CN103021495B - 一种呼吸式准直器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于机械设备和核技术领域的一种呼吸式准直器。该准直器包括一个外壳，所述外壳含有一个大端口和一个小端口，大端口的面积大于小端口的面积，大端口和小端口分别位于外壳相对的两个侧面上；所述外壳上设有循环气体入口和循环气体出口；在所述外壳内设置有若干个水平插板， 水平插板之间形成内部的中子通道并作为气体导向板。本发明提供的呼吸式准直器可以使气体在准直器内部完成充分良好的循环。既降低了对准直器材料的性能要求，又避免了气体在准直器内部的活化作用。

Description

一种呼吸式准直器

技术领域

本发明属于机械设备和核技术领域，特别涉及一种呼吸式准直器。

背景技术 

散裂中子源（CSNS）是国家重大科技基础设施建设项目。是我国“十一五”期间重点建设的大科学装置，已列入国家中长期科学和技术发展规划。经国务院批准，将建造一个质子束功率达100kW、有效脉冲中子通量居世界前列的散裂中子源装置。国家支持建设经费约12亿元，建设期为7年。中国散裂中子源（CSNS）项目，落户于广东省东莞市松山湖科技园区，是建在中国的第一座基于加速器加速高能质子轰击金属靶而产生大量散射中子的中子源。在这个装置中，高能量的质子轰击金属靶，引起金属原子的散裂反应。顾名思义，散裂，一分为多，金属靶在这个反应中会释放出大量的中子，这些中子被安全地引出到实验测量装置上，供科学和工业研究用。2011年建设的中国散裂中子源（CSNS）作为发展中国家的第一台散裂中子源，将进入世界四大散裂中子源行列。CSNS是开展前沿学科及高新技术研究的先进大型实验平台，能够为我国的多学科创新在国际上占领一席之地提供良好的机遇。主准直器是CSNS RCS关键设备之一。CSNS的束流准直器分别放置在环（RCS）和输运线（LRBT、RTBT）的特定位置，以消除不在预定轨道或动量有偏差的质子，同时使质子捕获激发的二次粒子和放射性同位素在束流准直器内吸收，这样就可以补偿环和输运线元件的偏差。在CSNS的RCS中，设置有一个主准直器、四个次准直器和一个动量准直器，在LRBT设置有一个动量准直器、RTBT设置有四个动量准直器，它们是确保CSNS高质量运行的关键设备。

为了减少机器运行过程中束流准直器对周围元件的活化，束流准直器需要有高的冷却传热性能、抗辐射能力，其定位精度要求高，为了保证维护人员安全操作，在设计中还要充分考虑准直器的远程操作和维护，尽可能减少辐射照射。同时由于准直器要吸收、捕获粒子，这决定了在束流准直器工作区域为高辐射区域，因此束流准直器的结构设计与研制需要重点考虑辐射防护问题。准直器作为高通量粉末衍射谱仪的关键部件之一，对于谱仪的正常运行以及谱仪分辨率等性能的提高具有不可忽视的作用。目前国际上主要存在两种类型的准直器，以日本为代表的高真空准直器，准直器内部处于真空状态，这就对准直器的材料性能与强度提出了很高的要求。另一种就是以国内正在研制的通气准直器，准直器内部通入性质不活泼气体，可以降低对准直器材料的性能要求。充入气体如果不能在准直器内部完成良好循环，将会造成气体活化，这是在设计中应该极力避免的。

发明内容

本发明的目的是提供结构简单，便于控制的呼吸式准直器。涉及到的原理和方程有流体力学的流动原理，热泳力原理，理想气体模型方程。采用通入气体的方法可以减低腔体承受压力，减小壁厚，在一定程度上降低腔体结构设计的难度和材料成本。水平插板可以形成内部的中子通道，少量的插板数不仅可以使设计简单，也可以使通入气体更好的完成内部的循环，避免活化作用。同时水平插板采用发热板，由于温度梯度所造成了热泳力，使气流中微粒不容易附着在板面上。并且可以使用时变发热板，使箱内温度不断变化。由于通入箱内的是性质不活泼气体，可视为理想气体。利用理想气体状态方程PV=nRT，得出在箱内气体体积不变的情况下，理想气体温度发生变化，箱内气体压强会随之变化，当气体被加热后，压强会增大。同时考虑到气体被加热后有膨胀因素以及气体流速变化的影响，气体被加热后，压强会进一步增大。于是温度不断变化，气体压强不断的变化就类似于人体肺部的呼吸动作，这样就迫使残留的部分气体排出，从而达到设计要求。同时适当的调节进气速度和发热板温度的变化，会使气体循环效果更好。

