CN112927835A - 单能中子选择器及其控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及单能中子选择器技术领域，尤其涉及单能中子选择器及其控制系统，其包括壳体、狭缝包、真空密封腔体和旋转电机部件，旋转电机部件包括外套、电力驱动组件、主轴、端部气浮轴承座、端部止推板，主轴经气浮轴承组件支撑可转动的设置于外套内；所述狭缝包包括两个成型夹板和位于两个成型夹板之间的通道层和吸收层，电力驱动组件包括相互配合的定子和转子；本发明的单能中子选择器及其控制系统，主轴经气浮轴承组件支撑可转动的设置于外套内内，端向气孔和径向气孔分别沿轴向和径向主轴提供气压产生作用力，使得主轴在轴向、径向均以非接触的方式限位和支撑，便于主轴提高转速，本发明的单能中子选择器，最高转速可达36000rpm。
Description
技术领域
本发明涉及单能中子选择器技术领域，尤其涉及单能中子选择器及其控制系统。
背景技术
单能中子选择器是一种用于选择指定能量的中子束流的装置。其一般包括转动体和壳体，为保障波长符合要求的中子能够被选出，转动体的高速运转、连续稳定工作和转速精确控制是其性能得以保障的前提。目前的单能中子选择器基于自身结构设计限制，其最高转速受限，一般只能达到400Hz，无法满足高能量范围的中子的选择需求。且现有的狭缝包也无法适应较高转速。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足提供单能中子选择器及其控制系统，可解决上问题。
为实现上述目的，本发明的单能中子选择器，包括壳体、狭缝包、真空密封腔体和旋转电机部件，真空密封腔体位于壳体的端部，旋转电机部件包括：外套，外套位于壳体的内部，所述外套内部设置有挡环部，挡环部将外套的内部分成第一腔和第二腔；第一腔内安装有气浮轴承组件，气浮轴承组件包括同轴布置的过渡套和气浮轴承套，气浮轴承套的外壁设置有多个间隔设置的导通环槽，导通环槽的槽底设置有径向贯穿的径向气孔，外套还设置有与导通环槽导通的气路结构；电力驱动组件，电力驱动组件包括相互配合的定子和转子，转子安装于主轴，定子安装于第二腔内；主轴，主轴经气浮轴承组件支撑可转动的设置于外套内；主轴设置有端面环部，气浮轴承组件位于端面环部和挡环部之间，气浮轴承套的靠近端面环部的端部设置有端向气孔，端向气孔与导通环槽导通；端部气浮轴承座，端部气浮轴承座位于外套远离端面环部的一端，端部气浮轴承座内部设置有气浮轴承组件，主轴的一端位于气浮轴承组件内部；端部止推板，端部止推板安装于主轴的一端且位于端部气浮轴承座的内部，气浮轴承组件靠近端部止推板的端部设置有端向气孔；所述狭缝包包括两个成型夹板和位于两个成型夹板之间的通道层和吸收层，所述吸收层由可吸收中子的材料制成，通道层由可透过中子的材料制成，两个成型夹板将多个交替层叠的通道层和吸收层对压连接；主轴的另一端设置有容置位，容置位位于真空密封腔体内部，狭缝包安装于容置位内部。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述旋转电机部件还包括固定环和用于密封所述第一腔的两个半密封环，固定环安装于外套的另一端，两个半密封环安装于固定环，半密封环设置有安装外环部和密封内环部，安装外环部位于密封内环部的外缘，密封内环部的表面设置有多个密封环槽；主轴设置有密封容置槽，密封内环部位于密封容置槽内，两个半密封环以拼成圆环的方式布置密封容置槽。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述密封内环部的内壁面设置有密封环槽；所述密封环槽内设置有密封圈。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述端面环部布置于固定环的内部，固定环的内壁设置有密封环槽。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述端面环部的靠近气浮轴承套的根部设置有气浮环槽；所述过渡套的外壁设置有多个密封环槽，密封环槽内设置有密封圈。
