聚变堆氚分压直接测量BIXS软件开发及其应用

　　在聚变堆氘氚燃料循环系统中，需要进行纯或含氚混合气体中氚分压的在线测量，氚衰变产生β射线与材料组成原子相碰撞产生连续的轫致辐射X 射线(BIXS)，通过X射线的计数率与含氚混合气体中氚分压数值拟合关系即可实现对氚浓度的实时在线分析。氚分压BIXS应用软件就是为了实现实验室氚分压的在线测量，而独立开发的基于美国国家仪器(NI)公司LabVIEW环境的软件程序，氚分压测量仪器使用NaI(TI)探测器作为探测部件，上位机通过USB口接收仪器所测得的数据计算出压强进行实时显示，软件还根据实验需求实现了参数设置、动态显示、数据存取和压强平均值计算等功能，最终满足了用户对于氚分压在线直接测量的需求。所自主编制了软件完成了纯氚气体(0-10kPa)的氚分压直接测量标定实验应用验证，获得了较为稳定的线性标定曲线，其测量精度在纯氚压100Pa以上时优于5%，从而为聚变堆氚分压测量提供了一种简便可靠的技术手段。

　　从氚的安全和经济角度来看，大型热核聚变反应堆如ITER和未来的聚变设施都必不可少地需要大量的高浓度氚测量手段。Matsuyama等人最近研发了BIXS能谱法可以对含氚气体的氚分压进行测量。这个技术是基于一个专门设计的小室里含氚气体放出的β射线与材料作用产生的X射线进行探测。通过探测氚衰变β射线与材料相互作用产生的韧致X射线，可分析材料中氚的深度分布或气体中氚分压。此方法一定程度上可较好弥补其它氚浓度测量方法(如电离室，激光拉曼光谱仪，质谱仪等)的缺陷，因此，日本JAERI与德国FZK都将BIXS氚分压测量技术列为聚变堆氘氚燃料循环体系中的一项重要测氚手段。

　　本文设计并编制了基于LABView平台BIX-TP仪器应用软件开发，实现了数据采集、数据分析与处理(包括氚压力-时间、氚压力-计数率、氚浓度-时间等变化图)、数据记录、数据存储及计数率-时间实时显示功能，并且完成了纯氚气体(0-10kPa)的氚分压直接测量标定实验应用验证，获得了较为稳定的线性标定曲线，其测量精度在纯氚压100Pa以上时优于5%。

　　1 BIXS氚分压上位机应用软件系统结构

　　在需求分析的基础上将软件主要分为氚分压测量仪驱动程序层、BIXS氚分压应用程序层和面向对象接口程序层。氚分压测量仪驱动程序层将实现对测量仪的控制与通信，考虑到USB总线具有数据传输率高、支持即插即用、使用方便等特点，BIXS氚分压软件选择了基于USB的仪器控制与通信方法。BIXS氚分压应用程序层建立在仪器驱动程序层之上，提供数据的采集、数值的计算和存取等操作功能。面向对象接口程序层直接面对操作者，提供友好的操作界面选择所需功能及设置参数。

　　2 BIXS氚分压的仪器驱动和通信函数

　　驱动程序的创建首先使用Driver Development Wizard(驱动程序开发向导)创建INF文档;然后安装INF文档，安装使用INF文档的USB设备;最后使用NI—VISA Interactive Control(NI—VISA互动控制工具)对设备进行测试，以验证是否正确安装，最终获得USB设备的各属性值。驱动成功后，进行USB通讯的软件设计。

　　在创建了USB设备的VISA驱动之后，就可以通过LabVIEW应用程序进行调用，实现对USB设备的控制和通信。该过程主要通过使用NI—VISA函数来实现 。在LabVIEW 软件中集成了NI—VISA库函数，USB通信软件设计主要应用了VISA Open、VISA Write、VISA Read、VISA Close 四个函数。

　　3 BIXS氚分压上位机应用软件系统功能模块设计

　　3.1 主控模块

　　BIXS氚分压上位机应用软件系统功能模块设计思路如图1所示。主控模块主要包括两部分，菜单响应程序和数据采集主程序。操作者界面采用方便灵活的事件结构(Event Structure)来设计和实现，即等待事件发生，然后按照指定事件的程序代码对事件进行响应，此后再回到等待事件状态，避免了轮询(polling)方法对一定的CPU资源的占用(在没有事件发生时)。

