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摘要:

在聚變堆氘氚燃料循環系統中，需要進行純或含氚混合氣體中氚分壓的在線測量，氚衰變產生β射線與材料組成原子相碰撞產生連續的軔致輻射X射線（BIXS），通過X射線的計數率與含氚混合氣體中氚分壓數值擬合關系即可實現對氚濃度的實時在線分析。氚分壓BIXS應用軟件就是為了實現實驗室氚分壓的在線測量，而獨立開發的基于美國國家儀器（NI）公司LabVIEW環境的軟件程序，氚分壓測量儀器使用NaI（TI）探測器作為探測部件，上位機通過USB口接收儀器所測得的數據計算出壓強進行實時顯示，軟件還根據實驗需求實現了參數設置、動態顯示、數據存取和壓強平均值計算等功能，最終滿足了用戶對于氚分壓在線直接測量的需求。所自主編制了軟件完成了純氚氣體（0-10kPa）的氚分壓直接測量標定實驗應用驗證，獲得了較為穩定的線性標定曲線，其測量精度在純氚壓100Pa以上時優于5%，從而為聚變堆氚分壓測量提供了一種簡便可靠的技術手段。

關鍵詞：

bixs；LABVIEW；氚分壓；計數；壓強

從氚的安全和經濟角度來看，大型熱核聚變反應堆如ITER和未來的聚變設施都必不可少地需要大量的高濃度氚測量手段。Matsuyama等人最近研發了BIXS能譜法可以對含氚氣體的氚分壓進行測量。這個技術是基于一個專門設計的小室里含氚氣體放出的β射線與材料作用產生的X射線進行探測。通過探測氚衰變β射線與材料相互作用產生的韌致X射線，可分析材料中氚的深度分布或氣體中氚分壓。此方法一定程度上可較好彌補其它氚濃度測量方法（如電離室，激光拉曼光譜儀，質譜儀等）的缺陷，因此，日本JAERI與德國FZK都將BIXS氚分壓測量技術列為聚變堆氘氚燃料循環體系中的一項重要測氚手段。本文設計并編制了基于LABView平臺BIX-TP儀器應用軟件，實現了數據采集、數據分析與處理（包括氚壓力-時間、氚壓力-計數率、氚濃度-時間等變化圖）、數據記錄、數據存儲及計數率-時間實時顯示功能，并且完成了純氚氣體（0-10kPa）的氚分壓直接測量標定實驗應用驗證，獲得了較為穩定的線性標定曲線，其測量精度在純氚壓100Pa以上時優于5%。

1BIXS氚分壓上位機應用軟件系統結構

在需求分析的基礎上將軟件主要分為氚分壓測量儀驅動程序層、BIXS氚分壓應用程序層和面向對象接口程序層。氚分壓測量儀驅動程序層將實現對測量儀的控制與通信，考慮到USB總線具有數據傳輸率高、支持即插即用、使用方便等特點，BIXS氚分壓軟件選擇了基于USB的儀器控制與通信方法。BIXS氚分壓應用程序層建立在儀器驅動程序層之上，提供數據的采集、數值的計算和存取等操作功能。面向對象接口程序層直接面對操作者，提供友好的操作界面選擇所需功能及設置參數。

2BIXS氚分壓的儀器驅動和通信函數

驅動程序的創建首先使用DriverDevelopmentWizard（驅動程序開發向導）創建INF文檔；然后安裝INF文檔，安裝使用INF文檔的USB設備；最后使用NI—VISAInteractiveControl（NI—VISA互動控制工具）對設備進行測試，以驗證是否正確安裝，最終獲得USB設備的各屬性值。驅動成功后，進行USB通訊的軟件設計。在創建了USB設備的VISA驅動之后，就可以通過LabVIEW應用程序進行調用，實現對USB設備的控制和通信。該過程主要通過使用NI—VISA函數來實現。在LabVIEW軟件中集成了NI—VISA庫函數，USB通信軟件設計主要應用了VISAOpen、VISAWrite、VISARead、VISAClose四個函數。

3BIXS氚分壓上位機應用軟件系統功能模塊設計

3.1主控模塊BIXS氚分壓上位機應用軟件系統功能模塊設計思路如圖1所示。主控模塊主要包括兩部分，菜單響應程序和數據采集主程序。操作者界面采用方便靈活的事件結構（EventStructure）來設計和實現，即等待事件發生，然后按照指定事件的程序代碼對事件進行響應，此后再回到等待事件狀態，避免了輪詢（polling）方法對一定的CPU資源的占用（在沒有事件發生時）。開始采集后，主程序首先將變量進行初始化，然后通過VISAOpen打開設備，并通過VISAWrite發送采集開始命令給下位機儀器，成功發送后，再通過VISARead讀取從下位機接收到的數據并進行數據處理，在數據處理之前需要對接收到的數據進行檢驗，判斷接收到的數據是否正確，數據正確，則對該數據進行數據處理和壓強值計算，最后將時間-壓強圖像顯示于主控界面，采集結束。

