CN105931694B - 一种高性能中子准直器及其组装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能中子准直器及其组装方法。本发明的中子准直器包括一个或若干密封连接的单体准直器，每一单体准直器包括一真空腔组件和位于该真空腔组件内的准直插件；其中，该准直插件包括一插件壳体，该插件壳体内设有多个阻挡块，该插件壳体内壁上相邻阻挡块之间设有屏蔽块；所述阻挡块的中心设有通孔，通孔的轴线与该插件壳体的轴线重合。与现有技术相比，本发明准直距离长、本底低，能显著地减少杂散/寄生散射中子从而降低本底、提高性能。

Description

一种高性能中子准直器及其组装方法

技术领域

本发明涉及一种中子准直器，尤其涉及一种机加工能够实现的高性能准直器及其组装方法，其特点是准直距离长、本底低；属于中子准直及屏蔽的结构设计领域。

背景技术

中子源出射的中子通过中子准直器实现准直效果，以约束中子沿预期方向的纵向与横向角度发散度从而形成中子束；同时作为最内层的束线部件，中子准直器需要屏蔽来自准直器外部的杂散中子，防止其进入中子束内影响束线质量。准直器对通过的中子兼具准直－控制中子束发散度和屏蔽－实现中子束内外隔绝的功能，是任何中子束工程和科研装置的核心部件。

一般直通型中子准直器，受自身结构影响其内壁会反射中子降低准直性能，并且准直距离较短，束发散度较大，且多为非真空状态下准直，性能相对较低，此外能够准直的中子束能量范围相对较窄。随着近年来国内外新一代研究用反应堆和强流质子加速器驱动脉冲中子源的设计建设与投入使用，一系列中子束装置对传统中子准直器提出了更高的物理要求和性能挑战。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高性能中子准直器及其组装方法。该准直器能够满足以上提到的相比传统准直器更高的物理需求和性能挑战。该结构可准直从中子源尤其是散裂中子源出射的中子，获得沿束方向(纵向)及横向具有预期截面形状的中子束；同时还能减少来自准直器以外散射过来的杂散中子，防止其进入准直束线内影响束线质量。该准直器不同于通常的直通型准直和刀片叠加组合式准直结构，而是通过内置非组合式单体碳化硼阻挡块和碳化硼吸收层；阻挡块+吸收层的墙垛形准直结构可阻挡内壁反射中子(反射中子总是存在，只是墙垛结构可以阻挡/吸收他们)，对本底/杂散中子的压制效果有显著提升；该准直器内部为真空环境，能显著地减少杂散/寄生散射中子从而降低本底、提高性能。碳化硼阻挡块相比常用的Cd能对更宽广范围的中子束实现准直，并且比Gd203成本要低；独特的单体碳化硼阻挡块，可实现预期形状(圆形或方形)的束流横截面，同时可避免一般准直器上刀片叠加-即阻挡块拼接-而产生的束流截面错位和偏差，实现更高的束线精度。通过真空环境下的碳化硼阻挡块和吸收层再结合特殊的整体总成结构，本发明能实现更好位置精度，获得更高的准直性能。该准直器能够实现单体长距离准直；并可通过独特的单体对接方式基本实现中子束(无损失)无干扰高效准直的长距离倍增。该准直器吸收材料外围结构独特(均要求避免准直器吸收材料外层金属对接处产生通长直缝，防止中子喷流效应影响束流质量)，准直腔的壳体采用特殊的交错拼接结构，避免对接处的通长直缝产生的直通道影响；同时相对容易保证制造和组装精度，避免采用整体机加工困难太大或采用焊接引起变形过大等不利影响，虽对机加工精度和组装质量要求稍高，但不难实现，完全可行可控。

本发明的技术方案为：

一种中子准直器，包括最外层的真空腔组件和内部的准直插件；准直插件由外层的插件壳体和内部的阻挡块、屏蔽块组成；阻挡块和屏蔽块相邻呈墙垛形布置。

进一步的，真空腔组件包括真空腔体、两端的真空束窗组件和抽真空管路(仅单体结构如此)。

进一步的，准直插件安装于真空腔组件内，间隙配合，与真空腔组件同轴。

进一步的，阻挡块和屏蔽块材料为碳化硼。

进一步的，阻挡块为方形平板，其中间设有带锥度的(防止中子全反射)通透的圆孔或方孔。平板用来阻挡、吸收束线；通孔用来约束束线截面。通孔尺寸按阻挡块所在位置的理想束线截面尺寸确定，并加一定的正公差，以允许孔心的横向位置误差。

