一種起飛角連續(xù)可變的中子單色器屏蔽裝置

高建波 李峻宏 李際周 劉蘊(yùn)韜 陳東風(fēng)

中國(guó)原子能科學(xué)研究院,北京,102413

0 引言

國(guó)家正在大力發(fā)展以反應(yīng)堆和散裂中子源為基礎(chǔ)的中子散射技術(shù),其間需建造大批高質(zhì)量高水平的中子散射譜儀,而起飛角可變的中子單色器屏蔽系統(tǒng)是大多數(shù)譜儀所必需的關(guān)鍵部件之一,自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)完成此裝置對(duì)整個(gè)中子散射譜儀的發(fā)展具有重大意義。中國(guó)先進(jìn)研究反應(yīng)堆即將建成并運(yùn)行,堆旁將建造眾多中子散射譜儀,如高分辨粉末衍射儀、中子殘余應(yīng)力譜儀、三軸譜儀、四圓譜儀、中子照相譜儀等。大部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量都需要用到單色中子(具有特定能量或波長(zhǎng))作探針,并要求波長(zhǎng)連續(xù)可變,因此首先需將從反應(yīng)堆水平孔道引出的白光中子束單色化,單色化過程由置于反應(yīng)堆生物屏蔽外的晶體單色器來(lái)實(shí)現(xiàn)。為滿足屏蔽要求并有效降低實(shí)驗(yàn)本底,必須在單色器周圍和單色器前的中子路徑周圍設(shè)置屏蔽,即單色器屏蔽裝置。筆者研制了一種起飛角連續(xù)可變的中子單色器屏蔽裝置,該裝置將首先應(yīng)用到中子殘余應(yīng)力譜儀上[1]。

1 物理概念及設(shè)計(jì)思想

下面以應(yīng)力譜儀為例[2],給出了中子束單色化過程的平面示意圖(圖1)。當(dāng)白光中子束由反應(yīng)堆水平孔道引出后,依次穿過連接件中的通道、單色器屏蔽大鼓的入射孔道打在單色器晶體上,滿足布拉格衍射條件的單色中子經(jīng)過屏蔽大鼓的出射孔道,打到樣品上發(fā)生散射,散射中子由探測(cè)器收集完成實(shí)驗(yàn)測(cè)量。當(dāng)需要不同波長(zhǎng)的中子時(shí),可以通過改變單色器的起飛角2θM(入射束與出射束之間的夾角)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單色器置于屏蔽大鼓內(nèi)的單色器臺(tái)上,單色器臺(tái)可以對(duì)單色器進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整以保證得到需要的單色中子。

單色器屏蔽大鼓為分層鼓狀結(jié)構(gòu),如圖2所示,中間一層為中子束所處的一層。若要實(shí)現(xiàn)起飛角的改變,就要使大鼓的中間層能轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)精度控制在0.1°范圍內(nèi),以保證出射的單色中子符合預(yù)期波長(zhǎng)要求。屏蔽效果要求滿足非限制區(qū)標(biāo)準(zhǔn),即屏蔽外側(cè)的輻射劑量水平,包括中子和γ射線的總劑量當(dāng)量應(yīng)小于10μ Sv(單位為 h—1),其中,μ Sv為每小時(shí)輻射吸收劑量對(duì)人體危害程度,Sv為輻射吸收劑量S與輻射權(quán)重因子v的乘積。按此要求用MCNP程序模擬計(jì)算給出屏蔽尺寸和材料配比的參考值,主要是針對(duì)快中子慢化、熱中子吸收以及γ射線吸收等方面選取特定屏蔽材料以及材料配比和結(jié)構(gòu),優(yōu)化屏蔽效果。根據(jù)計(jì)算,旋轉(zhuǎn)大鼓直徑確定為2400mm,高2100mm,主體外殼材料采用16Mn鋼,中間旋轉(zhuǎn)托盤采用無(wú)磁不銹鋼鑄件,內(nèi)部澆灌密度為5.2g/cm3的含硼重混凝土,中間層區(qū)域澆灌密度為6.2g/cm3的含硼重混凝土。部分屏蔽相對(duì)薄弱的區(qū)域采取有針對(duì)性的特殊措施以加強(qiáng)屏蔽效果,如中子劑量高的區(qū)域加鎘片以吸收熱中子,直接束方向另置一附加屏蔽體等?；炷粮鞣N骨料和添加劑的選取和配比由實(shí)驗(yàn)確定。配方強(qiáng)度檢驗(yàn)結(jié)果表明,密度為5.2g/cm3的含硼重混凝土,試塊強(qiáng)度達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35的105%,其中,C35為按照標(biāo)準(zhǔn)方法制作養(yǎng)護(hù)的邊長(zhǎng)為150mm的立方體試件,在28d齡期用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法測(cè)得的具有95%保證率的抗壓強(qiáng)度為 35MPa;密度為 6.2 g/cm3的含硼重混凝土,試塊強(qiáng)度達(dá)到混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)C35的 107%,完全達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T50081—2002。大鼓總質(zhì)量50t以上。對(duì)于這樣一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)精度要求較高、質(zhì)量較大的屏蔽系統(tǒng),設(shè)計(jì)和加工一個(gè)結(jié)構(gòu)合理、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的機(jī)械裝置至關(guān)重要。

