CN103077760A

CN103077760A - 厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统及方法

Info

Publication number: CN103077760A
Application number: CN2012105918576A
Authority: CN
Inventors: 全林; 余小任; 苏春磊; 宋朝晖; 江新标; 屠荆; 欧阳晓平; 宋晓靓; 马燕; 袁建新
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2012-12-29
Filing date: 2012-12-29
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明涉及一种厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统及方法，转子和固定屏蔽套进行组合，形成具有良好屏蔽功能、便于高速旋转的组合快门，以完成稳态γ射线的脉冲切割。固定屏蔽套为一段圆环柱体，内部套有开设通孔或通槽的旋转准直器，两实体间留有极小的间隙，便于转子的受控高速转动，转动方式可以通过滚轴、气浮或磁悬浮等方式来实现，进而形成γ射线窄脉冲。固定屏蔽套的设置，减轻了旋转准直器的重量，增加了对转子周边散射射线的屏蔽，提高了经脉冲切割后准直器的品质参数，有效减小了旋转准直器的重量，以便能形成较高的转速，获得窄脉冲。

Description

厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统及方法

技术领域

本发明属于脉冲辐射场获取方法研究，具体涉及通过厚准直器高速旋转的办法，将γ射线辐射场的稳态束流进行切割，获取快脉冲的一种系统及方法，是电离辐射计量的一个重要研究方向。

背景技术

获取脉冲辐射场是发展脉冲电离辐射计量技术的基础条件，现有校准实验室内由于缺乏脉冲γ辐射场（即辐射场参数已知），脉冲电离辐射计量基本处于停滞阶段。目前用于脉冲测量的探测系统及计量设备，大都立足钴源及铯源产生的稳态γ辐射场进行标定或校准，由于稳态和脉冲特性的差异，难免对探测器标定带来了现有技术难以克服的偏差。立足稳态γ辐射场来建立脉冲γ辐射场，是发展脉冲测试技术，解决现有脉冲γ辐射场计量标准缺乏的有力手段，其具有重要的应用价值。

立足稳态射线发展脉冲γ射线参考辐射场是一种经济可靠的技术途经，其主要原理为：借助对γ射线具有良好屏蔽功能的厚准直器高速旋转，使得在指定γ射线束流上的准直孔快速通断，以实现对稳态强γ辐射场的脉冲切割，形成百微妙量级的脉冲γ辐射场，满足科研实验要求。这种立足稳态强γ辐射场来发展脉冲γ辐射场的方式，相比常规采用加速器等获取方式而言，具有较强的技术优势，表现出较好的经济性和操控性，且辐射场便于确定（由于脉冲转化前的稳态辐射场参数已知），适合发展脉冲电离辐射计量标准。

文献表明相关技术人员在立足稳态γ射线束流发展脉冲辐射场方面开展了大量研究，类似的斩波器技术也逐渐成为人们研究的热点，如中国工程物理研究院的李新喜等人设计的“双盘斩波器”，即电机传动的旋转准直器以对热中子进行脉冲切割；俄罗斯相关学者尝试了在高速旋转的转盘上边缘，固定放射源的办法，利用放射源快速转过固定准直器的方式获得脉冲辐射场。以上方法在获取低强度、毫秒脉冲方面有一定的应用，但是受到强度及脉宽两方面的限制，其实用性不强，主要表现在如下几个方面：1）γ射线穿透能力较强，防护需要一定的屏蔽厚度，这使得用于限束的准直器质量庞大，难以采用斩波器的方式实现准直器快速旋转；2）对于较强的放射源，出于安全因素考虑，难以将其固定在高速旋转的转盘边缘，同时放射源旋转的方案也限定了其转速难以达到上万转。通过方法更新来开展微秒量级的强γ射线束流获取技术，具有一定的科学意义和较好的应用前景。

发明内容

本发明立足旋转准直器对稳态束流进行快速切割的技术原理，提出了一种厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统及方法，以解决长期制约脉冲电离辐射计量技术进步的技术难题。

