一种起飞角连续可变的中子单色器屏蔽装置

高建波 李峻宏 李际周 刘蕴韬 陈东风

中国原子能科学研究院,北京,102413

0 引言

国家正在大力发展以反应堆和散裂中子源为基础的中子散射技术,其间需建造大批高质量高水平的中子散射谱仪,而起飞角可变的中子单色器屏蔽系统是大多数谱仪所必需的关键部件之一,自主创新设计完成此装置对整个中子散射谱仪的发展具有重大意义。中国先进研究反应堆即将建成并运行,堆旁将建造众多中子散射谱仪,如高分辨粉末衍射仪、中子残余应力谱仪、三轴谱仪、四圆谱仪、中子照相谱仪等。大部分实验测量都需要用到单色中子(具有特定能量或波长)作探针,并要求波长连续可变,因此首先需将从反应堆水平孔道引出的白光中子束单色化,单色化过程由置于反应堆生物屏蔽外的晶体单色器来实现。为满足屏蔽要求并有效降低实验本底,必须在单色器周围和单色器前的中子路径周围设置屏蔽,即单色器屏蔽装置。笔者研制了一种起飞角连续可变的中子单色器屏蔽装置,该装置将首先应用到中子残余应力谱仪上[1]。

1 物理概念及设计思想

下面以应力谱仪为例[2],给出了中子束单色化过程的平面示意图(图1)。当白光中子束由反应堆水平孔道引出后,依次穿过连接件中的通道、单色器屏蔽大鼓的入射孔道打在单色器晶体上,满足布拉格衍射条件的单色中子经过屏蔽大鼓的出射孔道,打到样品上发生散射,散射中子由探测器收集完成实验测量。当需要不同波长的中子时,可以通过改变单色器的起飞角2θM(入射束与出射束之间的夹角)来实现。单色器置于屏蔽大鼓内的单色器台上,单色器台可以对单色器进行姿态调整以保证得到需要的单色中子。

单色器屏蔽大鼓为分层鼓状结构,如图2所示,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,转动精度控制在0.1°范围内,以保证出射的单色中子符合预期波长要求。屏蔽效果要求满足非限制区标准,即屏蔽外侧的辐射剂量水平,包括中子和γ射线的总剂量当量应小于10μ Sv(单位为 h—1),其中,μ Sv为每小时辐射吸收剂量对人体危害程度,Sv为辐射吸收剂量S与辐射权重因子v的乘积。按此要求用MCNP程序模拟计算给出屏蔽尺寸和材料配比的参考值,主要是针对快中子慢化、热中子吸收以及γ射线吸收等方面选取特定屏蔽材料以及材料配比和结构,优化屏蔽效果。根据计算,旋转大鼓直径确定为2400mm,高2100mm,主体外壳材料采用16Mn钢,中间旋转托盘采用无磁不锈钢铸件,内部浇灌密度为5.2g/cm3的含硼重混凝土,中间层区域浇灌密度为6.2g/cm3的含硼重混凝土。部分屏蔽相对薄弱的区域采取有针对性的特殊措施以加强屏蔽效果,如中子剂量高的区域加镉片以吸收热中子,直接束方向另置一附加屏蔽体等。混凝土各种骨料和添加剂的选取和配比由实验确定。配方强度检验结果表明,密度为5.2g/cm3的含硼重混凝土,试块强度达到混凝土设计强度等级C35的105%,其中,C35为按照标准方法制作养护的边长为150mm的立方体试件,在28d龄期用标准试验方法测得的具有95%保证率的抗压强度为 35MPa;密度为 6.2 g/cm3的含硼重混凝土,试块强度达到混凝土设计强度等级C35的 107%,完全达到国家标准GB/T50081—2002。大鼓总质量50t以上。对于这样一个转动精度要求较高、质量较大的屏蔽系统,设计和加工一个结构合理、运转可靠的机械装置至关重要。

2 国内外现状

德国柏林HMI所E3谱仪[3]的单色器屏蔽系统采用分立的3个出射孔装置,这样屏蔽系统比较简单,但是波长只能取3个不同值,而不能连续改变,谱仪应用范围受到一定限制。

美国NIST的BT8残余应力衍射谱仪[4]的单色器屏蔽系统有所改进,采用了旋转大鼓的结构,扩大了波长应用范围。其大鼓采用成对的上下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。其缺点是机械结构繁琐,控制维护不便。