进一步的，屏蔽块为外边方形，中间有通透方孔或圆孔的管状形式，可屏蔽或降低束线外散射，降低本底。

进一步的，相邻阻挡块的间距确定方法为：从中子源横截面的极限边界点向第一个阻挡块开孔的边缘上对应的极限边界点划线，即取与束线中心线夹角最大的那条线并做延长，至与屏蔽块的内壁相交，将第二个阻挡块布置在该交点的前方，以阻止来自慢化器并经过阻挡块开孔的束线与屏蔽块的内壁相交，避免发生二次散射。此法同时也确定了第一个阻挡块至第二个阻挡块之间的距离，也就是两个阻挡块之间的屏蔽块的长度。其余阻挡块间距及屏蔽块长度用同样方法按顺序确定。

进一步的，准直插件通过将插件壳体两端端头中的一端或两端均设置固定法兰，来实现其在真空腔组件内沿束线方向的限位与固定。

进一步的，准直插件内部沿束线方向为通透的中空环境。

进一步的，插件壳体在真空腔组件内横向位置调整通过真空腔组件两端四个内腔上布置的调节螺栓实现。

进一步的，插件壳体由四块单板相互间通过各自边缘上若干-凹凸结构交错对接组合而成。(交错式的对接面避免了沿准直器长度方向通长的对接直缝，不会引起中子喷流效应。)；或者也可以是由一个整体的U型结构(即壳体底板、壳体左侧板、壳体右侧板为一个整体)与顶板组合的形式，其中U型结构与顶板仍通过各自边缘上的凹凸结构交错对接。插件壳体外形可以是直通式或阶梯式。

进一步的，四块单板拼接的插件壳体的每个单板上均设计有限位凸起，单板组装时起到对配合面的限、定位功能；从组装后的横截面看这些限位凸起间的配合，成类似止口形式；U型结构+顶板组成的插件壳体则仅在U型结构的开口边缘与顶板朝向插件壳体内部的侧面上设置限位凸起即可，如图4所示。再通过紧固件紧固、销钉保证复位精度。(单板容易保证较高的加工精度，相应地通过单板上的限位台阶也容易保证插件壳体较高的组装精度。避免了长尺寸小截面的方形内腔加工难以实现或单板焊接成形引起的变形过大等问题。)

进一步的，插件壳体四块单板的两端为法兰，两端法兰为内嵌或部分内嵌至插件壳体内腔，可以通过加垫片或者最后加工一端法兰的内嵌深度来适应阻挡块和屏蔽块沿束线方向堆垛贴紧后的累加长度误差，保证两端法兰能有效夹紧阻挡块和屏蔽块。

单体准直器的组装过程为：

先将插件壳体的底板和两个侧板用螺栓初步定位，然后安装插件壳体顶板并用螺栓初步紧固；之后安装两端法兰；之后用卡子将上底板、下底板和左侧板、右侧板分别夹紧，使插件壳体内部各单板的限位凸起对接处均贴紧，然后将螺栓最终紧固；之后，加工定位销孔；最后配装定位销。插件壳体的组装完成。

准直插件组装前，先拆掉插件壳体顶板，即在插件壳体敞开内部完全可视的状态下(避免盲点，方便阻挡块定位和测量)，将阻挡块和屏蔽块按顺序从一端向另一端装入插件壳体空腔内，同时沿束线方向压紧贴实；阻挡块和屏蔽块的外形尺寸及配合精度一致，并且阻挡块内孔轴线相对外面都有位置度要求，通过机加工保证；阻挡块是中子准直核心元件，安装时只须检测阻挡块的轴线是否与插件壳体内腔轴线重合即可，可用准直仪器测量内孔中心位置或通过塞尺测量四边间隙来确定阻挡块内孔轴线与插件壳体轴线的位置偏差，再通过在阻挡块四周与插件壳体内腔的缝隙内塞入适当薄垫片，将二者中心调节至同轴精度内；屏蔽块无需单独再测量，仅大致按相邻阻挡块四周的填塞厚度，将缝隙填实即可；当最后一块阻挡块就位前，先拆掉附近的带内嵌法兰，然后将阻挡块放入，再从一侧推入带内嵌的法兰，测量确定最终需要的内嵌深度，之后一次机加工到位或者先前加工好较浅内嵌深度然后通过塞片填实来保证内嵌法兰与插件壳体贴实的同时也能压紧内部阻挡块和屏蔽块；然后安装插件壳体的壳体顶板，安装螺栓并初拧，之后安装定位销，最后拧紧螺栓。