本发明提供的呼吸式准直器，其特征在于该准直器包括一个外壳，所述外壳含有一个大端口和一个小端口，大端口的面积大于小端口的面积，大端口和小端口分别位于外壳相对的两个侧面上；

所述外壳上设有循环气体入口和循环气体出口；

在所述外壳内设置有若干个水平插板， 水平插板之间形成内部的中子通道并作为气体导向板。

水平插板的设置使气体从循环气体入口进入后先后流经由水平插板分隔的空间，最后循环气体从循环气体出口流出。

大端口连接中子发生装置，小端口与样品腔相连。

所述的外壳根据装置抗压以及抗辐射的要求，其材料应具有良好的抗辐射性，同时外壳需要有良好的密封性能，壳厚在2mm~10mm之间。

所述的水平插板同样需要满足抗辐射的要求，其材料需要具有良好的抗辐射性。同时水平插板的布置及数量对于装置的性能具有重要的影响。水平插板交替与大端口和小端口留有空隙，以利循环气体通过。水平插板的厚度在10mm~12mm之间。

水平插板为可发热板。

每个水平插板均由三块板组成，中间一层为云母板，其上布置发热线圈，另外两块板为导热板。

所述导热板可以使用不锈钢，也可以使用导热系数更好的材料。

云母板中线圈的布置按一般发热板的布置即可。

考虑到外壳的密封性，水平插板的接线从循环气体入口或者从循环气体出口引出。

水平插板数量优选3个。

所述的循环气体入口、循环气体出口是该装置的重要设计部分。在孔径给定的情况下，则只需要考虑在壳上开孔的位置。根据设计结果，开口的方案是循环气体入口在外壳上部，循环气体出口在外壳下部，也可以根据具体情况在其他位置布置开口。

本发明的有益效果：降低准直器内气体的活化水平，降低制造成本和加工难度。本发明的准直器装置通过设计良好的出入口条件，合理的水平插板布置和合适的温度变化，利用控制温度变化产生压强和动能变化，这样就类似于人体肺部呼吸作用。可以使气体在准直器内部完成充分良好的循环。既降低了对准直器材料的性能要求，又避免了气体在准直器内部的活化作用。

附图说明

图1为呼吸式准直器装置示意图；

图2为呼吸式准直器装置主视图；

图3为呼吸式准直器的水平插板示意图；

图4为呼吸式准直器的水平插板透视图；

图中标号：1-外壳；2-第一水平插板；3-第二水平插板；4-第三水平插板；5-循环气体入口；6-循环气体出口；7-大端口；8-小端口。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

实施例1

一种呼吸式准直器，该准直器包括一个外壳1，所述外壳1含有一个大端口7和一个小端口8，大端口的面积大于小端口的面积，大端口和小端口分别位于外壳相对的两个侧面上；

所述外壳上设有循环气体入口5和循环气体出口6；所述的循环气体入口5、循环气体出口6是该装置的重要设计部分。在孔径给定的情况下，则只需要考虑在壳上开孔的位置。根据设计结果，开口的方案是循环气体入口在外壳上部，循环气体出口在外壳下部，二者的相对位置如图1所示，也可以根据具体情况在其他位置布置开口；