早在1987年前后,中国原子能科学研究院与中国科学院物理研究所合作,在中国原子能科学研究院101重水反应堆5号水平孔道旁安装的中子三轴谱仪就采用了起飞角可变的中子单色器小鼓屏蔽系统,但其中子强度较底、可变能量范围较窄[5]。同时文献[5]也指出单色器大鼓屏蔽装置工程上难度大、造价高。1991年前后,中国原子能科学研究院又在这一系统上加建了一台广角铍过滤谱仪[6],积累了一些中子单色器屏蔽相关的技术和经验。

3 实施方案

针对国际同类产品机械结构繁杂、建造困难、控制维护不便等问题,结合单色器周围的屏蔽效果和起飞角可变的要求,设计并制作了一套自动化控制的单色器屏蔽大鼓系统。

3.1 机械结构

单色器屏蔽大鼓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。除去中子束入射孔道和出射孔道外,大鼓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。整个大鼓的高度为2100mm,外直径为2400mm,大鼓中内腔直径为600mm,内腔高度700mm,其结构分上中下三部分,为层状结构,立体示意图见图2。屏蔽大鼓的上下部分固定不动并彼此通过弧形外套及内部支撑套相连,保证了大鼓上部固定部分的重力完全由下部大鼓支撑。整个大鼓底层用工字钢作大鼓的支撑,满足强度要求和地面承载要求。上下部分各分成三层,每层的质量不超过10t(反应堆大厅中吊车的最大承载)。层与层之间采用台阶嵌入的形式来接合,防止中子直缝泄漏。各盘体之间在大鼓外正对中子束的方向范围内加装一个附加屏蔽铁套,固定在不旋转的上下两层上,内装铅和含硼聚乙烯屏蔽体,以增加对直束的屏蔽。入射和出射孔道都处在中间层,其中心高度位于中子束中心高度处。

中间旋转部分与中子束具有相同的高度,可以转动以实现单色器起飞角的改变。其结构由一个带有齿圈的旋转托盘及安装于其上的若干个分度小楔形块、防旋电磁铁及下部转盘轴承组成(图3)。在小楔形块的上方固定层内安装一固定电磁铁,通电时可向下吸住小楔形块,使吸住的小楔形块不随转盘的转动而转动。在小楔形块的下方均匀分布8块防旋电磁铁,通电时吸住小楔形块,使吸住的小楔形块能够跟随转盘的转动而转动,防止小楔形块在转动时相对托盘发生旋转偏移。每个小楔形块具有相同的楔形角,上下面及侧面带有台阶,避免直缝,减少中子泄漏;底部安装有几个滚动轴承,同时中部开有导槽,导槽与在旋转托盘圆周上安装的一排导向滚动轴承相配合,对小楔形块进行圆周导向。这些滚动轴承大大减小了小楔形块在转动时的运行阻力,使得整体运转更加平稳通畅。大楔形块与旋转托盘用销固定在一起,其上带有出射孔。

为了改变单色器起飞角(变化范围为40°～110°),屏蔽大鼓中间部分必须转动,同时楔形块要作相应的挪动。两者通过电磁铁的定位功能,配合旋转托盘按一定规律来回旋转,达到预期目标位置,其中转动误差小于0.1°。驱动马达位于旋转托盘外缘,采用齿轮啮合的方式,如图2所示。综合考虑转动部分的质量、转矩、速度控制及转角定位精度等因素,并通过详细计算最终采用变频减速电机驱动大鼓转动。该电机内置编码器及制动装置,减速比为 1232,最大转矩 1350 N˙m,输出转速为0～1.1r/min,完全能保证大鼓转动所需的要求。具体转动定位规律较为复杂,但可以用一定的计算机程序来精确描述。

3.2 转动方案流程

屏蔽大鼓中间部分的转动和楔形块的挪动是该装置的重点和难点,我们充分发挥计算机软件优势,巧妙地利用电磁铁定位功能,配合大鼓转动,根据起飞角数值区间分别采取一步旋转法或三步旋转法即可自动完成起飞角的连续改变。整个过程只需一个驱动电机,大大降低了机械硬件成本。具体方案是首先把起飞角(变化范围为40°～110°)按 10°一个区间分为7个区间,然后判断目标起飞角和当前起飞角是否在一个区间内,按此分两种情况分别处理如下:

(1)如果在一个区间内,采取一步旋转法即可完成。如从 63°改变到 65°,两者都在 60°～ 70°区间内,将上部固定电磁铁断电,下部防旋电磁铁通电,托盘逆时针旋转2°即可完成起飞角从63°到65°的改变。

(2)如果不在一个区间内,需采取三步旋转法来完成起飞角的改变。先确定目标起飞角和当前起飞角所在区间,再按照起飞角数值是增大还是减小分为两种情况,并在相应电磁铁的配合下,通过三步旋转即可完成起飞角的改变。

