一種起飛角連續可變的中子單色器屏蔽裝置

高建波 李峻宏 李際周 劉蘊韜 陳東風

中國原子能科學研究院,北京,102413

0 引言

國家正在大力發展以反應堆和散裂中子源為基礎的中子散射技術,其間需建造大批高質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是大多數譜儀所必需的關鍵部件之一,自主創新設計完成此裝置對整個中子散射譜儀的發展具有重大意義。中國先進研究反應堆即將建成并運行,堆旁將建造眾多中子散射譜儀,如高分辨粉末衍射儀、中子殘余應力譜儀、三軸譜儀、四圓譜儀、中子照相譜儀等。大部分實驗測量都需要用到單色中子(具有特定能量或波長)作探針,并要求波長連續可變,因此首先需將從反應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堆生物屏蔽外的晶體單色器來實現。為滿足屏蔽要求并有效降低實驗本底,必須在單色器周圍和單色器前的中子路徑周圍設置屏蔽,即單色器屏蔽裝置。筆者研制了一種起飛角連續可變的中子單色器屏蔽裝置,該裝置將首先應用到中子殘余應力譜儀上[1]。

1 物理概念及設計思想

下面以應力譜儀為例[2],給出了中子束單色化過程的平面示意圖(圖1)。當白光中子束由反應堆水平孔道引出后,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過屏蔽大鼓的出射孔道,打到樣品上發生散射,散射中子由探測器收集完成實驗測量。當需要不同波長的中子時,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)來實現。單色器置于屏蔽大鼓內的單色器臺上,單色器臺可以對單色器進行姿態調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構,如圖2所示,中間一層為中子束所處的一層。若要實現起飛角的改變,就要使大鼓的中間層能轉動,轉動精度控制在0.1°范圍內,以保證出射的單色中子符合預期波長要求。屏蔽效果要求滿足非限制區標準,即屏蔽外側的輻射劑量水平,包括中子和γ射線的總劑量當量應小于10μ Sv(單位為 h—1),其中,μ Sv為每小時輻射吸收劑量對人體危害程度,Sv為輻射吸收劑量S與輻射權重因子v的乘積。按此要求用MCNP程序模擬計算給出屏蔽尺寸和材料配比的參考值,主要是針對快中子慢化、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構,優化屏蔽效果。根據計算,旋轉大鼓直徑確定為2400mm,高2100mm,主體外殼材料采用16Mn鋼,中間旋轉托盤采用無磁不銹鋼鑄件,內部澆灌密度為5.2g/cm3的含硼重混凝土,中間層區域澆灌密度為6.2g/cm3的含硼重混凝土。部分屏蔽相對薄弱的區域采取有針對性的特殊措施以加強屏蔽效果,如中子劑量高的區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驗確定。配方強度檢驗結果表明,密度為5.2g/cm3的含硼重混凝土,試塊強度達到混凝土設計強度等級C35的105%,其中,C35為按照標準方法制作養護的邊長為150mm的立方體試件,在28d齡期用標準試驗方法測得的具有95%保證率的抗壓強度為 35MPa;密度為 6.2 g/cm3的含硼重混凝土,試塊強度達到混凝土設計強度等級C35的 107%,完全達到國家標準GB/T50081—2002。大鼓總質量50t以上。對于這樣一個轉動精度要求較高、質量較大的屏蔽系統,設計和加工一個結構合理、運轉可靠的機械裝置至關重要。

2 國內外現狀

德國柏林HMI所E3譜儀[3]的單色器屏蔽系統采用分立的3個出射孔裝置,這樣屏蔽系統比較簡單,但是波長只能取3個不同值,而不能連續改變,譜儀應用范圍受到一定限制。

美國NIST的BT8殘余應力衍射譜儀[4]的單色器屏蔽系統有所改進,采用了旋轉大鼓的結構,擴大了波長應用范圍。其大鼓采用成對的上下方向開啟的屏蔽楔形塊來允許中子束進入大鼓。這種雙楔形屏蔽塊的設計采用了一種凸輪導軌模塊,可環繞束流開啟孔精確定位楔形屏蔽塊。其缺點是機械結構繁瑣,控制維護不便。

早在1987年前后,中國原子能科學研究院與中國科學院物理研究所合作,在中國原子能科學研究院101重水反應堆5號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,但其中子強度較底、可變能量范圍較窄[5]。同時文獻[5]也指出單色器大鼓屏蔽裝置工程上難度大、造價高。1991年前后,中國原子能科學研究院又在這一系統上加建了一臺廣角鈹過濾譜儀[6],積累了一些中子單色器屏蔽相關的技術和經驗。

