CN103454293A - 中子束线开关及准直安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中子束线开关及准直安装方法，所述中子束线开关包括：中间壳体；设置于中间壳体内的导管插件；两中子导管，分别连接于所述导管插件的两端，且所述中子导管的壳体具有壳体法兰，所述壳体法兰与所述中间壳体的其中之一上设置有凹台，其中另一上设置有凸台，所述凹台和所述凸台具有设定的加工精度，通过所述凹台与所述凸台的阶梯式配合以实现所述束线开关的准直安装。本发明借助目前可以达到的较高的加工和装配精度，代替准直精度达到易于准直安装的目的。

Description

中子束线开关及准直安装方法

技术领域

本发明涉及中子散射谱仪技术领域，尤其涉及一种用来实现中子束线开和关切换的一种中子束线开关及用于两个中子设备之间准直安装的准直安装方法。

背景技术

中子谱仪主要用于研究各类物质的结构和性质，目前在世界各国建造的中子谱仪可以分为两类，一类称为中子散裂源谱仪，中子散裂源是基于加速器加速质子轰击靶产生中子；另一类称为中子反应堆谱仪，中子反应堆是基于铀裂变产生中子。中子束线开关在中子谱仪中用来打开和切断中子束流，在导通状态时，中子束是通过中子导管等中子光学部件传输到样品上，因此，中子束线开关是任何谱仪都不可或缺的一个关键部件。对于中子散裂源谱仪，每个谱仪在散裂靶站中都有一个束线开关，称为主束线开关，由于靶站中的主开关比较庞大，开启和关闭的时间较长，因此，大部分的中子散裂源谱仪都会在谱仪大厅中的中子束线上建造第二个中子束线开关。如美国的中子散裂源（SNS）的磁反射谱仪BL4A，液态反射谱仪BL4B，以及工程粉末谱仪都在谱仪束线上建造了一个中子束线开关，第二中子束线开关一般设计轻便并且开关方便，且操作时间短，这样在更换样品的时候只操作中子束线上的第二中子束线开关即可，特别是对于美国SNS的BL4A和BL4B两者距离特别近，而且共用靶站中的主中子开关，只有在发生意外时才操作主开关。英国的中子散裂源（ISIS）和日本的中子散裂源（J-PACK）等在从靶站引出中子束线后，也大都在束线上建造了第二中子束线开关。而对于反应堆谱仪，往往一个中子孔道引出若干条中子谱仪，这些谱仪都要在谱仪大厅中的谱仪束线上设置这样一个与中子散裂源谱仪第二中子束线开关类似的中子束线开关，该中子束线开关一般设备较小，操作速度快，能够快速的切断中子束流。这里就有一个这种快速中子束线开关和束线开关上下游的中子传输部件之间的准直安装问题。本发明就是针对存在于谱仪束线上，这样一种快速中子束线开关的设计和中子束线开关上下游的中子导管之间的准直安装问题。

准直安装的常用工具、仪器有工具经纬仪、水准仪和激光追踪仪。而相邻中子导管之间常规的准直精度是0.05mm。常见的中子束线开关是旋转式或者上下、左右平移式的。不管是哪一种中子束线开关，内部的导管插件和相邻的中子导管之间都存在间隙。众所周知，在利用中子导管对中子进行传输的过程当中，要尽量的避免中子的损失，也就是需要减小间隙的存在。且中子束线开关内部的导管插件（又称插入件）和外部中子导管对接的过程中，如果要达到良好的准直效果，若有足够的吊装空间，可以用波纹管进行连接，然而那样中子束线开关与相邻中子导管之间的间距比较大，中子损失偏大；要使相邻中子导管之间的间距变小，则中子导管不可避免的要伸到中子束线开关壳体内部，这时如果直接采用法兰连接，则两侧的导管和中子束线开关连成一体，中子束线开关内部导管插件和相邻的导管之间的距离也比较小。但是单纯靠设常规的准直设备，对相邻的中子导管进行准直安装和定位变得非常困难。

例如，匈牙利的中子导管公司（Mirrotron）制造的一个中子束线开关利用波纹管进行连接，虽保证了准直和吊装空间，但是导管和中子束线开关内部导管插件之间的间距是25mm以上。