进一步的，本发明的单能中子选择器，还包括端面喷嘴和径向喷嘴，端面喷嘴和径向喷嘴分别位于所述端向气孔和径向气孔内部。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述通道层和吸收层为平面结构或弧面结构；所述通道层为6061或7075高强度铝合金片材或单晶硅片材中的任一种；所述吸收层为10B-环氧胶膜、10B/Gd/Gd2O3制成的薄膜、富集10B的硼铝合金薄片、铝基碳化硼片、Gd-20Zr合金箔材或钆合金箔材中的任一种；所述吸收层为通过溅射镀膜、环氧胶粘接或叠放的形式将吸收材料均匀的附着在通道层上形成的层状结构。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述真空密封腔体的前后两侧对应的各设置有一个中子束窗，中子束窗内设置有铝窗框，铝窗框内设置有铝膜；所述铝膜的厚度为0.3-0.6mm。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述真空密封腔体为超硬铝合金材质。
本发明的单能中子选择器控制系统，使用本发明的单能中子选择器，还包括控制器和电机控制模块、振动监控模块、气浮轴承控制模块、温度控制模块、真空度控制模块；电机控制模块包括加速度传感器，且与电力驱动组件电连接，用于控制主轴的转速；振动监控模块包括振动传感器，用于监控旋转电机部件的振动；气浮轴承控制模块用于控制径向气孔和端向气孔内的气压；温度控制模块用于控制旋转电机部件的温度，包括温度传感器和冷却水循环控制系统。
本发明的有益效果：本发明的单能中子选择器及其控制系统，主轴经气浮轴承组件支撑可转动的设置于外套内内，端向气孔和径向气孔分别沿轴向和径向主轴提供气压产生作用力，使得主轴在轴向、径向均以非接触的方式限位和支撑，便于主轴提高转速，使用本发明的单能中子选择器，最高转速可达36000rpm。使用本发明的单能中子选择器，可以从具有一定能量分布的中子束中选择具有特定能量/速度的中子，将连续的中子束转换为一个脉冲序列，并动态地调整单色中子的能量和分辨率。本发明的单能中子选择器采用真空差分方法实现从高压强到低压强大范围内真空过渡，将有高压气体的气浮轴承组件和真空腔室隔绝开来，以解决该矛盾。
附图说明
图1为本发明的本发明的单能中子选择器的立体结构示意图。
图2为本发明的旋转电机部件的立体剖视结构示意图。
图3为本发明的图2中A处的局部放大结构示意图。
图4为本发明的图2中B处的局部放大结构示意图。
图5为本发明的单能中子选择器狭缝包的结构示意图。
图6为本发明的通道层、吸收层为弧形结构的立体结构示意图。
附图标记包括：
0—旋转电机部件
1—外套 11—挡环部
2—气浮轴承组件 21—过渡套 22—气浮轴承套
221—导通环槽 222—径向气孔 223—端向气孔
23—端面喷嘴 24—径向喷嘴
3—端部止推板
4—固定环
5—半密封环
51—安装外环部 52—密封内环部
6—主轴
61—气浮环槽 62—端面环部 63—容置位
7—端部气浮轴承座。
8—狭缝包
81—成型夹板 82—通道层 83—吸收层
9—壳体
91—真空密封腔体 92—铝窗框 93—铝膜。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行详细的描述。