在所述外壳内设置有若干个水平插板， 水平插板之间形成内部的中子通道并作为气体导向板。

水平插板的设置使气体从循环气体入口5进入后先后流经由水平插板分隔的空间，最后循环气体从循环气体出口6流出。

水平插板为可发热板。每个水平插板均由三块板组成（如图3所示，a板、b板和c板），中间一层（b板）为云母板，其上布置发热线圈，另外两块板（a板和c板）为导热板。所述导热板（a板、c板）使用不锈钢。云母板中线圈的布置按一般发热板的布置即可。同时a板、b板、c板的厚度可以适当调整。水平插板数量为3个。水平插板交替与大端口和小端口留有空隙，以利循环气体通过。如图2所示。第一水平插板2与小端口留有空隙，第二水平插板3与大端口留有空隙，-第三水平插板4与小端口留有空隙。

为了保证外壳1的密封性，水平插板的接线从循环气体入口5或者从循环气体出口6引出。

大端口连接中子发生装置，小端口8与样品腔相连。

所述的外壳1根据装置抗压以及抗辐射的要求，其材料应具有良好的抗辐射性，同时外壳1需要有良好的密封性能，壳厚为2mm。

所述的水平插板同样需要满足抗辐射的要求，其材料需要具有良好的抗辐射性。同时水平插板的布置及数量对于装置的性能具有重要的影响。水平插板的厚度为10mm。

本准直器的工作流程由中子流程和气体流程两部分组成。中子水平射入样品腔；气体从循环气体入口5进入最终由循环气体出口6流出。

所涉及的中子的运动过程是：准直器的大端口7与中子发生装置相连，小端口8与样品腔相连，中子从大端口7进入准直器内部，水平插板之间形成内部的中子通道，然后中子从小端口8离开准直器，进入样品腔。

所涉及的气体的流通过程是：水平插板作为气体导向板，使气体从循环气体入口5进入后先后流经由第一水平插板2、第二水平插板3、第三水平插板4分隔的空间，最后循环气体从循环气体出口6流出。在气体流经第一水平插板2、第二水平插板3、第三水平插板4的过程中，水平插板会发热。利用热泳力的作用，气体内细小微粒不滞留在壁面，从而避免气体滞留。同时合理控制发热量的变化，使箱内温度不断变化。由于通入箱内的是性质不活泼气体，可视为理想气体。利用理想气体状态方程PV=nRT，得出在箱内气体体积不变的情况下，理想气体温度发生变化，箱内气体压强会随之变化，当气体被加热后，压强会增大。同时考虑到气体被加热后有膨胀因素以及气体流速变化的影响，气体被加热后，压强会进一步增大。于是温度不断变化，气体压强不断的变化就类似于人体肺部的呼吸动作，这样就迫使残留的部分气体排出从而达到设计要求。

所涉及的循环气体类型应为氮气或氦气等性质不活泼气体，这样通过向准直器内部通入气体的方式来平衡内外压差，可以降低准直器的设计难度和所需材料强度。

所涉及的循环气体出入口布置方式为：循环气体入口5，供循环气体进入准直器，通过内板改变流动方向，在整个空间内流动。循环气体出口6，供循环气体离开准直器。整个过程保证准直器空间内不存在不流动的死角。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种呼吸式准直器，其特征在于该准直器包括一个外壳(1)，所述外壳(1)含有一个大端口(7)和一个小端口(8)，大端口的面积大于小端口的面积，大端口和小端口分别位于外壳相对的两个侧面上；

所述外壳上设有循环气体入口(5)和循环气体出口(6)；

在所述外壳内设置有若干个水平插板，水平插板之间形成内部的中子通道并作为气体导向板；

设置的水平插板使气体从循环气体入口(5)进入后先后流经由水平插板分隔的空间，最后循环气体从循环气体出口(6)流出；

水平插板交替与大端口和小端口留有空隙，以利循环气体通过；

每个水平插板均由三块板组成，中间一层为云母板，其上布置发热线圈，另外两块板为导热板。

2.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于：大端口(7)连接中子发生装置，小端口(8)与样品腔相连。

3.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于：水平插板的接线从循环气体入口(5)或者从循环气体出口(6)引出。

4.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于：水平插板数量为3个。

5.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于：循环气体入口在外壳上部，循环气体出口在外壳下部。

6.根据权利要求1所述的准直器，其特征在于：所述外壳壳厚在2mm～10mm之间，水平插板的厚度在10mm～12mm之间。