2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

德國(guó)柏林HMI所E3譜儀[3]的單色器屏蔽系統(tǒng)采用分立的3個(gè)出射孔裝置,這樣屏蔽系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單,但是波長(zhǎng)只能取3個(gè)不同值,而不能連續(xù)改變,譜儀應(yīng)用范圍受到一定限制。

美國(guó)NIST的BT8殘余應(yīng)力衍射譜儀[4]的單色器屏蔽系統(tǒng)有所改進(jìn),采用了旋轉(zhuǎn)大鼓的結(jié)構(gòu),擴(kuò)大了波長(zhǎng)應(yīng)用范圍。其大鼓采用成對(duì)的上下方向開啟的屏蔽楔形塊來(lái)允許中子束進(jìn)入大鼓。這種雙楔形屏蔽塊的設(shè)計(jì)采用了一種凸輪導(dǎo)軌模塊,可環(huán)繞束流開啟孔精確定位楔形屏蔽塊。其缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)繁瑣,控制維護(hù)不便。

早在1987年前后,中國(guó)原子能科學(xué)研究院與中國(guó)科學(xué)院物理研究所合作,在中國(guó)原子能科學(xué)研究院101重水反應(yīng)堆5號(hào)水平孔道旁安裝的中子三軸譜儀就采用了起飛角可變的中子單色器小鼓屏蔽系統(tǒng),但其中子強(qiáng)度較底、可變能量范圍較窄[5]。同時(shí)文獻(xiàn)[5]也指出單色器大鼓屏蔽裝置工程上難度大、造價(jià)高。1991年前后,中國(guó)原子能科學(xué)研究院又在這一系統(tǒng)上加建了一臺(tái)廣角鈹過濾譜儀[6],積累了一些中子單色器屏蔽相關(guān)的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

3 實(shí)施方案

針對(duì)國(guó)際同類產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)繁雜、建造困難、控制維護(hù)不便等問題,結(jié)合單色器周圍的屏蔽效果和起飛角可變的要求,設(shè)計(jì)并制作了一套自動(dòng)化控制的單色器屏蔽大鼓系統(tǒng)。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

單色器屏蔽大鼓要實(shí)現(xiàn)單色器周圍的屏蔽要求,同時(shí)實(shí)現(xiàn)單色器起飛角的改變。除去中子束入射孔道和出射孔道外,大鼓是個(gè)封閉的圓柱形鼓狀結(jié)構(gòu),并在中間形成空腔,以放置單色器及單色器臺(tái)。整個(gè)大鼓的高度為2100mm,外直徑為2400mm,大鼓中內(nèi)腔直徑為600mm,內(nèi)腔高度700mm,其結(jié)構(gòu)分上中下三部分,為層狀結(jié)構(gòu),立體示意圖見圖2。屏蔽大鼓的上下部分固定不動(dòng)并彼此通過弧形外套及內(nèi)部支撐套相連,保證了大鼓上部固定部分的重力完全由下部大鼓支撐。整個(gè)大鼓底層用工字鋼作大鼓的支撐,滿足強(qiáng)度要求和地面承載要求。上下部分各分成三層,每層的質(zhì)量不超過10t(反應(yīng)堆大廳中吊車的最大承載)。層與層之間采用臺(tái)階嵌入的形式來(lái)接合,防止中子直縫泄漏。各盤體之間在大鼓外正對(duì)中子束的方向范圍內(nèi)加裝一個(gè)附加屏蔽鐵套,固定在不旋轉(zhuǎn)的上下兩層上,內(nèi)裝鉛和含硼聚乙烯屏蔽體,以增加對(duì)直束的屏蔽。入射和出射孔道都處在中間層,其中心高度位于中子束中心高度處。