本发明的技术解决方案是：

一种厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特殊之处在于：包括高比活度的强放射性同位素源1、组合旋转快门和转速调控系统；所述组合旋转快门包括定子组件、转子组件、轴承6，所述定子组件包括固定屏蔽套8、设置在固定屏蔽套8内的驱动线圈4；所述转子组件包括转子3、设置在转子上且轴向贯通的多个圆周均布的通孔或通槽2；所述固定屏蔽套8和转子3间设置有气隙；所述轴承6设置在固定屏蔽套8和转子3之间；所述通孔或通槽2位于放射源1的出射路径上；所述转速调控系统控制转子3的转速。

上述通孔或通槽2设置在转子内部或转子圆周表面。

上述切割装置还包括与外部水源相通的水循环系统，所述水循环系统包括至少两个循环水冷接口，所述循环水冷接口一端开口于固定屏蔽套表面，其另一端开口于气隙上。

上述切割装置还包括与外部油气装置相通的油气循环系统；所述支撑轴承为气浮轴承；所述油气循环系统包括至少四个油气接口，所述油气接口一端开口于固定屏蔽套表面，其另一端通向轴承6。

上述水循环系统流量参数要求为：0.6～1.0L/min；所述油气循环系统参数要求为：进气压力0.50~0.80MPa，出气压力0.20~0.3MPa。

上述切割装置还包括设置在固定屏蔽套中用于敏感转速、振动量及温升的霍尔元件、振动传感器及温度传感器。

上述通孔或通槽2为矩形槽；所述通孔或通槽2的数量为3个。

还包括设置在放射源和组合旋转快门之间的前准直器，所述通孔或通槽2在旋转过程中可与放射源1、前准直器的中心孔重合。

一种厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

（a）高比活度的强放射性同位素源1出射γ射线，

（b）定子组件和转子组件组成的组合旋转快门对准直后的γ射线进行切割：当放射源、前准直器中心孔和通孔或通槽2的轴线重合时，准直后的γ射线得以通过快门，形成辐射场为探测系统9的标定及检定研究所用，否则射线被组合旋转快门的固定屏蔽套及转子所屏蔽，没有射线到达探测器；

（c）通过组合旋转快门的转速调控系统进行调节，产生脉宽可调的窄脉冲γ射线。

还包括用前准直器对强放射性同位素源出射的γ射线进行限束准直的步骤。

本发明的优点：

本发明巧妙地将转子3和固定屏蔽套8进行组合，形成具有良好屏蔽功能、便于高速旋转的组合快门，以完成稳态γ射线的脉冲切割。固定屏蔽套8为一段圆环柱体，内部套有开设通孔或通槽的旋转准直器，两实体间留有极小的间隙，便于转子3的受控高速转动，转动方式可以通过滚轴、气浮或磁悬浮等方式来实现，进而形成γ射线窄脉冲。固定屏蔽套8的设置，减轻了旋转准直器的重量，增加了对转子3周边散射射线的屏蔽，提高了经脉冲切割后准直器的品质参数，有效减小了旋转准直器的重量，以便能形成较高的转速，获得窄脉冲。

附图说明

图1为厚准直器旋转获取脉冲γ辐射场的系统结构示意图。

附图标记：1-强放射性同位素源；2-通孔或通槽；3-转子；4-驱动线圈；5-水循环接口；6-轴承；7-油气循环接口；8-固定屏蔽套；9-探测系统。

具体实施方式

本发明原理：

为能够利用高速旋转准直器来切割高强度稳态γ射线束流，本发明提出了设计一种通孔或通槽式主轴旋转结构的异型电机，即直接在转子外表面周向对称开设通孔或通槽，省去传动部件，将旋转装置和驱动部件融为一体，从而大大节约了传动过程中能量损耗，在高强度材料制作的转子能够满足射线屏蔽要求的同时进一步提高转速，从而能够获得脉宽100μs以下、信噪比大于100、注量率约10¹⁵/cm².s^-1的脉冲γ辐射场。

本发明需要解决的技术问题有：

1）解决厚准直器高速旋转的实现问题。准直器在实现稳态辐射场切割时，需要满足一定的屏蔽能力，满足对强γ射线屏蔽的信噪比要求，这就使得准直器质量庞大，实现高速旋转存在极大技术问题；

