CN101599307B - 中子单色器屏蔽装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于中子散射技术领域，公开了一种中子单色器的屏蔽装置。该装置为封闭的圆柱形鼓状结构，中间旋转部分是由一个带有齿圈并设置N+1个防旋电磁铁的旋转托盘，安装于其上的一个大楔块，N个分度小楔块，以及下部转盘轴承组成，大楔块与旋转托盘相互固定在一起，N个分度小楔块依次置于大楔块的缺口部位。在小楔形块的上方设置一个固定电磁铁，防旋电磁铁、固定电磁铁在通电时吸住小楔块。本发明所提供的技术方案通过软硬件配合来完成复杂的运动，结构简单，加工方便。

Description

中子单色器屏蔽装置

技术领域

本发明属于中子散射技术领域，具体涉及一种中子单色器的屏蔽装置。

背景技术

大多数反应堆中子散射实验测量都必须使用具有特定能量或波长的中子，即单色中子作探针。由反应堆引出的白光中子束的单色化过程是由置于反应堆生物屏蔽外的晶体单色器来实现，即通过改变单色器的入射束与出射束之间的起飞角2θ_M而获得。为满足屏蔽要求并有效降低实验本底，必须在单色器周围设置屏蔽装置，即单色器屏蔽装置，它是中子散射谱仪的关键部件之一。

单色器屏蔽装置主体通常为分层鼓状结构，中间一层为中子束所处的一层。若要实现起飞角的改变，就要使大鼓的中间层能转动，以保证出射的单色中子波长符合预期要求。屏蔽材料一般采用比重在5g/cm³以上的重混凝土。由于整个屏蔽装置的尺寸较大，重量很大，要使屏蔽外侧的辐射剂量水平满足非限制区标准，设计和加工一个结构合理、运转可靠的屏蔽装置至关重要。例如，德国柏林HMI所E3谱仪的单色器屏蔽装置采用分立的三个出射孔装置，这种屏蔽装置比较简单，但是波长只能取三个不同值，而不能连续改变，限制了具体应用范围。美国NIST的BT8残余应力衍射谱仪的单色器装置有所改进，采用了旋转大鼓的结构，其大鼓采用成对的朝上下相反方向开启的屏蔽楔形块来允许中子束进入大鼓。这种双楔形屏蔽块的设计采用了一种凸轮导轨模块，可环绕束流开启孔精确定位楔形屏蔽块，扩大了波长应用范围，缺点是机械运动繁琐，工作稳定性差，加工困难。国内目前基于起飞角可变的中子单色器屏蔽装置的研究尚属空白，没有文献公开报道。

发明内容

(一)发明目的

本发明针对现有技术所存在的机械结构繁杂、建造困难、控制与维护不便等问题，结合单色器周围的屏蔽效果和起飞角的改变的要求，提供了一种起飞角可变、结构简单实用的单色器屏蔽装置。

(三)技术方案

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案。

一种中子单色器屏蔽装置，为封闭的圆柱形鼓状结构，中间形成空腔，放置单色器及单色器台。圆柱形鼓为层状结构，分上、中、下三部分，依次为上部大鼓、中间旋转部分、下部大鼓，上部大鼓、下部大鼓固定不动并彼此通过弧形外套及内部支撑套相连。中间旋转部分设置中子束入射通道和出射通道。关键在于，所述的中间旋转部分是由一个带有齿圈并设置N+1个防旋电磁铁的旋转托盘，安装于其上的一个大楔块，N个分度小楔块，以及下部转盘轴承组成，大楔块与旋转托盘相互固定在一起，大楔块上设置出射孔，N个分度小楔块依次置于大楔块的缺口部位。在小楔形块的上方设置一个固定电磁铁，防旋电磁铁、固定电磁铁在通电时吸住小楔块。