如图1-4所示，本发明的单能中子选择器，包括壳体9、狭缝包8、真空密封腔体91和旋转电机部件0，真空密封腔体91位于壳体9的端部，旋转电机部件0包括：外套1，外套1位于壳体9的内部，所述外套1内部设置有挡环部11，挡环部11将外套1的内部分成第一腔和第二腔；第一腔内安装有气浮轴承组件2，气浮轴承组件2包括同轴布置的过渡套21和气浮轴承套22，气浮轴承套22的外壁设置有多个间隔设置的导通环槽221，导通环槽221的槽底设置有径向贯穿的径向气孔222，外套1还设置有与导通环槽221导通的气路结构；电力驱动组件，电力驱动组件包括相互配合的定子和转子，转子安装于主轴6，定子安装于第二腔内；主轴6，主轴6经气浮轴承组件2支撑可转动的设置于外套1内；主轴6设置有端面环部62，气浮轴承组件2位于端面环部62和挡环部11之间，气浮轴承套22的靠近端面环部62的端部设置有端向气孔223，端向气孔223与导通环槽221导通；端部气浮轴承座7，端部气浮轴承座7位于外套1远离端面环部62的一端，端部气浮轴承座7内部设置有气浮轴承组件2，主轴6的一端位于气浮轴承组件2内部；端部止推板3，端部止推板3安装于主轴6的一端且位于端部气浮轴承座7的内部，气浮轴承组件2靠近端部止推板3的端部设置有端向气孔223。本发明的单能中子选择器，主轴6经气浮轴承组件2支撑可转动的设置于外套内1内，端向气孔223和径向气孔222分别沿轴向和径向主轴6提供气压产生作用力，使得主轴6在轴向、径向均以非接触的方式限位和支撑，便于主轴6提高转速，使用本发明的单能中子选择器，最高转速可达36000rpm。使用本发明的单能中子选择器，可以从具有一定能量分布的中子束中选择具有特定能量/速度的中子，将连续的中子束转换为一个脉冲序列，并动态地调整单色中子的能量和分辨率。
本发明的单能中子选择器，可在5000h不停机工作，具备从25Hz开始，成倍数增加转速，并能控制其保持某一倍数转速的功能，最高转速为600Hz。
如图5所示，所述狭缝包8包括两个成型夹板81和位于两个成型夹板81之间的通道层82和吸收层83，所述吸收层83由可吸收中子的材料制成，通道层82由可透过中子的材料制成，两个成型夹板81将多个交替层叠的通道层82和吸收层83对压连接；多个通道层82和吸收层83交替层叠粘接；主轴6的另一端设置有容置位63，容置位63位于真空密封腔体91内部，狭缝包8安装于容置位63内部。本发明的单能中子选择器狭缝包8，强度高、结构稳定，可高速旋转且使得中子具有良好的通过性。两个成型夹板81作为狭缝包8的骨架主要起支撑作用，并要求具有很小的中子反应截面，以尽量减小中子束流流经的损耗。通道层82和吸收层83通过物理形式粘接在一起，然后从径向塞入容置位63，用螺栓固定，中子束流从中子束窗透过铝膜93射向狭缝包8，狭缝包8在电机的带动下旋转，旋转过程中通道层82和吸收层83叠成的多个狭缝在正对束流的方向上打开很短的时间，中子只能在开口时间内经通道层82穿过，其余波长的中子将被狭缝包8中的吸收材料阻挡吸收，经通道层82穿过的中子从另一个中子束窗穿过，实现对中子的选择。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述旋转电机部件0还包括固定环4和用于密封所述第一腔的两个半密封环5，固定环4安装于外套1的另一端，两个半密封环5安装于固定环4，半密封环5设置有安装外环部51和密封内环部52，安装外环部51位于密封内环部52的外缘，密封内环部52的表面设置有多个密封环槽；主轴6设置有密封容置槽，密封内环部52位于密封容置槽内，两个半密封环5以拼成圆环的方式布置密封容置槽。两个半密封环5便于拆装于密封容置槽内形成密封结构，使得主轴6的另一端所处的真空环境与第一腔所处的高压环境隔绝，隔绝效果好，使得气浮轴承组件2的端向气孔223和径向气孔222的气压可达10Pa，同时保障其具有较高的回转精度。同时设置有气路系统，气路系统具有稳压、断电断气保护功能。
