【摘 要】
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多球中子谱仪常用于测量各种中子辐射场中的中子能谱,传统的多球中子谱仪存在能谱测量范围小、多个探测球体工作出现“球球干扰”影响、测量结果不一致和整体设备笨重且价格昂贵等问题。针对以上存在问题,本人所在课题组研制出了使用水作为慢化剂的抽注水多层同心球中子谱仪,该仪器通过对慢化多层球体各层抽注水方式来控制慢化层厚度,然后根据谱仪中心热中子探测器输出不同慢化厚度组合下测量的热中子计数,再通过解谱来获得中子
【基金项目】
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国家自然科学基金面上项目“抽注水多层同心球宽量程新型中子能谱探测器研究”（No.41774120）； 四川省应用基础研究项目“抽注水多层同心球中子谱仪剂量校正方法研究”（No.2021YJ0329）；
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多球中子谱仪常用于测量各种中子辐射场中的中子能谱,传统的多球中子谱仪存在能谱测量范围小、多个探测球体工作出现“球球干扰”影响、测量结果不一致和整体设备笨重且价格昂贵等问题。针对以上存在问题,本人所在课题组研制出了使用水作为慢化剂的抽注水多层同心球中子谱仪,该仪器通过对慢化多层球体各层抽注水方式来控制慢化层厚度,然后根据谱仪中心热中子探测器输出不同慢化厚度组合下测量的热中子计数,再通过解谱来获得中子能谱。本论文依托国家自然科学基金面上项目“抽注水多层同心球宽量程新型中子能谱探测器研究”（No.41774120）、四川省应用基础研究项目“抽注水多层同心球中子谱仪剂量校正方法研究”（No.2021YJ0329）等项目。针对抽注水多层同心球中子谱仪需要解决平台技术中的抽注水控制系统,开展了一种以流量计输出信号为判据的全自动抽注水层厚度控制系统研究,主要获得成果如下:（1）首先,根据当前抽注水多层同心球中子谱仪的水层厚度控制需要手动操作的情况,设计了一套自动识别和控制水层厚度的全自动抽注水系统,该系统主要由抽注水模式选择结构、多层同心球水层选择结构、系统控制电路板和储水水箱四部分组成。控制电路板上的STM32单片机通过计数抽注水模式选择结构中流量计所产生的电压方波信号频率（0Hz～20Hz）,来控制相对应的1个水泵、4个抽注水模式选择电磁阀和10个球体水层选择电磁阀的开启和关断,通过5个水层组合实现了2~5=32种方式的全自动抽注水作业。（2）其次,根据目前抽注水手动控制系统工作时电磁阀发热严重（工作10min后温度为73℃）等问题,对全自动抽注水系统的流量计、水泵和电磁阀等功能模块,通过模块选型、测试系统耐压等手段开展系统设计。根据多层同心球的工作压强要求（＜4Mpa）、水通道流量要求（＞2L/min）和水源动力要求（需带自吸功能）,选取型号为“KT-PU-400G”的直流隔膜自吸水泵;选取并测试了发热量很小的“2W-160-15”型号节能电磁阀（长时间工作温度低于30℃）;选取并测试了“YF-S201”型号霍尔流量计,其在全自动抽注水系统中,水流正向流动时输出高5V、低0V、占空比50%和频率为20Hz的电压方波信号,水流反向流动时输出高5V、低0V、占空比50%和频率为10Hz的电压方波信号,无水流流过时不输出电压方波信号。从而解决了抽注水控制系统长期工作模块温度过高、抽注水作业时间过长和流量计输出信号不稳定等难题。（3）其三,完成了全自动抽注水的控制电路板的硬件系统设计,使用Altium Designer 18软件绘制了MCU最小工作系统、开关插座控制电路和系统电源等。分析了全自动抽注水系统中水泵和电磁阀的工作功率最高达到132W,电路板大电流走线部分的负载电流最高为5.5A,所以设计大电流走线宽度为120mil,整个PCB铜皮加厚到2盎司,然后完成了PCB整体的布局、走线和元器件焊接。同时完成了全自动抽注水的控制电路板的软件系统设计,使用KeilμVision5软件编写了主程序、初始化程序、流量计电压方波信号计数程序、开关插座控制程序、水层组合选择程序和串口通信协议等。该系统经实验测试,水层组合由00Pb000（球体5层水层无水）到11Pb111（球体5层水层满水）的全自动注水时间为14分17秒,水层组合由11Pb111（球体5层水层满水）到00Pb000（球体5层水层无水）的全自动抽水时间为21分11秒,比手动控制抽注水系统的工作效率提高了约30%。本论文的主要创新点如下:（1）对抽注水多层同心球中子谱仪的抽注水系统操作方式进行改进,建立了全自动抽注水控制、系统电源集成和慢化水层厚度识别等优化系统,使得测量中子能谱时的水层慢化层厚度切换无需人为干预,降低了辐射风险。（2）设计了全自动抽注水硬件系统,完成了多层同心球中子谱仪32种水层组合方式的全自动抽注水控制,比手动控制抽注水系统的工作效率提高了约30%。
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