采用防旋电磁铁，目的是吸住小楔块，防止旋转托盘在起制动过程中的惯性造成小楔块正确位置的改变。

N为大于或等于2的自然数，它根据起飞角调整精度而定，理论上没有限制。小楔块间形成入射通道。

(三)有益效果

上述的技术方案中，在固定电磁铁及防旋电磁铁的配合下，通过固定在下部大鼓外侧的液压马达驱动旋转托盘，完成中间层的旋转运动，同时实现小楔块的分度，改变屏蔽装置的起飞角，结合探测晶体位置的微调，可实现起飞角在大范围内的连续可调。这种结构使得中间旋转部分不受上部大鼓的压力，转动阻力小，所需马达的功率较小；同时旋转所产生的转动惯量较小，快速启制动时产生的惯性小，从另一方面保证了转角定位的精确度。与现有技术相比较，其优点是结构精巧，充分发挥计算机软件优势，大幅度降低硬件成本，通过软硬件配合来完成复杂的运动，使整个装置运动更加简易稳定，实现了高精确度的转角定位和快速启制动，充分满足了整套谱仪的需求。同时结构简单，加工方便。

附图说明

图1中子单色器屏蔽装置结构示意图；

图2图1中A-A方向剖示图；

图3小楔块仰视图；

图4小楔块俯视图；

图5上部三层仰视图；

图6旋转托盘结构示意图；

图7实施例所举的起飞角改变过程示意图。

其中，1、入射通道；2、出射通道；3、上部一层；4、上部二层；5、上部三层；6、大楔块；7、旋转托盘；8、转盘轴承；9、下部一层；10、下部二层；11、下部三层；12、内支撑套；13、小楔块；14、小楔块磁铁；15、小楔块滚珠；16、固定电磁铁；17、防旋电磁铁。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步阐述。

单色器屏蔽装置要实现单色器周围的屏蔽要求，同时实现单色器起飞角的改变。如图1、2所示，除去中子束入射通道1和出射通道2外，屏蔽装置是个封闭的圆柱形鼓状结构，并在中间形成空腔，以放置单色器及单色器台。

如图2所示，屏蔽装置分上、中、下三部分，为层状结构，依次为上部大鼓、中间旋转部分、下部大鼓。其中上部大鼓和下部大鼓各由三个盘体组成，分别是上部一层3、上部二层4、上部三层5以及下部一层9、下部二层10、下部三层11。各盘体之间形状上采用台阶嵌入形式，以防直缝连接。屏蔽装置的上、下部大鼓固定不动，彼此通过弧形外套及内部支撑套12相连，保证了上部大鼓的重量完全由下部大鼓支撑。整体屏蔽装置的重量由底层的几个钢支座及插入中间体的一段扇形台阶来承担。

如图3～6所示，中间部分为旋转部分，藏于上、下大鼓及内外层支撑之间，它是由一个带有齿圈并设置N+1个防旋电磁铁17的旋转托盘7，一个安装于其上的大楔块6，N个分度小楔块13，以及下部转盘轴承8组成。大楔块6与旋转托盘7用销固定在一起，其上设置出射通道2，N个分度小楔块13依次置于大楔块6的缺口部位，小楔块13间形成入射通道1。小楔块13由防磁钢板焊接而成，其上面凹槽处设置一块小楔块磁铁14。在小楔形块13的上方，即上部三层5的下部设置一个固定电磁铁16，防旋电磁铁17、固定电磁铁16与小楔块磁铁14相配合，通电时可吸住小楔块13。在固定电磁铁16及防旋电磁铁17的配合下，通过固定在下部大鼓外侧的液压马达驱动旋转托盘7，完成中间层的旋转运动，同时实现小楔块13的分度，改变屏蔽装置的起飞角。N值根据需要而设计，本实施例的N值为7，起飞角变化范围为40°到110°。

本实施例每个小楔块13的楔形角为10度，上下面及侧面带有台阶，避免了直缝。其底部安装有1～3个滚珠，与旋转脱盘7上的导槽相配合，承受自重，同时对小楔块13进行圆周导向。由于这些滚珠的采用，大大减小楔块13在分度时的运行阻力。

上、下大鼓的6个独立盘体及大楔块6的钢结构壳体均为焊接件，主要用强度较高、可焊性较好的钢板焊接而成，内部填充重混凝土。与中间旋转部分上下相对的接触面及固定电磁铁16、防旋电磁铁17所处的区域采用可焊性很好的防磁钢板。旋转托盘7的材料采用不锈钢，因其不导磁，不会影响电磁铁工作。

为了改变单色器起飞角屏蔽大鼓中间部分必须转动，大楔形块6、小楔块13要作相应的挪动。屏蔽大鼓中间部分的转动和大楔形块6、小楔形块13的挪动以图7为例，对起飞角从100°改变到90°及从90°改变到100°的过程方法举例说明如下。