2）准直器在高速旋转中，需要满足诸多安全因素，如结构紧凑性性、旋转体材料的完整性、控制系统的可靠性等，以保证在准直器高速旋转过程中保证其不会威胁到强放射源及其他实验设施安全。

参照图1对发明设计的方法进行说明，整个系统采用前准直器2、转子3和固定屏蔽套8进行屏蔽组合，获得了近似平行束流，旋转快门的分体式设计（即对应3和4）有效降低了旋转准直器的质量，便于获得高转速，固定屏蔽体8的设置，降低了准直孔边缘散射对辐射场的影响，同时还对旋转准直器提供了安全保护，提高了装置运行安全性，为稳态γ射线辐射场脉冲转化提供了可行的技术途经；

在具体实施过程中，对不同结构有不同的要求：

（a）放射源应具有较高的放射性活度及比活度，一般要求放射源活度不得低于8000Ci，比活度不小于3.7×10¹⁵Bq/kg，以便在探测器实验位置处获得近似平行稳定束流，注量率达到10¹⁵/cm².s^-1。

（b）前准直器2需要具有一定屏蔽厚度，在射线束流方向上开有通孔的固定准直器，用于对放射源出射的γ射线进行限束和屏蔽，确保非准直孔出射的泄露辐射强度比经准直孔出射强度降低近2个量级，为后续装置提供高强度的稳态平行γ射线，工程中通常由厚6cm的钨合金材料研制比较合适。

按照以上方法建立的厚准直器旋转装置，当放射源强度为8000居里情况下，若旋转屏蔽体的转速达到40000rpm/min（对应频率为666.7Hz），通过合理设计旋转准直器孔型及特性尺寸，可以形成快达100μs以下的脉宽，便于满足诸相关探测系统9的研究需要，如光电倍增管、闪烁探测器及GM计数器等。

本方法同样可以应用在中子、电子、质子等其它稳态束流的脉冲转换。

Claims

1.一种厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：包括高比活度的强放射性同位素源（1）、组合旋转快门和转速调控系统；所述组合旋转快门包括定子组件、转子组件、轴承（6），所述定子组件包括固定屏蔽套（8）、设置在固定屏蔽套（8）内的驱动线圈（4）；所述转子组件包括转子（3）、设置在转子上且轴向贯通的多个圆周均布的通孔或通槽（2）；所述固定屏蔽套（8）和转子（3）间设置有气隙；所述轴承（6）设置在固定屏蔽套（8）和转子（3）之间；所述通孔或通槽（2）位于放射源（1）的出射路径上；所述转速调控系统控制转子（3）的转速。

2.根据权利要求1所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：所述通孔或通槽（2）设置在转子内部或转子圆周表面。

3.根据权利要求1或2所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：所述切割装置还包括与外部水源相通的水循环系统，所述水循环系统包括至少两个循环水冷接口，所述循环水冷接口一端开口于固定屏蔽套表面，其另一端开口于气隙上。

4.根据权利要求3所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：所述切割装置还包括与外部油气装置相通的油气循环系统；所述支撑轴承为气浮轴承；所述油气循环系统包括至少四个油气接口，所述油气接口一端开口于固定屏蔽套表面，其另一端通向轴承（6）。

5.根据权利要求4所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：所述水循环系统流量参数要求为：0.6～1.0L/min；所述油气循环系统参数要求为：进气压力0.50~0.80MPa，出气压力0.20~0.3MPa。

6.根据权利要求5所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：所述切割装置还包括设置在固定屏蔽套中用于敏感转速、振动量及温升的霍尔元件、振动传感器及温度传感器。

7.根据权利要求6所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：所述通孔或通槽（2）为矩形槽；所述通孔或通槽（2）的数量为3个。

8.根据权利要求7所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的系统，其特征在于：还包括设置在放射源和组合旋转快门之间的前准直器，所述通孔或通槽2在旋转过程中可与放射源1、前准直器的中心孔重合。

9.一种厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（a）高比活度的强放射性同位素源1出射γ射线，

10.根据权利要求9所述的厚准直器旋转获取强脉冲γ辐射场的方法，其特征在于：还包括用前准直器对强放射性同位素源出射的γ射线进行限束准直的步骤。