量段误差较大，是由于快中子通量密度较小引起的，可选用更多种类的探测片来减小SAND－解谱时的误差。

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