中国散裂中子源反角白光中子源准直器的设计与测试

于永积，敬罕涛，宁常军，何泳成，王鹏程，唐靖宇，康 玲，阮锡超，任 杰

(1.东莞中子科学中心，广东 东莞 523803；2.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；3.中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413)

中国散裂中子源(CSNS)是基于高能质子加速器的多学科大实验平台，其主要由1台80 MeV负氢直线加速器、1台1.6 GeV快循环同步加速器(RCS)、2条输运线、1个靶站和相应的配套设施组成。质子束流经加速后轰击钨靶，将产生大量中子，经束流管道引出到实验终端，开展中子散射方面的研究[1-3]。反角白光中子源是沿质子束流反方向出射的中子，其具有良好的能谱结构及时间分辨率，适合开展核数据测量[4-5]。为满足测量要求，反角白光中子源还需提供合适的束斑形状和较低的实验本底，这需借助准直器对中子束流进行刮束准直。本文以中子开关为例，对反角白光中子源准直器进行设计、加工及测试。

1 反角白光中子源准直器

反角白光中子源束线上共布置3台准直器，沿束线从前往后依次为中子开关、准直器1和准直器2，如图1所示。准直器主要通过精确控制真空箱体内挡块的移动，使束流通过不同尺寸的通孔，依靠3台准直器的配合使用，对中子束流进行刮束准直，从而获得多种束斑形状及较低的实验本底，以满足不同的实验要求。3台准直器结构类似，只是挡块上的通孔尺寸略有差异；另外，中子开关增加了1个盲孔挡位，可用于关停束流。本文仅介绍与中子开关相关的机械设计和测试情况，准直器1及准直器2的原理和结构与此类似，不再赘述。

1.1 主要技术指标

为保证中子注量率的要求，准直器挡块通孔的中心线与束流中心线的同轴度总误差不大于0.2 mm。为实现这一目标，从机械角度对总误差进行合理分配，包括挡块通孔的加工精度、挡块的重复定位精度及安装精度，中子开关的主要技术指标列于表1。

图1 反角白光中子源束线布局Fig.1 Layout of back-streaming white neutron beam line

表1 中子开关主要技术指标Table 1 Main technical parameter of neutron shutter

1.2 整体方案的选择与设计

为将真空外的电机运动传递到真空内的挡块上，通常采用波纹管传动密封方案(图2)。推拉传动杆一端与挡块连接，另一端穿过波纹管与移动块连接，电机通过滚珠丝杠带动移动块沿导轨运动，并通过推拉传动杆将运动传递到挡块上。波纹管两端通过法兰与真空箱体及移动块实现真空密封，并随移动块的运动进行压缩或拉伸，实现传动密封。日本J-PARC及CSNS环加速器上的准直器均采用了该方案[6-7]。由于中子开关挡块的行程较大，采用波纹管方案极大地增加了中子开关的外形尺寸，导致隧道安装困难。

图2 波纹管方案Fig.2 Design scheme of bellows

为满足安装要求，中子开关采用磁流体方案，如图3所示。挡块、导轨、滚珠丝杠、线性可变差动变压器(LVDT)位移传感器及限位开关等均位于真空盒内，电机通过磁流体与滚珠丝杠相连，带动挡块沿导轨移动，使中子束流通过挡块上不同尺寸的通孔，实现刮束准直。LVDT位移传感器用于显示挡块的实时位置，限位开关提供限位保护，二者的控制线缆通过真空电极从真空内引出到真空外。调整支架用于支撑和微调真空盒及挡块，可实现6自由度位置调整，确保中子开关安装到位。

图3 磁流体方案Fig.3 Design scheme of magnetic fluid

2 中子挡块

核数据测量除需合适的束斑形状外，还需有较低的实验本底。为减少透射中子对实验本底的影响，通过模拟分析获得不同挡块对高能中子的屏蔽效果，如图4所示。可看出，当中子开关挡块由前端120 cm铜及后端30 cm铁组成时，透射的各种能区的中子数量较少，有较好的屏蔽效果。另外，本工作还给出挡块上的孔径要求，共有5个挡位，分别为62 mm×78 mm的方孔、φ12 mm的圆孔、盲孔、φ3 mm的圆孔和φ50 mm的圆孔[8-9]。

图4 不同挡块时的中子透射能谱Fig.4 Neutron transmission spectra with different blocks

图5 中子开关挡块模型Fig.5 Model of neutron shutter block

根据上述参数，得到的中子开关挡块模型如图5所示。由于挡块上通孔长度和直径的比远大于5，尤其是φ3 mm圆孔长度和直径的比达到500，属于特深孔加工，且孔的加工精度要求小于0.05 mm，常规的机械加工手段很难实现[10-12]。为解决这一难题，将挡块分为两半，即上半挡块和下半挡块，分别加工半个孔，最后扣合成整孔。加工完成后，经三坐标测量，中子开关挡块各孔的加工精度(表2)均满足设计要求。

表2 中子开关挡块孔加工精度Table 2 Processing precision of hole in neutron shutter block

3 真空盒

中子开关真空盒主要为挡块提供真空环境，真空度要求高于10-4Pa。由于真空盒外形尺寸较大，在大气压力作用下易变形，会影响真空密封，因此有必要对其进行优化设计。另外，辐射环境下密封圈及密封结构的选择均是设计时需解决的难题。