3 實施方案

針對國際同類產品機械結構繁雜、建造困難、控制維護不便等問題,結合單色器周圍的屏蔽效果和起飛角可變的要求,設計并制作了一套自動化控制的單色器屏蔽大鼓系統。

3.1 機械結構

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

中間旋轉部分與中子束具有相同的高度,可以轉動以實現單色器起飛角的改變。其結構由一個帶有齒圈的旋轉托盤及安裝于其上的若干個分度小楔形塊、防旋電磁鐵及下部轉盤軸承組成(圖3)。在小楔形塊的上方固定層內安裝一固定電磁鐵,通電時可向下吸住小楔形塊,使吸住的小楔形塊不隨轉盤的轉動而轉動。在小楔形塊的下方均勻分布8塊防旋電磁鐵,通電時吸住小楔形塊,使吸住的小楔形塊能夠跟隨轉盤的轉動而轉動,防止小楔形塊在轉動時相對托盤發生旋轉偏移。每個小楔形塊具有相同的楔形角,上下面及側面帶有臺階,避免直縫,減少中子泄漏;底部安裝有幾個滾動軸承,同時中部開有導槽,導槽與在旋轉托盤圓周上安裝的一排導向滾動軸承相配合,對小楔形塊進行圓周導向。這些滾動軸承大大減小了小楔形塊在轉動時的運行阻力,使得整體運轉更加平穩通暢。大楔形塊與旋轉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動,同時楔形塊要作相應的挪動。兩者通過電磁鐵的定位功能,配合旋轉托盤按一定規律來回旋轉,達到預期目標位置,其中轉動誤差小于0.1°。驅動馬達位于旋轉托盤外緣,采用齒輪嚙合的方式,如圖2所示。綜合考慮轉動部分的質量、轉矩、速度控制及轉角定位精度等因素,并通過詳細計算最終采用變頻減速電機驅動大鼓轉動。該電機內置編碼器及制動裝置,減速比為 1232,最大轉矩 1350 N˙m,輸出轉速為0～1.1r/min,完全能保證大鼓轉動所需的要求。具體轉動定位規律較為復雜,但可以用一定的計算機程序來精確描述。

3.2 轉動方案流程

屏蔽大鼓中間部分的轉動和楔形塊的挪動是該裝置的重點和難點,我們充分發揮計算機軟件優勢,巧妙地利用電磁鐵定位功能,配合大鼓轉動,根據起飛角數值區間分別采取一步旋轉法或三步旋轉法即可自動完成起飛角的連續改變。整個過程只需一個驅動電機,大大降低了機械硬件成本。具體方案是首先把起飛角(變化范圍為40°～110°)按 10°一個區間分為7個區間,然后判斷目標起飛角和當前起飛角是否在一個區間內,按此分兩種情況分別處理如下:

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

(2)如果不在一個區間內,需采取三步旋轉法來完成起飛角的改變。先確定目標起飛角和當前起飛角所在區間,再按照起飛角數值是增大還是減小分為兩種情況,并在相應電磁鐵的配合下,通過三步旋轉即可完成起飛角的改變。

當前起飛角和目標起飛角一旦確定,則相應的轉動流程也就唯一確定下來,程序框圖如圖4所示,圖4中,D表示電磁鐵控制信號,三步旋轉法中的轉動角 α1 、α2 、β1和β2根據具體起飛角當前數值和目標數值唯一確定。電磁鐵、轉動電機的信號全部輸入PLC計算機控制系統,具體運動過程完全通過PLC來控制。系統所有電信號都通過同一個控制柜輸入輸出,包括電機驅動,電磁鐵驅動以及程序控制等,同時控制柜內置PLC控制模塊和觸摸屏操作界面。外界只需從觸摸屏或計算機終端輸入目標起飛角的數值,系統即可自動完成起飛角的改變。圖5所示為操作臺觸摸屏控制界面,只需簡單點擊輸入目標位置,系統即可自動按既定程序運行,在小楔形塊上下電磁鐵的配合下,大鼓驅動電機帶動旋轉托盤按一定規律轉動,到達最終目標位置自動停止,同時即時顯示轉動狀態、起飛角位置、電磁鐵狀態等。必要時可采用手動方式操作,以實現某些特殊要求。

下面以圖 6為例,對起飛角從 63°改變到 84°的具體過程作詳細闡述,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正對中子入射孔的扇形空腔(圖6中斜線陰影)張角20°,每個小楔形塊張角10°,兩個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,不會跟隨轉盤轉動。在小楔形塊下方轉動托盤上每隔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托盤上,隨托盤旋轉而旋轉。

起飛角從63°到84°具體轉動流程可分為三個步驟:

(1)固定電磁鐵斷電,防旋電磁鐵D1～D8通電,托盤逆時針旋轉 17°,起飛角轉至80°,小楔形塊A3轉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,使其能跟隨轉盤一起轉動;上部固定電磁鐵通電吸住正下方的小楔形塊A3、A4在轉盤順時針轉動時被A3擋住,與A3一起保持固定不動;A5和A6雖然沒被吸住,但在轉盤順時針旋轉時被大楔形塊推動也會跟隨轉盤一起轉動;旋轉托盤順時針旋轉20°,A4和A5之間的扇形空腔逐漸彌合,同時A2與A3之間逐漸出現新的扇形空腔,最后位置如圖6c所示,起飛角轉至60°。

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

4 結束語

與國際上NIST公開的BT8單色器屏蔽系統相比較,本裝置的主要優點是機械結構相對簡單,利用計算機軟件優勢,大幅度降低了機械硬件成本。整體裝置涉及機械設計、自動化控制、反應堆輻射防護、中子散射等多個領域,學科跨度廣,設計實施難度較大。其創新點是在機械設計中采用了相對簡單的電磁鐵定位技術,結合PLC自動化控制系統,利用相對簡單的算法程序,配合馬達驅動旋轉托盤,控制完成中間層的旋轉運動,同時實現復雜的楔形塊的各種分度,滿足譜儀高精度(小于0.1°)連續改變起飛角的要求和輻射防護的要求。

目前該裝置已經完成加工制造和初步調試,中國原子能科學研究院CARR反應堆現場調試結果表明:該裝置運行平穩可靠,實現了高精確度的轉角定位和快速啟制動,充分滿足了整套譜儀的需求,這為中子散射譜儀科學的發展奠定了一定的技術基礎。

[1]李際周,郭立平.中國先進研究堆中子散射譜儀概念設計報告:應力測量中子衍射譜儀CARR—NS—009[R].北京:中國原子能科學研究院,2003.

[2]郭立平,李際周.CARR上的應力測量中子衍射譜儀概念設計和模擬研究[J].核技術,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,張泰永,等.中子三軸譜儀[J].原子能科學技術,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].物理學報,1993,42(7):1121-1126.