CN107564599A - 一种具有伽马射线防护功能的驱动装置及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有伽马射线防护功能的驱动装置及机器人，包括驱动机构、驱动机构的末端负载以及用于控制驱动机构的电器组件，所述驱动装置包括用于放置电器组件的伽马射线防护结构，该伽马射线防护结构包括内置空腔的防护壳、置于防护壳上端用于支撑驱动机构的防护壳端盖，所述防护壳端盖与防护壳顶端之间设置有可拆卸的端口密封结构。本发明通过将电器元件放置在具有伽马射线防护效果的防护结构中，并且设计成可拆卸的端口密封结构，既有效提高了电子器件的辐照稳定性，又能够方便拆卸。

Description

一种具有伽马射线防护功能的驱动装置及机器人

技术领域

本发明涉及核防护技术领域，具体涉及一种具有伽马射线防护功能的驱动装置及机器人。

背景技术

目前，由于世界范围内核事故发生时应急救援设备较匮乏与落后，因此急需研发核辐射环境下能正常工作的机器人化装备，而且核环境机器人还可以对核实施进行日常监测与维护，及时发现并更换老化、故障设备，并对废弃核装置进行去污和拆卸等工作。但是在核辐射环境中的机器人需要耐辐射，耐高温，可连续执行高强度任务，使得核工业用机器人面临许多技术挑战，其中核辐射防护是最关键的技术之一。事实上，随着核工业的诞生，世界各国就开始了对核用机器人的研究。上世纪40年代，美国阿贡实验室就研制出一台可操作放射性物质的机械手。自上世纪80年代以来，包括美、法、德在内的一些国家纷纷加大核电机器人的开发力度。随着我国核工业的发展，无论是核电企业还是大科学装置都对核机器人有着迫切的需求。例如，我国的核聚变大科学装置EAST计划采用遥操作机器人对聚变装置进行监测和维护，未来的ADS反应堆中的换料机器人系统则是系统的核心部件，以上的机器人系统目前都已经研制出了原理样机，而这些原理样机都只是测试了其操作功能，由于核防护技术的缺乏，目前设计中都未考虑γ射线防护问题；在ITER重大专项计划中所设置的八个遥操作机器人系统中，核防护与探测依然是有待解决的关键技术问题，急需开展相关研究基础工作，解决其辐射防护关键技术，突破其技术瓶颈。

一般情况下核环境中的辐射主要有α辐射、β辐射、γ辐射以及X射线等，其中α射线一般是由原子序数较大的放射性核素在衰变过程中所产生的，质量较大，在空气中的穿透性很差，空气中射程只有几厘米，一张纸或健康的皮肤就可以抵挡。β射线是由高速运动的电子所组成的带有负电的电子流，速度非常快，可以达到光速的99％，其穿透能力虽然强于α射线，但是通常情况下一张几毫米厚的铝箔完全阻挡。γ辐射则是由放射性同位素在原子核能级跃迁过程中所释放出的射线，本质上是一种高能电磁波，其穿透性非常强，且能量极高。γ射线相对于其它种类射线，危害性最大，屏蔽吸收难度也最大。X射线是原子中电子在能量能级跃迁时所产生的粒子流，具有穿透作用和电离作用，常用铅板和混凝土材料对X射线进行屏蔽。因此可以得出γ辐射穿透力最强，防护最难，对电子设备的损害也最大。

目前防护主要是被动防护，即采用屏蔽材料对γ辐射进行屏蔽，核机器人的辐照稳定性严重不足，特别是对于放射性最为脆弱的电子器件的辐照稳定性需要进一步提高。

发明内容

针对放射性最为脆弱的电子器件，解决其γ射线的防护问题，本发明提供一种具有伽马射线防护功能的驱动装置，实现核辐射环境下驱动设备能正常工作的目标。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种具有伽马射线防护功能的驱动装置，包括驱动机构、驱动机构的末端负载以及用于控制驱动机构的电器组件，所述驱动装置包括用于放置电器组件的伽马射线防护结构，该伽马射线防护结构包括内置空腔的防护壳、置于防护壳上端用于支撑驱动机构的防护壳端盖，所述防护壳端盖与防护壳顶端之间设置有可拆卸的端口密封结构。

进一步地，所述端口密封结构包括设置在防护壳顶端并沿其边缘布置成环形的至少一圈凸台，以及开设在防护壳端盖上的至少一圈凹槽，该凹槽与凸台紧密间隙配合。

进一步地，所述防护壳的壳壁采用多层层状结构，在成本允许的条件下，多层层状结构由外到内依次采用316L钢屏蔽层、钨镍合金屏蔽层、铍青铜屏蔽层。

一种在高强度γ射线辐射条件下工作的机器人，使用本发明的驱动装置。

由以上技术方案可知，本发明通过将电器元件放置在具有伽马射线防护效果的防护结构中，并且设计成可拆卸的端口密封结构，既有效提高了电子器件的辐照稳定性，又能够方便拆卸。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中防护壳端盖与防护壳通过端口密封结构安装的示意图；