原始定义：

小楔块：用A1-A7表示；

射孔位置(代表起飞角的位置)：用1-8表示；

在托盘上的防旋电磁铁：用D1-D8表示；

上部固定电磁铁：用“□”表示。

例如，起飞角100°→90°(射孔位置2改变到位置3)的运动过程为：

1)下部防旋电磁铁D2、D3失电，上部固定电磁铁通电吸住正下方的小楔块A2；

2)托盘逆时针旋转12°，A1与A2之间的射孔弥合，A2与A3出现新的射孔；

3)固定电磁铁失电，D1-D8通电，托盘顺时针旋转22°，A2-A3之间的射孔转到位置3，完成起飞角的改变。

又如，起飞角90°→100°(射孔位置3改变到位置2)的运动过程为：

1)固定电磁铁失电，D1-D8通电，托盘逆时针旋转22°，A2转到固定电磁铁的正下方；

2)下部防旋电磁铁D2、D3失电，上部固定电磁铁通电吸住正下方的小楔块A2；

3)托盘顺时针旋转12°，A2与A3之间的射孔弥合，A1与A2出现新的射孔，且正处于位置2，完成起飞角的改变。

通过分析，按以上方法对起飞角改变，是有规律可循的：

如果当前起飞角(即位置1，2...8)可知，要改变为相临的起飞角(如改变10°)，则分为两种情形：

1)位置值增加，即1→2、2→3...7→8，则

在相应电磁铁的配合下，托盘逆时针旋转12°，然后再顺时针旋转22°，即可完成起飞角的改变。

2)位置值减小，即8→7、7→6...2→1，则

在相应电磁铁的配合下，托盘逆时针旋转22°，然后再顺时针旋转12°，即可完成起飞角的改变。

若位置值改变不是1，即不是10°，可以按以上两种情形计算出需要几步，然后分若干部完成。上述过程完全可以通过PLC来控制，控制上只需输入起飞角位置即可改变起飞角。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，假若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种中子单色器屏蔽装置，为封闭的圆柱形鼓状结构，中间形成空腔，放置单色器及单色器台；圆柱形鼓为层状结构，分上、中、下三部分，依次为上部大鼓、中间旋转部分、下部大鼓，上部大鼓、下部大鼓固定不动并彼此固定相连；中间旋转部分设置中子束入射通道(1)和出射通道(2)，其特征在于：

所述的中间旋转部分是由一个带有齿圈并设置N+1个防旋电磁铁(17)的旋转托盘(7)，安装于其上的一个大楔块(6)，N个分度小楔块(13)，以及下部转盘轴承(8)组成；

大楔块(6)与旋转托盘(7)相互固定在一起，大楔块(6)上设置出射通道(2)，N个分度小楔块(13)依次置于大楔块(6)的缺口部位，小楔块(13)间形成入射通道(1)；

在N个小楔块(13)的上方共设置一个固定电磁铁(16)；

N为大于或等于2的自然数；

小楔块(13)由防磁钢板焊接而成，其上面凹槽处设置一块小楔块磁铁(14)。

2.根据权利要求1所述的中子单色器屏蔽装置，其特征在于：所述的小楔块(13)上下面及侧面带有台阶。

3.根据权利要求1所述的中子单色器屏蔽装置，其特征在于：所述的小楔块(13)底部安装有1～3个滚珠，与旋转托盘(7)上的导槽相配合。

4.根据权利要求1所述的中子单色器屏蔽装置，其特征在于：所述的上部大鼓和下部大鼓各由三个盘体组成，分别是上部一层(3)、上部二层(4)、上部三层(5)以及下部一层(9)、下部二层(10)、下部三层(11)。

5.根据权利要求4所述的中子单色器屏蔽装置，其特征在于：所述的各盘体之间形状上采用台阶嵌入形式。

6.根据权利要求4所述的中子单色器屏蔽装置，其特征在于：所述的固定电磁铁(16)安装在上部三层(5)的下部。

7.根据权利要求4所述的中子单色器屏蔽装置，其特征在于：所述的上部一层(3)、上部二层(4)、上部三层(5)、下部一层(9)、下部二层(10)、下部三层(11)以及大楔块(6)的钢结构壳体均由钢板焊接而成，内部填充重混凝土。

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