现有技术中法兰是一种重要的连接件，具有凸凹的台阶式结构，应用主要有以下几类：

1、起到保护连接管道的翻边和便于安装密封垫圈的作用。例如公开号为CN101153680A、名称为“一种输送管道的连接结构”的中国发明专利申请，公开了一种利用法兰的台阶式结构进行管道连接的连接结构，其法兰的台阶主要是为了给密封垫圈提供空间。还有公开号为CN201420593Y、名称为“汽车发动机排气歧管和排气管连接结构”的中国实用新型专利，其法兰的台阶式结构为密封垫圈提供空间、定位以及限位的作用。

2、起到限位和辅助密封的作用。例如公开号为CN201666137U、名称为“一种新型法兰连接密封装置”的中国实用新型专利申请，公开了一种台阶式法兰连接方式，这种法兰连接密封装置的台阶结构主要是限位和进行二次真空密封，其限位作用只是一个粗糙的基本定位，起到一个导程的作用，精度较差。

因此，在现有技术中，准直方案是通过设备和一些调节装置进行准直和调节定位。而法兰的台阶式结构则主要用于粗糙的定位。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的为提供一种中子束线开关，以解决现有技术中子束线开关不能同时兼顾所述中子束线开关与相邻中子导管之间的间距好于10mm、又有足够的吊装间隙以便于准直定位的技术问题。

本发明的另一目的在于提供一种准直安装方法。

为达上述目的，本发明的一较广义实施例为提供一种所述中子束线开关，包括：中间壳体；设置于中间壳体内的导管插件；两中子导管，分别连接于所述导管插件的两端，且所述中子导管的壳体具有壳体法兰，所述壳体法兰与所述中间壳体的其中之一上设置有凹台，其中另一上设置有凸台，所述凹台和所述凸台具有设定的加工精度，通过所述凹台与所述凸台的阶梯式配合以实现所述中子束线开关的准直安装。

一种准直安装方法，用于第一中子设备与第二中子设备之间的准直安装，所述准直安装方法包括：步骤S1：以设定的加工精度在所述第一中子设备的壳体上加工凹台，在所述第二中子设备的壳体上加工凸台；步骤S2：在设定的装配精度下，通过所述凸台和凹台的阶梯式配合，将所述第一中子设备与所述第二中子设备进行准直安装。

本发明的有益效果在于，本发明的中子束线开关及其准直安装方法，利用法兰的凸凹的台阶式结构进行辅助准直定位，在不碰触导管内部涂层的前提下实现中子束线开关等中子设备和相邻中子导管的准直定位。利用较高的加工精度制造法兰的台阶结构，用来辅助进行中子束线开关和中子导管的准直安装，在尽量减小中子损失的前提下，实现中子设备的安装。主要就是利用凸台和凹台之间的较高的加工精度和装配精度来保证相邻中子导管之间的准直精度。通过该方法可以实现三节中子导管的连接，从而把三节中子导管看做一个整体，安装到预定的中子束线上。本发明借助目前可以达到的较高的加工和装配精度，代替准直精度达到易于准直安装的目的，在保证相邻中子导管之间的间距较小（10个毫米）的前提下实现中子导管的安装和准直定位，设计合理，易于实现。并且，在部分实施例中，可以实现相邻中子导管之间的间距小于0.5毫米。

附图说明

图1是本发明实施例的中子束线开关的剖视图。

图2是本发明实施例的中子束线开关的两侧中子导管的结构示意图。

图3是本发明实施例的中子束线开关的中间壳体和导管插件的主视结构示意图。

图4是本发明实施例的中子束线开关的中间壳体和导管插件的左视结构示意图。

图5是本发明另一个实施例中中子束线开关和相邻导管的主视图的剖视图。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的一些典型实施例将在后段的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，然其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及附图在本质上当作说明之用，而非用以限制本发明。

本发明实施例的中子束线开关，是在中子散射谱仪领域用来实现中子束线开和关切换的中子束线开关，本发明采用中子束线开关的广义定义，即中子束线开关包括两侧的中子导管在内；而本发明实施例的准直安装方法，则可用于本发明实施例的中子束线开关与相邻导管之间通过台阶式法兰进行连接，也可用于其它需要准直的两中子设备之间的连接。

本发明实施例的中子束线开关，优选的是第二中子束线开关，其导管插件可用本发明实施例的准直安装方法与相邻中子导管进行连接。

下面具体介绍本发明实施例的中子束线开关。

如图1所示，本发明实施例的中子束线开关包括中间壳体2、导管插件1、中子导管51和中子导管52。

中子导管51位于中间壳体2的左侧，而中子导管52位于中间壳体2的右侧，并与中间壳体2进行装配，中子导管51、52的壳体上分别设置有壳体法兰3。

中间壳体2位于整个中子束线开关的中间部位，导管插件1设置于中间壳体2内，导管插件1实质上也属于是一种中子导管，只是与中子导管51、52的安装位置不同，以及各自的外壳不同。