组装好准直器插件后；将其放在支撑平台上，使准直插件的底面与提前固定好的准直真空腔体的内腔底面平齐，并将插件壳体侧面和真空腔体的内腔侧面沿束线方向对齐，然后将准直插件从小端法兰开始推入真空腔体内，准直插件壳体上大端法兰与真空腔体上的配合端面对接后，调节真空腔组件两端各内表面上的调节螺栓(这样，可适应真空腔体较大的轴线误差，降低加工制造难度)，使插件中心与真空腔体中心对齐，之后在插件大端法兰处安装连接螺栓并紧固，将准直插件与真空腔体沿束线方向固定；最后安装真空腔组件两端的真空束窗组件。

以上为单体准直器，为获得更长距离的准直，可将多段单体准直器通过对接的方法实现。具体技术方案为：

相邻的单体准直器通过波纹管密封连接，使两者内部真空环境联通，实现位置可调的柔性真空对接。

进一步的，在对接处将其中一个单体准直器的内部准直插件加长，使其端头延伸至其真空腔组件对接法兰以外，至相邻欲对接的另一单体准直器内部的准直插件的法兰处，两个准直插件端头间仅预留一定间隙即可。这样束线仅在对接缝隙(预留间隙)+两端对接端法兰厚度的长度内屏蔽块不连续，由于该段长度可以做到很小，屏蔽块对外围散射本底的压制效果基本不受影响，故能显著降低甚至可避免对接处本底的增加。

进一步的，多段单体准直器进行对接时可在多段对接的单体准直器全长的两端设置束窗，也可以和其它真空装置共用真空环境，取消相应的束窗，相应地也可以取消真空抽气口，通过其它装置的抽真空管路抽真空。

多段单体准直器对接的组装步骤为：

先将准直插件完全在真空腔组件长度范围内(未延伸)的单体准直器定位、安装在指定位置；然后将对接波纹管法兰组件安装在另一准直插件延伸出真空腔组件外的单体准直器上；之后使波纹管法兰组件处于临时压缩状态，再将装有波纹管法兰组件的单体准直器整体进行定位，即与先前定位的预对接单体准直器沿束线纵向和横向对齐，并在两准直插件纵向对接处预留适当间隙，确认安装位置精度；之后将压缩波纹管法兰的一端(自由端)释放，使其与最先定位的单体准直器真空腔组件的对接端面贴实，之后对齐螺栓孔位、安装螺栓并拧紧。完成两段单体准直器的对接与组装。两段以上的单体准直器的组装，可通过增加单体准直器并重复此方法实现。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以实现对更广范围中子实现高性能准直，而且可实现长距离准直。本发明准直精度高、效果好，并且机械加工易于实现，尤其在准直器较长而横截面尺寸较小情况下，束线精度及加工制造方面的优势更明显。

本发明中的插件结构亦可应用在中子准直器以外领域。当需要制造整体精度要求高的方形或矩形内腔结构，尤其是在内腔横向截面尺寸较小、纵向尺寸较长，直接加工难以实现的情况下，可采用本发明的插件结构。

附图说明

图1为高性能中子准直器示意图。

(a)为中子准直器整体结构示意图，(b)为插件壳体侧视图，(c)为(b)沿A-A截面图，(d)为(b)沿B-B截面图，

其中：1-真空腔组件、11-真空腔体、12-真空束窗组件、13-调节螺栓、14-真空抽气孔、2-准直插件、21-插件壳体组件、211-壳体底板、212-壳体左侧板、213-壳体右侧板、214-壳体顶板、22-碳化硼阻挡块、23-碳化硼屏蔽块。