图3为本发明中驱动机构的结构示意图；

图4为本发明中防护壳壳壁的层状示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

如图1所示，所述驱动装置包括驱动机构10、驱动机构的末端负载20以及用于控制驱动机构的电器组件，该电器组件放置在伽马射线防护结构30中，从而获得较高的辐照稳定性。

如图3所示，所述驱动机构10包括防辐射电机11、防辐射减速器12、电机固定支座13以及减速器固定支座14，其中电机固定支座、减速器固定支座底端固定在伽马射线防护结构上，其上端分别通过螺钉与防辐射电机、防辐射减速器连接。

所述伽马射线防护结构30包括内置空腔311的防护壳31、置于防护壳上端用于支撑驱动机构的防护壳端盖32，所述防护壳端盖与防护壳顶端之间设置有可拆卸的端口密封结构40。所述电器组件放置在防护壳内的空腔311中，通过设置在防护壳壳壁上的防辐射法兰连接器33与外界连接。

如图2所示，所述端口密封结构40包括设置在防护壳顶端并沿其边缘布置成环形的一圈凸台41，以及开设在防护壳端盖上的一圈凹槽42，该凹槽与凸台紧密间隙配合，封闭防护壳，防止伽马射线通过结构缝隙射入空腔内。凸台与凹槽可以设置成多圈，进行多层防护。凸台和凹槽的形状根据防护壳和防护壳端盖的形状来设计，本实施例中，防护壳和防护壳端盖均采用方形结构，其对应的凸台和凹槽也是采用方形结构。

所述防护壳31的壳壁可以只采用一种防辐射材料，如45#钢，其厚度通过公式I＝I₀e^-μx计算，其中I₀为起始射线照射量率，I为通过吸收物质厚度为x后的射线照射量率，μ为衰减系数，45#钢的衰减系数大小为μ＝0.573/cm，伽马射线辐射环境为1000Gy/h，以装置理论运行24h后的接受挤量，并综合考虑装置的质量、体积而得到的防护层厚度。选取45#钢为核环境装置的防护材料是根据不同材料在伽马射线下的衰减系数测量结果，综合考虑不同材料的室温力学特性、安全性、稳定性及加工难度等做出的选择。

如图4所示，在成本允许的条件下，所述防护壳31的壳壁还可以采用多层层状结构，包括由外至内依次设置的316L钢屏蔽层、钨镍合金屏蔽层、铍青铜屏蔽层。316L钢具有较强的耐腐蚀性，其对γ射线的衰减系数为0.6632/cm，屏蔽效果优于45#钢，但成本亦高于45#钢；铅是对于γ射线屏蔽效果最好的材料，但铅硬度较低且有毒，不适合作为箱体结构的屏蔽材料，而钨虽然价格高于铅，但钨材料无毒，对γ射线的衰减系数高于铅，达到同样的衰减效果，钨所需要的厚度更薄，由于高纯度的钨质地柔弱，本专利采用钨镍合金作为屏蔽材料，其对γ射线的衰减系数为1.672/cm；铍青铜具有良好的热传递性和延展性，其对γ射线的衰减系数为0.672/cm，屏蔽效果优于45#钢，但价格也高于45#钢。假设防护壳壳壁采用多层层状结构由外到内各材料的厚度依次为X₁、X₂、X₃，则与45#钢对γ射线达到同样的屏蔽效果存在以下关系：0.6632X₁+1.672X₂+0.672X₃＝6.303,综合考虑整体结构的成本与质量，对屏蔽材料的厚度进行选择。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.一种具有伽马射线防护功能的驱动装置，包括驱动机构、驱动机构的末端负载以及用于控制驱动机构的电器组件，其特征在于，所述驱动装置包括用于放置电器组件的伽马射线防护结构，该伽马射线防护结构包括内置空腔的防护壳、置于防护壳上端用于支撑驱动机构的防护壳端盖，所述防护壳端盖与防护壳顶端之间设置有可拆卸的端口密封结构。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于，所述端口密封结构包括设置在防护壳顶端并沿其边缘布置成环形的至少一圈凸台，以及开设在防护壳端盖上的至少一圈凹槽，该凹槽与凸台紧密间隙配合。

3.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，所述防护壳的壳壁采用多层层状结构，由外到内依次为316L钢屏蔽层、钨镍合金屏蔽层、铍青铜屏蔽层。

4.根据权利要求1或2所述的驱动装置，其特征在于，所述防护壳的壳壁上贯穿固定连接有防辐射法兰连接器。

5.一种机器人，其特征在于，使用根据权利要求1所述的驱动装置。