如图1所示，中间壳体2的底部有六维调整装置，以在发明实施例的中子束线开关在安装到中子束线之后，调整中间壳体2的高、低、左、右、前、后六个维度的位置。

而如图3所示，中子导管51、52的壳体上设置有左调节螺钉组6和右调节螺钉组7，可以对壳体内部的中子导管51、52进行调节和定位。同样，在中间壳体2上，也设置有可以对中间壳体2内部的导管插件1进行调节和定位的左调节螺钉组41和右调节螺钉组42。每个调节螺钉组有六枚螺钉，因此也可以称为“六点定位螺钉”，由于中子导管51、52的截面为长方形，且所述长方形的长边在图3的上下方向（图4的上下方向），而短边是在图3的纸面方向（图4中的左右方向），因此，每组调节螺钉，在每一长边设置两枚，在每一短边设置一枚。

而本发明实施例的中子束线开关，如图1所示，以左侧的中子导管51为例，中子导管51的壳体上设置有壳体法兰3，壳体法兰3为台阶式法兰，在壳体法兰3上有突出的凸台，而与壳体法兰3上的凸台相配合的，在中间壳体2与中子导管51的壳体的连接处，设置有和上述凸台相配合的凹台。

本发明实施例的中子束线开关，主要就是利用上述凸台和凹台之间的较高的加工精度和装配精度来保证相邻导管之间（中子导管51与导管插件1之间、导管插件1与中子导管52之间）的准直精度。通过该方法可以实现三节中子导管（导管插件1本身也是中子导管）的连接，从而把三节导管连接为一个整体，安装到预定的中子束线上。

如图5所示，本发明的另一个实施例的中子束线开关，可以实现相邻中子导管之间的间距小于0.5毫米。

对于旋转轴线垂直于中子束线方向的旋转式的中子设备来说，由于导管插件和旋转空间的需要，可以做到10mm的间隙。但是对于图5所示的另一种中子设备来说，中子导管27、28之间的间隙可以做到0.5mm。我们知道中子束线开关的导管插件26是在开和关之间切换的。也就是说导管插件26是运动的。如果导管插件26的运动方式是上下垂直运动，或者左右平动以及旋转轴线平行于中子束线的转动，则对于该类中子束线开关，由于运动平面和相邻的固定面之间是平行的，不会因为形状和运动而产生额外的间隙，因此不必为其运动预留间隙。同样采用前面提到的方法对束线开关和相邻的中子设备进行准直安装时。这样既可以保证较好的安装精度，又能做到导管插件和相邻中子设备之间的端面间隙足够小。

在该实施例中导管插件26是水平运动的，和第一类实施例具有相同的基本特征，包括：中间壳体25；设置于中间壳体25内的导管插件26；两中子导管27、28，分别连接于所述导管插件26的两端，中子导管27、28的壳体法兰29上加工有高精度的凸台，中间壳体25上与中子导管27、28的壳体的连接处，设置有和上述凸台相配合的凹台。每一段导管的两端都有六个螺钉进行调节定位。

两个实施例具有相同的基本特征，具体的准直方案和原则也是一样的。下面我们以图1-图4所示的实施例的中子束线开关为例进行详细的说明。

下面再以第一类中子束线开关为例介绍一下本发明实施例的准直安装方法。

在整体思路上，本发明适合私立的准直安装方法，对于两侧的中子导管51、52来讲，是以壳体法兰3上的凸台为基准，将导管插件1和壳体法兰3上的凸太同轴化；对于中间的导管插件1来说，以中间壳体2两侧的凹台面为基准，确定一条束线，然后，调节导管插件1，使导管插件1的中心轴线与这条束线重合，从而完成准直安装。

本方法中，主要是利用工具经纬仪和水准仪，对导管插件1两侧的中子导管51、52进行调节定位，以中子导管51与导管插件1的连接为例，具体步骤是：

1、如图4所示，利用工具经纬仪把中子导管51的左侧内边线12和右侧内边线13调成竖直，利用水准仪把中子导管51的上侧内边线14和下侧内边线15调成水平。

2、然后在用工具经纬仪和水准仪进行监测的情况下，用调节螺钉组6、7进行调节，使壳体法兰3的凸台的左侧边线8到中子导管51左侧内边线12的距离等于凸台的右侧边线9到中子导管51的右侧边内边线13的距离。使壳体法兰3的凸台的上侧边线10到中子导管51上侧内边线14的距离等于凸台的下侧边线11到中子导管51的下侧内边线15的距离。