当前起飞角和目标起飞角一旦确定,则相应的转动流程也就唯一确定下来,程序框图如图4所示,图4中,D表示电磁铁控制信号,三步旋转法中的转动角 α1 、α2 、β1和β2根据具体起飞角当前数值和目标数值唯一确定。电磁铁、转动电机的信号全部输入PLC计算机控制系统,具体运动过程完全通过PLC来控制。系统所有电信号都通过同一个控制柜输入输出,包括电机驱动,电磁铁驱动以及程序控制等,同时控制柜内置PLC控制模块和触摸屏操作界面。外界只需从触摸屏或计算机终端输入目标起飞角的数值,系统即可自动完成起飞角的改变。图5所示为操作台触摸屏控制界面,只需简单点击输入目标位置,系统即可自动按既定程序运行,在小楔形块上下电磁铁的配合下,大鼓驱动电机带动旋转托盘按一定规律转动,到达最终目标位置自动停止,同时即时显示转动状态、起飞角位置、电磁铁状态等。必要时可采用手动方式操作,以实现某些特殊要求。

下面以图 6为例,对起飞角从 63°改变到 84°的具体过程作详细阐述,原始定义及说明如下:①小楔形块用A1～A6表示;②固定在旋转托盘上的防旋电磁铁用D1～D8表示;③上部固定电磁铁用□表示;④初始位置 63°,如图 6a所示,入射孔道空腔在小楔形块A4和A5之间,固定电磁铁在防旋电磁铁D5上方;⑤目标位置84°,如图6d所示,入射孔道空腔在小楔形块A2和A3之间,固定电磁铁在防旋电磁铁D3上方;⑥正对中子入射孔的扇形空腔(图6中斜线阴影)张角20°,每个小楔形块张角10°,两个小楔形块正好可以填满入射孔道空腔。固定电磁铁固定在上一层大鼓上,不会跟随转盘转动。在小楔形块下方转动托盘上每隔10°有一块防旋电磁铁,共8块。出射孔道固定在大楔形块上,大楔形块固定在旋转托盘上,随托盘旋转而旋转。

起飞角从63°到84°具体转动流程可分为三个步骤:

(1)固定电磁铁断电,防旋电磁铁D1～D8通电,托盘逆时针旋转 17°,起飞角转至80°,小楔形块A3转到固定电磁铁的正下方,如图6b所示。

(2)下部防旋电磁铁D3～D8断电;D1、D2通电吸住A1、A2,使其能跟随转盘一起转动;上部固定电磁铁通电吸住正下方的小楔形块A3、A4在转盘顺时针转动时被A3挡住,与A3一起保持固定不动;A5和A6虽然没被吸住,但在转盘顺时针旋转时被大楔形块推动也会跟随转盘一起转动;旋转托盘顺时针旋转20°,A4和A5之间的扇形空腔逐渐弥合,同时A2与A3之间逐渐出现新的扇形空腔,最后位置如图6c所示,起飞角转至60°。

(3)固定电磁铁断电,防旋电磁铁D1～D8通电,托盘逆时针旋转24°,A2与 A3之间的扇形空腔转到入射孔方向,同时起飞角也恰好到达预定的84°位置,如图6d所示,完成了起飞角的改变。

4 结束语

与国际上NIST公开的BT8单色器屏蔽系统相比较,本装置的主要优点是机械结构相对简单,利用计算机软件优势,大幅度降低了机械硬件成本。整体装置涉及机械设计、自动化控制、反应堆辐射防护、中子散射等多个领域,学科跨度广,设计实施难度较大。其创新点是在机械设计中采用了相对简单的电磁铁定位技术,结合PLC自动化控制系统,利用相对简单的算法程序,配合马达驱动旋转托盘,控制完成中间层的旋转运动,同时实现复杂的楔形块的各种分度,满足谱仪高精度(小于0.1°)连续改变起飞角的要求和辐射防护的要求。

目前该装置已经完成加工制造和初步调试,中国原子能科学研究院CARR反应堆现场调试结果表明:该装置运行平稳可靠,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,这为中子散射谱仪科学的发展奠定了一定的技术基础。

[1]李际周,郭立平.中国先进研究堆中子散射谱仪概念设计报告:应力测量中子衍射谱仪CARR—NS—009[R].北京:中国原子能科学研究院,2003.

[2]郭立平,李际周.CARR上的应力测量中子衍射谱仪概念设计和模拟研究[J].核技术,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,张泰永,等.中子三轴谱仪[J].原子能科学技术,1988,22(2):151-155.

[6]阮景辉,牛世文,成之绪,等.YBa2Cu3O6—δ的高频模及其随氧含量δ的变化[J].物理学报,1993,42(7):1121-1126.