中間旋轉(zhuǎn)部分與中子束具有相同的高度,可以轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)單色器起飛角的改變。其結(jié)構(gòu)由一個(gè)帶有齒圈的旋轉(zhuǎn)托盤及安裝于其上的若干個(gè)分度小楔形塊、防旋電磁鐵及下部轉(zhuǎn)盤軸承組成(圖3)。在小楔形塊的上方固定層內(nèi)安裝一固定電磁鐵,通電時(shí)可向下吸住小楔形塊,使吸住的小楔形塊不隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。在小楔形塊的下方均勻分布8塊防旋電磁鐵,通電時(shí)吸住小楔形塊,使吸住的小楔形塊能夠跟隨轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng),防止小楔形塊在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相對(duì)托盤發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。每個(gè)小楔形塊具有相同的楔形角,上下面及側(cè)面帶有臺(tái)階,避免直縫,減少中子泄漏;底部安裝有幾個(gè)滾動(dòng)軸承,同時(shí)中部開有導(dǎo)槽,導(dǎo)槽與在旋轉(zhuǎn)托盤圓周上安裝的一排導(dǎo)向滾動(dòng)軸承相配合,對(duì)小楔形塊進(jìn)行圓周導(dǎo)向。這些滾動(dòng)軸承大大減小了小楔形塊在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的運(yùn)行阻力,使得整體運(yùn)轉(zhuǎn)更加平穩(wěn)通暢。大楔形塊與旋轉(zhuǎn)托盤用銷固定在一起,其上帶有出射孔。

為了改變單色器起飛角(變化范圍為40°～110°),屏蔽大鼓中間部分必須轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)楔形塊要作相應(yīng)的挪動(dòng)。兩者通過電磁鐵的定位功能,配合旋轉(zhuǎn)托盤按一定規(guī)律來(lái)回旋轉(zhuǎn),達(dá)到預(yù)期目標(biāo)位置,其中轉(zhuǎn)動(dòng)誤差小于0.1°。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)位于旋轉(zhuǎn)托盤外緣,采用齒輪嚙合的方式,如圖2所示。綜合考慮轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量、轉(zhuǎn)矩、速度控制及轉(zhuǎn)角定位精度等因素,并通過詳細(xì)計(jì)算最終采用變頻減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)大鼓轉(zhuǎn)動(dòng)。該電機(jī)內(nèi)置編碼器及制動(dòng)裝置,減速比為 1232,最大轉(zhuǎn)矩 1350 N˙m,輸出轉(zhuǎn)速為0～1.1r/min,完全能保證大鼓轉(zhuǎn)動(dòng)所需的要求。具體轉(zhuǎn)動(dòng)定位規(guī)律較為復(fù)雜,但可以用一定的計(jì)算機(jī)程序來(lái)精確描述。

3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)方案流程

屏蔽大鼓中間部分的轉(zhuǎn)動(dòng)和楔形塊的挪動(dòng)是該裝置的重點(diǎn)和難點(diǎn),我們充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)軟件優(yōu)勢(shì),巧妙地利用電磁鐵定位功能,配合大鼓轉(zhuǎn)動(dòng),根據(jù)起飛角數(shù)值區(qū)間分別采取一步旋轉(zhuǎn)法或三步旋轉(zhuǎn)法即可自動(dòng)完成起飛角的連續(xù)改變。整個(gè)過程只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī),大大降低了機(jī)械硬件成本。具體方案是首先把起飛角(變化范圍為40°～110°)按 10°一個(gè)區(qū)間分為7個(gè)區(qū)間,然后判斷目標(biāo)起飛角和當(dāng)前起飛角是否在一個(gè)區(qū)間內(nèi),按此分兩種情況分別處理如下:

(1)如果在一個(gè)區(qū)間內(nèi),采取一步旋轉(zhuǎn)法即可完成。如從 63°改變到 65°,兩者都在 60°～ 70°區(qū)間內(nèi),將上部固定電磁鐵斷電,下部防旋電磁鐵通電,托盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)2°即可完成起飛角從63°到65°的改變。

(2)如果不在一個(gè)區(qū)間內(nèi),需采取三步旋轉(zhuǎn)法來(lái)完成起飛角的改變。先確定目標(biāo)起飛角和當(dāng)前起飛角所在區(qū)間,再按照起飛角數(shù)值是增大還是減小分為兩種情況,并在相應(yīng)電磁鐵的配合下,通過三步旋轉(zhuǎn)即可完成起飛角的改變。

當(dāng)前起飛角和目標(biāo)起飛角一旦確定,則相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)流程也就唯一確定下來(lái),程序框圖如圖4所示,圖4中,D表示電磁鐵控制信號(hào),三步旋轉(zhuǎn)法中的轉(zhuǎn)動(dòng)角 α1 、α2 、β1和β2根據(jù)具體起飛角當(dāng)前數(shù)值和目標(biāo)數(shù)值唯一確定。電磁鐵、轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的信號(hào)全部輸入PLC計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),具體運(yùn)動(dòng)過程完全通過PLC來(lái)控制。系統(tǒng)所有電信號(hào)都通過同一個(gè)控制柜輸入輸出,包括電機(jī)驅(qū)動(dòng),電磁鐵驅(qū)動(dòng)以及程序控制等,同時(shí)控制柜內(nèi)置PLC控制模塊和觸摸屏操作界面。外界只需從觸摸屏或計(jì)算機(jī)終端輸入目標(biāo)起飛角的數(shù)值,系統(tǒng)即可自動(dòng)完成起飛角的改變。圖5所示為操作臺(tái)觸摸屏控制界面,只需簡(jiǎn)單點(diǎn)擊輸入目標(biāo)位置,系統(tǒng)即可自動(dòng)按既定程序運(yùn)行,在小楔形塊上下電磁鐵的配合下,大鼓驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)托盤按一定規(guī)律轉(zhuǎn)動(dòng),到達(dá)最終目標(biāo)位置自動(dòng)停止,同時(shí)即時(shí)顯示轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)、起飛角位置、電磁鐵狀態(tài)等。必要時(shí)可采用手動(dòng)方式操作,以實(shí)現(xiàn)某些特殊要求。

下面以圖 6為例,對(duì)起飛角從 63°改變到 84°的具體過程作詳細(xì)闡述,原始定義及說明如下:①小楔形塊用A1～A6表示;②固定在旋轉(zhuǎn)托盤上的防旋電磁鐵用D1～D8表示;③上部固定電磁鐵用□表示;④初始位置 63°,如圖 6a所示,入射孔道空腔在小楔形塊A4和A5之間,固定電磁鐵在防旋電磁鐵D5上方;⑤目標(biāo)位置84°,如圖6d所示,入射孔道空腔在小楔形塊A2和A3之間,固定電磁鐵在防旋電磁鐵D3上方;⑥正對(duì)中子入射孔的扇形空腔(圖6中斜線陰影)張角20°,每個(gè)小楔形塊張角10°,兩個(gè)小楔形塊正好可以填滿入射孔道空腔。固定電磁鐵固定在上一層大鼓上,不會(huì)跟隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。在小楔形塊下方轉(zhuǎn)動(dòng)托盤上每隔10°有一塊防旋電磁鐵,共8塊。出射孔道固定在大楔形塊上,大楔形塊固定在旋轉(zhuǎn)托盤上,隨托盤旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。

起飛角從63°到84°具體轉(zhuǎn)動(dòng)流程可分為三個(gè)步驟:

(1)固定電磁鐵斷電,防旋電磁鐵D1～D8通電,托盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 17°,起飛角轉(zhuǎn)至80°,小楔形塊A3轉(zhuǎn)到固定電磁鐵的正下方,如圖6b所示。

(2)下部防旋電磁鐵D3～D8斷電;D1、D2通電吸住A1、A2,使其能跟隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng);上部固定電磁鐵通電吸住正下方的小楔形塊A3、A4在轉(zhuǎn)盤順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)被A3擋住,與A3一起保持固定不動(dòng);A5和A6雖然沒被吸住,但在轉(zhuǎn)盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)被大楔形塊推動(dòng)也會(huì)跟隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動(dòng);旋轉(zhuǎn)托盤順時(shí)針旋轉(zhuǎn)20°,A4和A5之間的扇形空腔逐漸彌合,同時(shí)A2與A3之間逐漸出現(xiàn)新的扇形空腔,最后位置如圖6c所示,起飛角轉(zhuǎn)至60°。

(3)固定電磁鐵斷電,防旋電磁鐵D1～D8通電,托盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)24°,A2與 A3之間的扇形空腔轉(zhuǎn)到入射孔方向,同時(shí)起飛角也恰好到達(dá)預(yù)定的84°位置,如圖6d所示,完成了起飛角的改變。

4 結(jié)束語(yǔ)

與國(guó)際上NIST公開的BT8單色器屏蔽系統(tǒng)相比較,本裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,利用計(jì)算機(jī)軟件優(yōu)勢(shì),大幅度降低了機(jī)械硬件成本。整體裝置涉及機(jī)械設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、反應(yīng)堆輻射防護(hù)、中子散射等多個(gè)領(lǐng)域,學(xué)科跨度廣,設(shè)計(jì)實(shí)施難度較大。其創(chuàng)新點(diǎn)是在機(jī)械設(shè)計(jì)中采用了相對(duì)簡(jiǎn)單的電磁鐵定位技術(shù),結(jié)合PLC自動(dòng)化控制系統(tǒng),利用相對(duì)簡(jiǎn)單的算法程序,配合馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)托盤,控制完成中間層的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的楔形塊的各種分度,滿足譜儀高精度(小于0.1°)連續(xù)改變起飛角的要求和輻射防護(hù)的要求。

目前該裝置已經(jīng)完成加工制造和初步調(diào)試,中國(guó)原子能科學(xué)研究院CARR反應(yīng)堆現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試結(jié)果表明:該裝置運(yùn)行平穩(wěn)可靠,實(shí)現(xiàn)了高精確度的轉(zhuǎn)角定位和快速啟制動(dòng),充分滿足了整套譜儀的需求,這為中子散射譜儀科學(xué)的發(fā)展奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

[1]李際周,郭立平.中國(guó)先進(jìn)研究堆中子散射譜儀概念設(shè)計(jì)報(bào)告:應(yīng)力測(cè)量中子衍射譜儀CARR—NS—009[R].北京:中國(guó)原子能科學(xué)研究院,2003.

[2]郭立平,李際周.CARR上的應(yīng)力測(cè)量中子衍射譜儀概念設(shè)計(jì)和模擬研究[J].核技術(shù),2005,28(3):231-235.

[3]E3 Dedicated Residual Stress Diffractometer[EB/OL].Berlin:Helmholtz Zentrum Berlin(2009-02-26)[2009-11-11].http://www.helmholtz—berlin.de/userservice/neutrons/instrumentation/neutron—instruments/e3/index_en.html.

[4]The BT8 Residual Stress Diffractometer[EB/OL].Gaithersburg,MD:NIST Center for Neutron Research(2003-04-03)[2009-11-11].http://www.ncnr.nist.gov/instruments/darts/index.html.

[5]勾成,牛世文,張?zhí)┯?等.中子三軸譜儀[J].原子能科學(xué)技術(shù),1988,22(2):151-155.

[6]阮景輝,牛世文,成之緒,等.YBa2Cu3O6—δ的高頻模及其隨氧含量δ的變化[J].物理學(xué)報(bào),1993,42(7):1121-1126.