3.1 真空盒的优化设计

中子开关真空盒由箱体和箱盖两部分组成，二者之间安装有密封圈，利用均匀布置在密封圈周边的螺栓拧紧密封。利用有限元分析软件分析真空盒在1个大气压力作用下的变形情况，发现应力和变形最大之处均位于箱盖中心位置。根据计算结果，对箱盖进行优化设计并重新计算分析，共有4种方案，主要区别在于箱盖材料的厚度及箱盖上加强筋的布置，4种方案的应力和变形云图如图6所示。真空盒最终采用方案4，将箱盖设计为拱形，此时真空盒的应力和变形最小，且质量最小，具体计算结果列于表3。

3.2 真空密封

大型真空腔室通常采用O型胶圈进行密封[13-14]。由于中子开关工作在辐射环境，胶圈易辐射老化，必须采用金属密封圈进行密封。金属密封常见的法兰结构有平面密封、直角密封及刀口密封等。由于真空盒尺寸较大，直角密封和刀口密封对密封面的粗糙度及配合精度要求非常高，加工难度大，故中子开关选用平面密封，其密封面无配合问题，表面粗糙度极易达到。密封圈选用3 mm的退火铝丝。真空盒的极限真空度可达到1.2×10-5Pa，真空漏率为9.76×10-11Pa·m3/s，均优于设计要求。

图6 真空盒4种方案的应力和变形云图Fig.6 Stress and deformation with four kinds of schemes for vacuum chamber

表3 真空盒4种方案的计算结果Table 3 Calculated result with four kinds of schemes for vacuum chamber

4 真空耐辐射移动平台

真空耐辐射移动平台安装在真空盒内，用于实现挡块不同孔位的切换，调节精度要求小于0.05 mm。由于工作环境特殊，移动平台既要有较低的放气率又要有一定的耐辐射性能，同时还要有较高的调节精度。

4.1 平台的搭建

图7 挡块移动平台Fig.7 Mobile platform for block

可用于真空的高精度耐辐射移动平台主要由滚珠丝杠、导轨、磁流体、耐辐射电机、限位开关及LVDT位移传感器组成，除耐辐射电机和磁流体外，其他零部件均位于真空盒内，如图7所示。

LVDT位移传感器是一种可用于多种恶劣环境的直线位移传感器，可在腐蚀液体、低温液氮及核反应堆安全壳中使用，具有很好的耐辐射性能，同时还有较低的放气率和较高的重复精度。另外，针对移动平台特殊的工作环境，选用了陶瓷材料的限位开关及真空专用的不锈钢滚珠丝杠和导轨，并使用Apiezon油脂进行润滑，解决真空及辐射环境下的润滑问题[15-16]。位于真空腔室内的控制线缆采用包覆聚酰亚胺绝缘材料的导线，并通过真空电极将其与真空外的控制系统相连。用于实现动密封的磁流体，可承受106Gy的剂量。通过模拟计算，当束流功率为100 kW运行时，磁流体附近的当量剂量率约为43 mSv/h(图8)。按1 a运行300 d，30 a累积的当量剂量为9.3×103Sv，换算为吸收剂量相当于9.3×104Gy。若仅考虑辐射寿命，磁流体密封装置可正常运行至少30 a(CSNS设计使用寿命为30 a)。耐辐射电机作为移动平台的关键部件，其可吸收剂量的阈值为2×106Gy，而电机附近的剂量与磁流体相近，故也能满足耐辐射要求。

图8 100 kW束流功率时中子开关附近的辐射剂量率Fig.8 Radiation dose rate around neutron shutter with 100 kW beam power

4.2 平台重复定位精度测量

借助激光跟踪仪，首先对挡块进行标定，确定挡块上各挡位孔与靶标座的位置关系；然后以真空盒两端法兰中心点的连线作为假定的束流中心线，调整移动平台，使挡块上各通孔的中心线依次与假定的束流中心线重合，测量挡块上4个靶标座的坐标值。根据挡块标定的位置关系，可获得挡块相应孔位中心线与假定的束流中心线的同轴度，通过多次重复测量，可获得多组数据。通过比较之间的差值，推算出移动平台的重复定位精度优于0.02 mm(表4)。

表4 挡块孔的位置偏差Table 4 Position deviation of hole in block

5 结论

本文以中子开关为例，介绍了反角白光中子源准直器的设计、加工及测试情况，主要解决了以下问题。

1) 完成了挡块上小直径深孔的加工，最大加工误差为0.044 mm，小于设计要求的0.05 mm。

2) 优化了真空盒的外形结构及密封方式，实现了辐射环境下大型真空腔室的密封，极限真空度可达到1.2×10-5Pa，真空漏率为9.76×10-11Pa·m3/s，均满足设计要求。

3) 搭建了可用于真空的高精度耐辐射移动平台，重复定位精度小于0.02 mm，优于设计要求；通过模拟分析，估算移动平台的辐射寿命超过30 a，具体寿命有待在实际使用过程中进一步验证。

目前准直器已完成安装并开始使用，运行稳定，能满足核数据测量的要求。