另一侧的中子导管52的调节定位和上面的过程相同。这里不再赘述。

对于导管插件1的调节定位，如图3所示，过程大体相同，首先利用工具经纬仪把导管插件1的左侧内边线16和右侧内边线17调成竖直。利用水准仪把导管插件1的上侧内边线18和下侧内边线19调成水平，该过程用左调节螺钉组41和右调节螺钉组42进行调节。用左调节螺钉组41和右调节螺钉组42进行调节时，用工具经纬仪和水准仪进行监视和测量，做到：中间壳体1的凹台的左侧内面20到导管插件1的左侧内边线16的距离等于凹台的右侧边线21到导管插件1的右侧内边线17的距离。中间壳体1的凹台的上侧边线22到导管插件1的上侧内边线18的距离等于凹台的下侧边线23到导管插件1的右侧内边线19的距离。

在中子导管51、52的安装过程中，利用两侧中子导管51、52的壳体法兰3上的凸台和中间壳体2上的凹台进行配合安装。这样就能保证三节导管（中子导管51、52和导管插件1）有良好的对中度。在保证加工精度的前提下，可以达到要求的束线精度50个微米以下。如果提高加工精度可以做到更高。而相邻的两节导管之间，也即导管插件1和导管插件1之间、导管插件1和导管插件52之间只要保证适当的转动和安装空间即可，可以达到间距10个微米左右，大大减小了各中子导管之间的间隙。

上述是本发明实施例的准直安装方法的两个主要步骤的描述，下面再介绍本发明实施例的准直安装方法的整体流程。

在准直安装过程中，真正的中子导管51、52和导管插件1的内部是超镜涂层，是不允许触碰的，因此给准直安装带来一定难度。整个准直安装过程中，需要用到的设备包括激光追踪仪、四台工具经纬仪（记为B1、B2、B3、B4）和四台水准仪（记为S1、S2、S3、S4）。

第一个步骤：

在中间壳体2内安装导管插件1。将激光追踪仪的靶标座分别放于中子导管的壳体法兰3的凹台上，确定几何中心点A和相对于靶标座另一侧的几何中心点B。将A和B连成一条束线标记为中心束线，将中心束线调节成水平，并且将其标记到一竖直固定物，例如墙上，记为点C。用一台工具经纬仪B1，将其扫描束线对准点C，和中心束线重合。注意经纬仪距离束线开关的距离大约为5米。利用工具尺在束线开关的一侧（和经纬仪B1同侧）设置两台工具经纬仪B2、B3，经纬仪B3，B2位于B1的两侧，以对应于内尺寸为40×60mm的中子导管为例，经纬仪B3，B2到中心束线的距离相等为20mm。设置两台水准仪S1、S2。分别位于工具经纬仪B1扫描束线的上下两侧，以对应于内尺寸为40×60mm的中子导管为例，水准仪S1、S2到中心束线的距离分别是30mm。工具经纬仪B2、B3和水准仪S1、S2距离束线开关的距离也要适中，最好是5米以外。

在束线开关的另一侧，设置工具经纬仪B4，水准仪S3、S4。方法一样。工具经纬仪和水准仪距离束线开关的距离最好为2m左右。

第二个步骤：

调节中间壳体2内的导管插件1，让工具经纬仪和水准仪的扫描光束分别和相应的内侧面（上、下、左、右）重合，具体方法如前所述。

第三个步骤：

安装两侧的中子导管51、52：以一侧的中子导管51为例。将激光追踪仪的靶标座放置在中子导管壳体法兰的凸台上确定几何中心点D，调节底部的调节支架，使所述凸台端面水平和竖直，并且使几何中心点D通过工具经纬仪B1的扫描束线。中子导管51的一端已经设置好工具经纬仪和水准仪，在中子导管51的另一端，和导管插件1之间放置一台工具经纬仪和两台水准仪。原则和上面一样。工具经纬仪到中心束线的距离为20mm，水准仪是30mm。调节中子导管51的壳体上的左调节螺钉组6和右调节螺钉组7，使工具经纬仪和水准仪的扫描光束分别通过相应的中子导管51的各内侧面（上、下、左、右），具体的做法如前所述。