单能中子选择器主轴转速高，且需要长期稳定工作，本发明提供的气浮轴承支撑系统，具有运动误差小、转矩脉动小，可以减少抖动和磨损、超高回转精度等特点。气浮轴承部分需要高压气体，但转动体又要求在真空中运行，与其矛盾，本发明的非接触真空动密封结构采用真空差分方法实现从高压强到低压强大范围内真空过渡，将有高压气体的气浮轴承组件和真空腔室隔绝开来，可为两个不同的真空区域之间建立稳定可靠的压强差，有效地保证电机主轴在旋转驱动真空腔内的转动体时，不影响真空腔的密封效果及真空度。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述密封内环部52的内壁面设置有密封环槽；所述密封环槽内设置有密封圈。所述端面环部62布置于固定环4的内部，固定环4的内壁设置有密封环槽。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述端面环部62的靠近气浮轴承套22的根部设置有气浮环槽61；所述过渡套21的外壁设置有多个密封环槽，密封环槽内设置有密封圈。气浮环槽61可通入高压气体，使得主轴6产生位于轴向和径向之间的方向的作用力，在主轴6和气浮轴承组件2在相对转动时，产生的支持力更加均匀，进一步提高了气浮轴承组件2和主轴6的回转精度和稳定性。
进一步的，本发明的单能中子选择器，还包括端面喷嘴23和径向喷嘴24，端面喷嘴23和径向喷嘴24分别位于所述端向气孔223和径向气孔222内部。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述通道层82和吸收层83为平面结构或弧面结构；所述通道层82为6061或7075高强度铝合金片材、单晶硅片材中的任一种；所述吸收层83为10B-环氧胶膜、10B/Gd/Gd2O3制成的薄膜、富集10B的硼铝合金薄片、铝基碳化硼片、Gd-20Zr合金箔材或钆合金箔材中的任一种；所述吸收层83为通过溅射镀膜、环氧胶粘接或叠放的形式将吸收材料均匀的附着在通道层82上形成的层状结构。本发明的单能中子选择器狭缝包8，进一步提高了强度和结构稳定性，可高速旋转且使得中子具有良好的通过性。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述真空密封腔体91的前后两侧对应的各设置有一个中子束窗，中子束窗内设置有铝窗框92，铝窗框92内设置有铝膜93；所述铝膜93的厚度为0.3-0.6mm。铝膜93作为中子束流通过费米斩波器的通道，起到封真空作用。束窗有效尺寸大小应大于束流尺寸，单边余量为5mm。铝膜93的厚度可以为0.5mm。
进一步的，本发明的单能中子选择器，所述真空密封腔体91为超硬铝合金材质，具备在中子和伽马辐射环境下工作的能力。
本发明的单能中子选择器控制系统，使用本发明的单能中子选择器，还包括控制器和电机控制模块、振动监控模块、气浮轴承控制模块、温度控制模块、真空度控制模块；电机控制模块包括加速度传感器，且与电力驱动组件电连接，用于控制主轴6的转速；振动监控模块包括振动传感器，用于监控旋转电机部件0的振动；气浮轴承控制模块用于控制径向气孔222和端向气孔223内的气压；温度控制模块用于控制旋转电机部件0的温度，包括温度传感器和冷却水循环控制系统。运行稳定，具有启停、调速、调相位、停机保护等功能，并提单能中子选择器实时运行状态监控，在进行结构设计时，应避免单能中子选择器的共振频率与工作频率过于接近，以避免产生共振。壳体9应具有足够的刚度，并且易于安装和维护。
具体的，主轴6周围分布有多种类型的传感器，如电涡流位移传感器、振动传感器、温度传感器等，分别用于测量轴的位移、振动、温度等，并通过信号线将斩波器的运行状态传递给上层系统，以便远程监测调控。
综上所述可知本发明乃具有以上所述的优良特性，得以令其在使用上，增进以往技术中所未有的效能而具有实用性，成为一极具实用价值的产品。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.单能中子选择器，其特征在于，包括壳体、狭缝包、真空密封腔体和旋转电机部件，真空密封腔体位于壳体的端部，旋转电机部件包括：