图2为高性能中子准直器准直插件壳体结构示意图。

(a)阶梯式插件壳体，(b)平直式插件壳体；

其中：211-壳体底板、212-壳体左侧板、213-壳体右侧板、214-壳体顶板、215-壳体大端法兰、216-壳体小端法兰、其余未注编号为螺钉和定位销等。

图3为对接长距离高能性能中子准直器示意图。

其中：3-上游单体准直器、31-真空束窗组件、4-下游单体准直器、41-真空束窗组件、5-对接波纹管法兰组件、51-波纹管、52-对接法兰。

图4为U型结构+顶板组成的插件壳体结构示意图。

图5为通过两个整体加工的L型结构组成的插件壳体结构示意图。

具体实施方式

附图1为高性能准直器示意图。以此为实施例进一步说明本发明的具体实施方式。

首先完成准直插件2的组装：先将插件壳体组件21的壳体顶板和壳体大端法兰拆除，然后从壳体小端法兰一侧开始按顺序逐个安装阻挡块和屏蔽块，然后安装插件壳体大端法兰和壳体顶板，之后安装螺钉(初拧)和定位销以精确复位单板间相对位置，最后将所有螺钉紧固好。

将组装好的准直插件2，从一端推入真空腔组件1的内腔，至准直插件一端的固定法兰与真空腔体的内嵌端面对齐，然后调节真空腔组件1两端的调节螺栓使准直插件2的轴线与真空腔组件1的轴线重合，之后在准直插件2的壳体大端法兰上安装螺栓并拧紧，使准直插件与真空腔体沿束线方向固定；之后安装真空腔组件两端的真空密封束窗组件。

附图2为高性能中子准直器准直插件壳体结构示意图。下面进一步说明本发明对此例的具体实施方式。

如图2(b)所示为平直式的准直插件壳体。由上下左右四个通过机加工保证精度的单板组合而成，各单板侧边做成类似榫卯式的凹凸交错形，一方面，也是最主要的作用，避免了在准直器全长方向产生的通长对接直缝，防止中子喷流效应影响本底增加，另一方面，也起到一定的辅助限、定位作用；另外，两侧板、底板和顶板上均设计有限位凸起，主要起到组装配合时的限、定位作用，以保证准直插件壳体组装后整体形位公差满足精度要求，另一方面也可明显减少交错台阶数量，减少加工量；如图1(c)，插件壳体中两对相对单板中的一对单板(即图中顶板和底板)，在朝向插件壳体内部的侧面上具有限位凸起，如图1(d)，另一对单板(即图中两侧板)侧边上的凸起结构的厚度小于其所在单板厚度，使该凸起结构与单板之间形成一用于对另一对单板(即图中顶板和底板)的限位凸起(即如图2(b)中的局部结构放大图)。另外，如单体准直器结构过长，也可将准直插件壳体做成阶梯式，如图2(a)所示，避免插件壳体与准直器真空腔体组件之间产生较长的通长直缝。

附图3为对接高能性能中子准直器示意图。下面进一步说明本发明对此例的具体实施方式。

首先将上游单体准直器3安装在指定位置，之后将对接波纹管法兰组件5安装在下游单体准直器4上，之后将临时保持压缩状态的对接波纹管法兰组件5和下游单体准直器4一起安装到与上游单体准直器3相邻的预期位置上，确认对接间隙，之后调整并确认上游单体准直器3与下游单体准直器4的轴线对齐，之后将压缩的对接波纹管法兰组件5释放并与上游单体准直器3的真空壳体下游法兰对接面贴实，对齐法兰孔位、安装螺栓并拧紧。完成两段单体准直器的对接。

如图4所示，插件壳体也可以通过一整体加工的U型结构和顶板构成，U型结构的开口边与顶板侧边在沿束线方向具有若干凹凸结构，开口边与顶板侧边通过相互交错匹配的凹凸结构对接。

如图5所示，插件壳体还可以通过两个整体加工的L型结构构成，两L型结构对接的两个侧边在沿束线方向具有若干凹凸结构，两L型结构通过相互交错匹配的凹凸结构对接。

Claims (9)