3.2文件模塊文件模塊中包括對采集并計算得到的壓強數據的一系列操作，功能包括：（1）數據的默認保存和另存；（2）讀取并顯示已保存的數據；（3）打印主控界面。為了方便操作者對采集得到的壓強數據進行各種數據處理與操作，本軟件將壓強數據保存為EXCEL電子表格格式，當重新打開已保存的壓強數據文件后，主控界面中將會自動還原壓強圖像。操作者還可根據需要，對主控界面進行打印，尤其是可直接打印出當前實驗的時間-壓強圖像結果。

3.3設置模塊在采集開始之前，需要對下位機的儀器進行通訊和控制，設置模塊中提供了對應的功能項。在通訊口的設置中，用戶可以選擇采集儀器所對應的設備資源名稱，同時可通過對選擇的設備進行確定操作來判斷該設備是否連接成功，即檢查通訊狀態是否正常，如果設備連接成功，軟件將提示設置成功，反之，提示失敗，檢查設備連接狀態后重試。為了實現對下位機儀器的控制和操作，本軟件提供了參數設置對話框供用戶來改變所選擇的下位機儀器的高壓、增益以及需要的采樣時間，軟件同時對參數值進行了默認設置，也就是說，用戶可不需要改變參數值直接開始采集數據，其中高壓的默認值為700V，增益默認值為1倍。

3.4壓強計算模塊BIX-TP氚分壓通過USB接口按照一定的通訊協議，將得到的多組十六進制數據轉換為一組計數值，再按照公式推導，計算出其對應的壓強值。為了實現實驗過程中的自動化，減少操作者的工作量，添加了計算壓強平均值功能，該功能通過ElapsedTime子VI，可以實現自動計算1、3、5、10、15、20、30分鐘內的壓強平均值，避免了操作者從excel中提取一定時間內的壓強值，再計算平均值的繁復操作。操作者在實驗過程中發現，會出現本底值較高的情況，此時本底和真正的信號值混合在一起，影響計數值和最終壓力值的準確性和穩定性，所以在主控界面上添加了扣除本底輸入框，操作者可根據當前實驗環境和實驗條件下的本底值，自行輸入當前值，那么，圖像顯示和當前數據值顯示會自動扣除掉該本底值，以還原最真實的當前值。在主控界面上添加了壓強最大值輸入框，操作者可根據當前圖像的實際情況，隨時修改該壓強最大值，以便更好的觀察圖像所顯示的操作者最關注的區域。

4BIXS氚分壓上位機軟件的應用

如圖2是BIXS氚分壓上位機軟件操作界面及100Pa至10000Pa純氚分壓測量實驗曲線，圖2清晰顯示了計數率隨時間的變化，通過計數率得出氚分壓測量系統中氚壓強隨時間的變化，進而計算出氚濃度隨時間變化，得到氚分壓與計數率關系數據庫如表1所示，可以根據曲線擬合出純氚分壓（P）與計數率之間的公式：C=C0μP=2.28P，直接用于顯示壓強隨時間的變化趨勢，最終可以應用于聚變堆氚燃料循環系統中含氚氣體中氚分壓的直接測量。從上表的試驗結果可看出，在純氚壓大于0.1kPa時，測量精度結果優于3.40%，滿足項目內要求的技術指標<5%，此時測量精度較好；在較低壓部分（純氚壓<0.1kPa）精度稍差，分析其原因為：低純氚壓條件下有效計數率與本底計數率相差無幾，本底計數率對有效計數率引入的誤差較大。因此，在后續項目研究中，進一步控制本底的計數率，有望提高在低壓段的測量精度。

5總結

本文所研發的BIXS氚分壓上位機應用軟件基于LabVIEW編程環境實現了對下位機儀器簡單便捷的通訊與控制方式；完成了數據采集、計算、保存等多種功能；提供了人機交互友好，美觀簡潔的顯示界面，可實現氚工廠氘氚燃料及工藝氣中氚分壓的直接測量，并獲得了純氚分壓與計數率之間的擬合關系，實現了在0-2kPa范圍內BIXS測量純氚分壓的精度優于5%的預期目標，是聚變堆氘氚燃料循環體系中的一項重要測氚手段。該技術在國內屬于首創，并首次提出將其應用于我國聚變工程實驗堆氚工廠的氚測量與分析系統設計中。

參考文獻：

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[4]陳金平,王生澤,吳文英.LabVIEW的事件驅動功能在菜單設計中的應用[J].儀表技術,2005(01):13-14.

作者：郭星辰 劉志珍 吉曉梅 楊洪廣 單位：中國原子能科學研究院