　　开始采集后，主程序首先将变量进行初始化，然后通过VISA Open打开设备，并通过VISA Write发送采集开始命令给下位机仪器，成功发送后，再通过VISA Read读取从下位机接收到的数据并进行数据处理，在数据处理之前需要对接收到的数据进行检验，判断接收到的数据是否正确，数据正确，则对该数据进行数据处理和压强值计算，最后将时间-压强图像显示于主控界面，采集结束。

　　3.2 文件模块

　　文件模块中包括对采集并计算得到的压强数据的一系列操作，功能包括：

　　(1)数据的默认保存和另存;

　　(2)读取并显示已保存的数据;

　　(3)打印主控界面。

　　为了方便操作者对采集得到的压强数据进行各种数据处理与操作，本软件将压强数据保存为EXCEL电子表格格式，当重新打开已保存的压强数据文件后，主控界面中将会自动还原压强图像。

　　操作者还可根据需要，对主控界面进行打印，尤其是可直接打印出当前实验的时间-压强图像结果。

　　3.3 设置模块

　　在采集开始之前，需要对下位机的仪器进行通讯和控制，设置模块中提供了对应的功能项。

　　在通讯口的设置中，用户可以选择采集仪器所对应的设备资源名称，同时可通过对选择的设备进行确定操作来判断该设备是否连接成功，即检查通讯状态是否正常，如果设备连接成功，软件将提示设置成功，反之，提示失败，检查设备连接状态后重试。

　　为了实现对下位机仪器的控制和操作，本软件提供了参数设置对话框供用户来改变所选择的下位机仪器的高压、增益以及需要的采样时间，软件同时对参数值进行了默认设置，也就是说，用户可不需要改变参数值直接开始采集数据，其中高压的默认值为700V，增益默认值为1倍。

　　3.4 压强计算模块

　　BIX-TP氚分压通过USB接口按照一定的通讯协议，将得到的多组十六进制数据转换为一组计数值，再按照公式推导，计算出其对应的压强值。

　　为了实现实验过程中的自动化，减少操作者的工作量，添加了计算压强平均值功能，该功能通过Elapsed Time子VI，可以实现自动计算1、3、5、10、15、20、30分钟内的压强平均值，避免了操作者从excel中提取一定时间内的压强值，再计算平均值的繁复操作。

　　3.5 动态显示模块

　　操作者在实验过程中发现，会出现本底值较高的情况，此时本底和真正的信号值混合在一起，影响计数值和最终压力值的准确性和稳定性，所以在主控界面上添加了扣除本底输入框，操作者可根据当前实验环境和实验条件下的本底值，自行输入当前值，那么，图像显示和当前数据值显示会自动扣除掉该本底值，以还原最真实的当前值。

　　在主控界面上添加了压强最大值输入框，操作者可根据当前图像的实际情况，随时修改该压强最大值，以便更好的观察图像所显示的操作者最关注的区域。

　　4 BIXS氚分压上位机软件的应用

　　如图2是BIXS氚分压上位机软件操作界面及100Pa至10000Pa纯氚分压测量实验曲线，图2清晰显示了计数率随时间的变化，通过计数率得出氚分压测量系统中氚压强随时间的变化，进而计算出氚浓度随时间变化，得到氚分压与计数率关系数据库如表1所示，可以根据曲线拟合出纯氚分压(P)与计数率之间的公式：C=C0μP=2.28P，直接用于显示压强随时间的变化趋势，最终可以应用于聚变堆氚燃料循环系统中含氚气体中氚分压的直接测量。

　　从上表的试验结果可看出，在纯氚压大于0.1kPa时，测量精度结果优于3.40%，满足项目内要求的技术指标<5%，此时测量精度较好;在较低压部分(纯氚压<0.1kPa)精度稍差，分析其原因为：低纯氚压条件下有效计数率与本底计数率相差无几，本底计数率对有效计数率引入的误差较大。因此，在后续项目研究中，进一步控制本底的计数率，有望提高在低压段的测量精度。

　　5 总结

　　本文所研发的BIXS氚分压上位机应用软件基于LabVIEW编程环境实现了对下位机仪器简单便捷的通讯与控制方式;完成了数据采集、计算、保存等多种功能;提供了人机交互友好，美观简洁的显示界面，可实现氚工厂氘氚燃料及工艺气中氚分压的直接测量，并获得了纯氚分压与计数率之间的拟合关系，实现了在0-2kPa范围内BIXS测量纯氚分压的精度优于5%的预期目标，是聚变堆氘氚燃料循环体系中的一项重要测氚手段。该技术在国内属于首创，并首次提出将其应用于我国聚变工程实验堆氚工厂的氚测量与分析系统设计中。

　　作者：郭星辰 来源：电子技术与软件工程 2016年12期