1.一种高性能中子准直器，其特征在于，包括若干密封连接的单体准直器，每一单体准直器包括一真空腔组件和位于该真空腔组件内的准直插件；其中，该准直插件包括一插件壳体，该插件壳体内设有多个阻挡块，相邻阻挡块之间设有屏蔽块；所述阻挡块的中心设有通孔，通孔的轴线与该插件壳体的轴线重合；相邻阻挡块的间距为：从中子源横截面的极限边界点向第i个阻挡块开孔的边缘上对应的极限边界点划线，将与束线中心线夹角最大的划线延长至与屏蔽块的内壁相交，将第i+1个阻挡块布置在该交点的前方；相邻单体准直器通过波纹管法兰组件密封连接，内部真空环境联通，并且波纹管法兰区域通过单体准直器中的准直插件延伸出其真空腔以外至相邻另一单体准直器的准直插件端面附近。

2.如权利要求 1所述的中子准直器，其特征在于，所述插件壳体包括四块单板，每一所述单板沿束线方向的侧边上均具有若干凹凸结构，单板之间通过相互交错匹配的凹凸结构对接。

3.如权利要求2所述的中子准直器，其特征在于，所述插件壳体中两对相对单板中的一对单板，在朝向插件壳体内部的侧面上具有限位凸起，另一对单板侧边上的凸起结构的厚度小于其所在单板厚度，使该凸起结构与单板之间形成一用于对另一对单板的限位凸起。

4.如权利要求 1所述的中子准直器，其特征在于，所述插件壳体包括一整体加工的U型结构和顶板，U型结构的开口边与顶板侧边在沿束线方向具有若干凹凸结构，开口边与顶板侧边通过相互交错匹配的凹凸结构对接。

5.如权利要求 1所述的中子准直器，其特征在于，所述插件壳体包括两个通过整体加工的L型结构，两L型结构对接的两个侧边在沿束线方向具有若干凹凸结构，两L型结构通过相互交错匹配的凹凸结构对接。

6.如权利要求1-5任一所述的中子准直器，其特征在于，所述阻挡块为方形平板，其中间设有带有锥度的圆孔或方孔。

7.如权利要求1-5任一所述的中子准直器，其特征在于，所述屏蔽块为中空管状。

8.如权利要求1所述的中子准直器，其特征在于，所述插件壳体为阶梯式或平直式的插件壳体，相应地真空腔体内腔为阶梯式或平直式空腔；所述真空腔组件两端设有真空束窗组件，分别与真空腔体的两个端面密封连接。

9.一种高性能中子准直器组装方法，其步骤为：

1)首先组装若干单体准直器：11)先将插件壳体的底板和两侧板进行初步定位，然后安装插件壳体的顶板并初步紧固；然后在底板、侧板两端安装法兰，之后将底板、顶板和两侧板分别紧固，完成插件壳体的组装；12)拆掉插件壳体的顶板，将阻挡块和屏蔽块按顺序装入插件壳体空腔内，并沿束线方向压紧密，其中，所述阻挡块的中心设有通孔，通孔的轴线与该插件壳体的轴线重合；在最后一块阻挡块就位前，先拆掉临近的壳体法兰，然后将最后一块阻挡块放入，之后重新推入临近的壳体法兰并安装插件壳体的顶板，完成准直插件的组装；13)将准直插件置于支撑平台上，使插件壳体的底面与真空腔体的内腔底面平齐，插件壳体侧面和真空腔体内腔侧面沿束线方向对齐，然后将准直插件推入真空腔体内；当插件壳体法兰与真空腔体上的配合端面对接后调节真空腔组件两端的调节螺栓，使插件中心与真空腔体中心对齐，之后在插件壳体法兰上安装连接螺栓并紧固，将准直插件与真空腔体沿束线方向固定；最后安装真空腔组件两端的真空束窗组件，得到该单体准直器；相邻阻挡块的间距为：从中子源横截面的极限边界点向第i个阻挡块开孔的边缘上对应的极限边界点划线，将与束线中心线夹角最大的划线延长至与屏蔽块的内壁相交，将第i+1个阻挡块布置在该交点的前方；

2)将相邻单体准直器通过波纹管法兰组件密封连接，内部真空环境联通，并且波纹管法兰区域通过单体准直器中的准直插件延伸出其真空腔以外至相邻另一单体准直器的准直插件端面附近。