另一侧的中子导管52的安装方法与中子导管51的安装方法相同，工具经纬仪B1不动，其他的设备都要移动。

完成两侧的中子导管51、52的调节后，将工具经纬仪B2、B3和水准仪S1、S2，安装到中子导管51的上游。将工具经纬仪B4和水准仪S3、S4安装到中子导管52的下游。然后通过凸台和凹台的结构，将三段导管（中子导管51、导管插件1、中子导管52）组装到一起形成一个整体。在这个组装过程中，所有的经纬仪和水准仪起到监视的作用。

通过顶部的靶标座，利用激光追踪仪将包括相邻导管在内的整个设备准直到束线位置上，并且达到相应的精度。

在进行上述组装的同时，需对准直情况进行检测。且组装完成后，如果工具经纬仪和水准仪的扫描光束和相应的中子导管的内侧边线重合，则说明安装成功，否则，需重新安装。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，本领域技术人员应当意识到在不脱离本发明所附的权利要求所揭示的本发明的范围和精神的情况下所作的更动与润饰，均属本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中子束线开关，其特征在于，所述中子束线开关包括：

中间壳体；

设置于中间壳体内的导管插件；

两中子导管，分别连接于所述导管插件的两端，且所述中子导管的壳体具有壳体法兰，所述壳体法兰与所述中间壳体的其中之一上设置有凹台，其中另一上设置有凸台，所述凹台和所述凸台具有设定的加工精度，通过所述凹台与所述凸台的阶梯式配合以实现所述束线开关的准直安装。

2.如权利要求1所述的中子束线开关，其特征在于，所述壳体法兰上形成所述凸台，在所述中间壳体上形成所述凹台。

3.如权利要求2所述的中子束线开关，其特征在于，所述中子导管的壳体上设置有用以对所述中子导管进行调节和定位的左调节螺钉组和右调节螺钉组，每一所述调节螺钉组包括六枚调节螺钉；所述中子导管的壳体截面为具有一长边和一短边的矩形，每一所述长边上设置两枚所述调节螺钉，每一所述短边上设置一枚所述调节螺钉。

4.如权利要求3所述的中子束线开关，其特征在于，所述导管插件的运动方式是上下垂直运动、左右平动以及旋转轴线平行于中子束线的转动。

5.如权利要求2所述的中子束线开关，其特征在于，所述中间壳体上设置有用以对所述导管插件进行调节和定位的左调节螺钉组和右调节螺钉组。

6.一种准直安装方法，用于第一中子设备与第二中子设备之间的准直安装，其特征在于，所述准直安装方法包括：

步骤S1：以设定的加工精度在所述第一中子设备的壳体上加工凹台，在所述第二中子设备的壳体上加工凸台；

步骤S2：在设定的装配精度下，通过所述凸台和凹台的阶梯式配合，将所述第一中子设备与所述第二中子设备进行准直安装。

7.如权利要求6所述的准直安装方法，其特征在于，所述第一中子设备为中子束线开关的导管插件，所述第二中子设备为所述中子束线开关的中子导管。

8.如权利要求7所述的准直安装方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

步骤S21：在所述中子束线开关的中间壳体内安装导管插件；

步骤S22：对所述导管插件进行调节定位；

步骤S23：在所述导管插件的两侧先后准直安装所述中子导管。

9.如权利要求8所述的准直安装方法，其特征在于，所述步骤S22包括：

把所述导管插件的左侧内边线和右侧内边线调成竖直，把所述导管插件的上侧内边线和下侧内边线调成水平；

使所述凹台的左侧边线到所述导管插件的左侧内边线的距离等于所述凹台的右侧边线到所述导管插件的右侧内边线的距离，并使所述凹台的上侧边线到所述导管插件的上侧内边线的距离等于所述凹台下侧边线到所述导管插件的下侧内边线的距离。

10.如权利要求8所述的准直安装方法，其特征在于，所述步骤S23包括：

把所述中子导管的左侧内边线和右侧内边线调成竖直，把所述中子导管的上侧内边线和下侧内边线调成水平；

使所述凸台的左侧边线到所述中子导管的左侧内边线的距离等于所述凸台的右侧边线到所述中子导管的右侧内边线的距离，并使所述凸台的上侧边线到所述中子导管的上侧内边线的距离等于所述凸台下侧边线到所述中子导管的下侧内边线的距离。

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