外套，外套位于壳体的内部，所述外套内部设置有挡环部，挡环部将外套的内部分成第一腔和第二腔；第一腔内安装有气浮轴承组件，气浮轴承组件包括同轴布置的过渡套和气浮轴承套，气浮轴承套的外壁设置有多个间隔设置的导通环槽，导通环槽的槽底设置有径向贯穿的径向气孔，外套还设置有与导通环槽导通的气路结构；
电力驱动组件，电力驱动组件包括相互配合的定子和转子，转子安装于主轴，定子安装于第二腔内；
主轴，主轴经气浮轴承组件支撑可转动的设置于外套内；主轴设置有端面环部，气浮轴承组件位于端面环部和挡环部之间，气浮轴承套的靠近端面环部的端部设置有端向气孔，端向气孔与导通环槽导通；
端部气浮轴承座，端部气浮轴承座位于外套远离端面环部的一端，端部气浮轴承座内部设置有气浮轴承组件，主轴的一端位于气浮轴承组件内部；
端部止推板，端部止推板安装于主轴的一端且位于端部气浮轴承座的内部，气浮轴承组件靠近端部止推板的端部设置有端向气孔；
所述狭缝包包括两个成型夹板和位于两个成型夹板之间的通道层和吸收层，所述吸收层由可吸收中子的材料制成，通道层由可透过中子的材料制成，两个成型夹板将多个交替层叠的通道层和吸收层对压连接；主轴的另一端设置有容置位，容置位位于真空密封腔体内部，狭缝包安装于容置位内部。
2.根据权利要求1所述的单能中子选择器，其特征在于：所述旋转电机部件还包括固定环和用于密封所述第一腔的两个半密封环，固定环安装于外套的另一端，两个半密封环安装于固定环，半密封环设置有安装外环部和密封内环部，安装外环部位于密封内环部的外缘，密封内环部的表面设置有多个密封环槽；
主轴设置有密封容置槽，密封内环部位于密封容置槽内，两个半密封环以拼成圆环的方式布置密封容置槽。
3.根据权利要求2所述的单能中子选择器，其特征在于：所述密封内环部的内壁面设置有密封环槽；所述密封环槽内设置有密封圈。
4.根据权利要求1所述的单能中子选择器，其特征在于：所述端面环部布置于固定环的内部，固定环的内壁设置有密封环槽。
5.根据权利要求1所述的单能中子选择器，其特征在于：所述端面环部的靠近气浮轴承套的根部设置有气浮环槽；所述过渡套的外壁设置有多个密封环槽，密封环槽内设置有密封圈。
6.根据权利要求1所述的单能中子选择器，其特征在于：还包括端面喷嘴和径向喷嘴，端面喷嘴和径向喷嘴分别位于所述端向气孔和径向气孔内部。
7.根据权利要求1所述的单能中子选择器，其特征在于：所述所述通道层和吸收层为平面结构或弧面结构；所述通道层为6061或7075高强度铝合金片材或单晶硅片材中的任一种；所述吸收层为10B-环氧胶膜、10B/Gd/Gd2O3制成的薄膜、富集10B的硼铝合金薄片、铝基碳化硼片、Gd-20Zr合金箔材或钆合金箔材中的任一种；所述吸收层为通过溅射镀膜、环氧胶粘接或叠放的形式将吸收材料均匀的附着在通道层上形成的层状结构。
8.根据权利要求7所述的单能中子选择器，其特征在于：所述真空密封腔体的前后两侧对应的各设置有一个中子束窗，中子束窗内设置有铝窗框，铝窗框内设置有铝膜；所述铝膜的厚度为0.3-0.6mm。
9.根据权利要求8所述的单能中子选择器，其特征在于：所述真空密封腔体为超硬铝合金材质。
10.单能中子选择器控制系统，其特征在于：使用权利要求1-9中任意一项所述的单能中子选择器，还包括控制器和电机控制模块、振动监控模块、气浮轴承控制模块、温度控制模块、真空度控制模块；
电机控制模块包括加速度传感器，且与电力驱动组件电连接，用于控制主轴的转速；
振动监控模块包括振动传感器，用于监控旋转电机部件的振动；
气浮轴承控制模块用于控制径向气孔和端向气孔内的气压；
温度控制模块用于控制旋转电机部件的温度，包括温度传感器和冷却水循环控制系统。
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