高建波 李峻宏 李際周 劉蘊韜 陳東風(fēng)

中國原子能科學(xué)研究院,北京,102413

0 引言

國家正在大力發(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)計完成此裝置對整個中子散射譜儀的發(fā)展具有重大意義。中國先進研究反應(yīng)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(yīng)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(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實現(xiàn)。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(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,散射中子由探測器收集完成實驗測量。當(dāng)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(xiàn)。單色器置于屏蔽大鼓內(nèi)的單色器臺上,單色器臺可以對單色器進行姿態(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。若要實現(xiàn)起飛角的改變,就要使大鼓的中間層能轉(zhuǎn)動,轉(zhuǎn)動精度控制在0.1°范圍內(nèi),以保證出射的單色中子符合預(yù)期波長要求。屏蔽效果要求滿足非限制區(qū)標(biāo)準,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(quán)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(jié)構(gòu),優(yōu)化屏蔽效果。根據(jù)計算,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。部分屏蔽相對薄弱的區(qū)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(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驗確定。配方強度檢驗結(jié)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(shè)計強度等級C35的105%,其中,C35為按照標(biāo)準方法制作養(yǎng)護的邊長為150mm的立方體試件,在28d齡期用標(biāo)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(shè)計強度等級C35的 107%,完全達到國家標(biāo)準GB/T50081—2002。大鼓總質(zhì)量50t以上。對于這樣一個轉(zhuǎn)動精度要求較高、質(zhì)量較大的屏蔽系統(tǒng),設(shè)計和加工一個結(jié)構(gòu)合理、運轉(zhuǎn)可靠的機械裝置至關(guān)重要。

2 國內(nèi)外現(xiàn)狀

德國柏林HMI所E3譜儀[3]的單色器屏蔽系統(tǒng)采用分立的3個出射孔裝置,這樣屏蔽系統(tǒng)比較簡單,但是波長只能取3個不同值,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,采用了旋轉(zhuǎn)大鼓的結(jié)構(gòu),擴大了波長應(yīng)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(shè)計采用了一種凸輪導(dǎo)軌模塊,可環(huán)繞束流開啟孔精確定位楔形屏蔽塊。其缺點是機械結(jié)構(gòu)繁瑣,控制維護不便。

早在1987年前后,中國原子能科學(xué)研究院與中國科學(xué)院物理研究所合作,在中國原子能科學(xué)研究院101重水反應(yīng)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(tǒng),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(xué)研究院又在這一系統(tǒng)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(guān)的技術(shù)和經(jīng)驗。

3 實施方案

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

3.1 機械結(jié)構(gòu)

單色器屏蔽大鼓要實現(xiàn)單色器周圍的屏蔽要求,同時實現(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。整個大鼓的高度為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(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(nèi)加裝一個附加屏蔽鐵套,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)動以實現(xiàn)單色器起飛角的改變。其結(jié)構(gòu)由一個帶有齒圈的旋轉(zhuǎn)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(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)動而轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動,防止小楔形塊在轉(zhuǎn)動時相對托盤發(fā)生旋轉(zhuǎn)偏移。每個小楔形塊具有相同的楔形角,上下面及側(cè)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(dǎo)槽,導(dǎo)槽與在旋轉(zhuǎn)托盤圓周上安裝的一排導(dǎo)向滾動軸承相配合,對小楔形塊進行圓周導(dǎo)向。這些滾動軸承大大減小了小楔形塊在轉(zhuǎn)動時的運行阻力,使得整體運轉(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,同時楔形塊要作相應(yīng)的挪動。兩者通過電磁鐵的定位功能,配合旋轉(zhuǎn)托盤按一定規(guī)律來回旋轉(zhuǎn),達到預(yù)期目標(biāo)位置,其中轉(zhuǎn)動誤差小于0.1°。驅(qū)動馬達位于旋轉(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,并通過詳細計算最終采用變頻減速電機驅(qū)動大鼓轉(zhuǎn)動。該電機內(nèi)置編碼器及制動裝置,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)動所需的要求。具體轉(zhuǎn)動定位規(guī)律較為復(fù)雜,但可以用一定的計算機程序來精確描述。

3.2 轉(zhuǎn)動方案流程

屏蔽大鼓中間部分的轉(zhuǎn)動和楔形塊的挪動是該裝置的重點和難點,我們充分發(fā)揮計算機軟件優(yōu)勢,巧妙地利用電磁鐵定位功能,配合大鼓轉(zhuǎn)動,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)法即可自動完成起飛角的連續(xù)改變。整個過程只需一個驅(qū)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(qū)間分為7個區(qū)間,然后判斷目標(biāo)起飛角和當(dāng)前起飛角是否在一個區(qū)間內(nèi),按此分兩種情況分別處理如下:

(1)如果在一個區(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)如果不在一個區(qū)間內(nèi),需采取三步旋轉(zhuǎn)法來完成起飛角的改變。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(zhuǎn)法中的轉(zhuǎn)動角 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)動電機的信號全部輸入PLC計算機控制系統(tǒng),具體運動過程完全通過PLC來控制。系統(tǒng)所有電信號都通過同一個控制柜輸入輸出,包括電機驅(qū)動,電磁鐵驅(qū)動以及程序控制等,同時控制柜內(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算機終端輸入目標(biāo)起飛角的數(shù)值,系統(tǒng)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(biāo)位置,系統(tǒng)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(qū)動電機帶動旋轉(zhuǎn)托盤按一定規(guī)律轉(zhuǎn)動,到達最終目標(biāo)位置自動停止,同時即時顯示轉(zhuǎn)動狀態(tài)、起飛角位置、電磁鐵狀態(tài)等。必要時可采用手動方式操作,以實現(xiàn)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(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(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動。在小楔形塊下方轉(zhuǎn)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(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(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;上部固定電磁鐵通電吸住正下方的小楔形塊A3、A4在轉(zhuǎn)盤順時針轉(zhuǎn)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(zhuǎn)盤順時針旋轉(zhuǎn)時被大楔形塊推動也會跟隨轉(zhuǎn)盤一起轉(zhuǎn)動;旋轉(zhuǎn)托盤順時針旋轉(zhuǎn)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(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,同時起飛角也恰好到達預(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

與國際上NIST公開的BT8單色器屏蔽系統(tǒng)相比較,本裝置的主要優(yōu)點是機械結(jié)構(gòu)相對簡單,利用計算機軟件優(yōu)勢,大幅度降低了機械硬件成本。整體裝置涉及機械設(shè)計、自動化控制、反應(yīng)堆輻射防護、中子散射等多個領(lǐng)域,學(xué)科跨度廣,設(shè)計實施難度較大。其創(chuàng)新點是在機械設(shè)計中采用了相對簡單的電磁鐵定位技術(shù),結(jié)合PLC自動化控制系統(tǒng),利用相對簡單的算法程序,配合馬達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)托盤,控制完成中間層的旋轉(zhuǎn)運動,同時實現(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,中國原子能科學(xué)研究院CARR反應(yīng)堆現(xiàn)場調(diào)試結(jié)果表明:該裝置運行平穩(wěn)可靠,實現(xiàn)了高精確度的轉(zhuǎn)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(xué)的發(fā)展奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ)。

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

[2]郭立平,李際周.CARR上的應(yīng)力測量中子衍射譜儀概念設(shè)計和模擬研究[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,1993,42(7):1121-1126.