CN114283952B - 垂直向中子相机屏蔽与准直结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于聚变等离子体诊断技术，具体涉及一种垂直向中子相机屏蔽与准直结构。包括外层铅壳、设于外层铅壳上部的准直管、设于外层铅壳下部的后段腔室，以及设于外层铅壳内的填充材料；外层铅壳包括前端铅层和管末铅层，还包括中段侧面铅层、后段外侧铅层和后端铅层，前端铅层和管末铅层之间填充中段填充材料，后段腔室内中心位置设有后段空腔。两侧的中段侧面铅层倾斜固定，这样设计能够较为有效的屏蔽来自外侧环境的γ射线，相较于垂直固定可以节省空间并减少由填充材料引起的γ射线，大幅减少到达中子探测器的散射中子。

Description

垂直向中子相机屏蔽与准直结构

技术领域

本发明属于聚变等离子体诊断技术，具体涉及一种垂直向中子相机屏蔽与准直结构。

背景技术

在托卡马克装置上，探测来自于等离子体区域的中子发射率剖面的设备为中子相机。中子相机在聚变等离子体分布、聚变反应密度等方面的诊断有着重要作用。

实现原理上，中子相机一般是通过小孔成像的原理，让中子从等离子体处出发，经过小孔和不同的准直通道，到达中子探测器位置，实现对等离子体某一方向各个部位的中子发射率的测量，从而得到聚变反应的情况和等离子体分布情况。

为了使中子相机准确地测量由等离子体处发射的中子，需要对中子相机周围环境中的中子和γ射线进行屏蔽。由于中子与准直通道的材料反应会产生散射中子和γ射线，也需要减少这部分射线的产生和对其进行屏蔽。而对于垂直向中子相机而言，由于其安装位置的空间有限，屏蔽装置设计具有一定难度，难以避免散射中子和γ射线的产生

需要设计一种新的屏蔽与准直装置，以满足屏蔽要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种垂直向中子相机屏蔽与准直结构，能够屏蔽来自各个方向的γ射线，大幅减少到达中子探测器的散射中子。

本发明的技术方案如下：

一种垂直向中子相机屏蔽与准直结构，包括外层铅壳、设于外层铅壳上部的准直管、设于外层铅壳下部的后段腔室，以及设于外层铅壳内的填充材料；所述的外层铅壳包括平行放置前端铅层和管末铅层，还包括设于侧部的中段侧面铅层、设于中段侧面铅层下方的后段外侧铅层，以及设于后段外侧铅层下方的与管末铅层平行的后端铅层；所述的前端铅层和管末铅层之间填充中段填充材料，所述的管末铅层、后段外侧铅层和后端铅层围成的空间为后段腔室；所述的后段腔室内中心位置设有后段空腔；所述的准直管固定设于前端铅层和管末铅层之间，且穿过中段填充材料，其上下端分别插入前端铅层和管末铅层。

所述的后段空腔外设有包围铅层。

所述的后段空腔外的包围铅层外部填充后段填充材料，所有后段填充材料位于后段腔室内。

所述的包围铅层由在管末铅层和后端铅层之间固定安装若干个竖直固定的后段内铅层组成，所有后段内铅层、管末铅层和后端铅层围成的空间为后段空腔。

所述的后段内铅层、外侧铅层、管末铅层和后端铅层围成的空间内填充后段填充材料。

所述的中段填充材料、后段填充材料选择石蜡。

所述的后段内铅层设置有4个，分两列两行固定布置，使得两列分别位于准直管的左右两侧，两行分别位于准直管的前后两侧。

所述的准直管为圆柱镉管，管道内为空气。

所述的准直管的数量为4-10个，以其中一个为基准，竖直固定于前端铅层和管末铅层之间，两侧的准直管分别以同样的角度均匀散开，所有准直管上端紧密固定在前端铅层内，下端散开分别插入管末铅层中的底部。

所述的准直管的数量为5个，从左到右编号为①、②、③、④、⑤，③号准直管上端位于前端铅层中心，②号竖直，两侧的准直管的散开夹角为10°，所有准直管下端插入管末铅层中的底部。

所述的中段侧面铅层有四个，两个垂直放置位于前后侧，另外两个向下向外倾斜放置，位于左右两侧；前后两侧的中段侧面铅层的外侧面与前端铅层的侧端面位于同一竖直平面。

所述的中段侧面铅层中，左右两侧的铅层，其向下向外倾斜放置的角度范围2-10°。

所有铅层厚度为5-8厘米。

所述的中段填充材料的最外侧与准直管的水平直线距离为20-50厘米。

本发明的显著效果如下：

两侧的中段侧面铅层倾斜固定，这样设计能够较为有效的屏蔽来自外侧环境的γ射线，相较于垂直固定可以节省空间并减少由填充材料引起的γ射线；

底部安装后端内铅层，能够屏蔽来自后端外侧环境的γ射线并形成封闭空间以填充屏蔽中子的材料，如石蜡等；

各段填充材料选择石蜡，能够较好的屏蔽来自各个方向的散射中子，以免对直射中子的探测造成干扰，从各种填充材料如聚乙烯、混凝土、铁、碳酸锂等对中子的屏蔽以及减少γ射线产生的效果来看，选择石蜡的综合效果较好；

各部分铅层设计为5-8厘米，最优7厘米的厚度，能将γ射线强度降到1％；中段填充材料的最外侧距离每个准直管大于20厘米，最多不超过50厘米，在最小尺寸的范围内能将中子强度降到1％；整个尺寸设计和结构设计使得屏蔽与准直结构整体尽可能的小型化以适应垂直向中子相机的使用情景，其中为了达到一定的准直效果中段占大部分，后段留有空腔以放置探测器；准直管在权衡中子相机视野、分辨率、尺寸下采用最优相邻间隔10度的5根圆管，为了在有限的尺寸下达到较为可观的准直效果并考虑末端入射粒子数准直管内半径设为1.5厘米。

附图说明

图1为垂直向中子相机屏蔽与准直结构在准直管处的切面示意图；

图2为垂直向中子相机屏蔽与准直结构侧视图；

图3为垂直向中子相机屏蔽与准直结构俯视图；

图中：1-准直管；2-前端铅层；3-管末铅层；4-中段侧面铅层；5-后段内铅层；6-后段外侧铅层；7-后端铅层；8-中段填充材料；9-后段填充材料；10-后段空腔。

具体实施方式

下面通过附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示，垂直向中子相机上的屏蔽与准直结构包括：准直管1、外层铅壳、填充层、位于外层铅壳下部的后段腔室。

外层铅壳包括平行放置的矩形的前端铅层2和管末铅层3，还包括安装在前端铅层2四个侧壁之下的四个中段侧面铅层4、位于中段侧面铅层4下方的4个后段外侧铅层6，以及位于后段外侧铅层6下方的与管末铅层3平行的后端铅层7。其中管末铅层3、后段外侧铅层6和后端铅层7围成的空间为后段腔室。

其中，中段侧面铅层4有四个，两个垂直放置位于前后侧，另外两个向下向外倾斜放置，位于左右两侧；前后两侧的中段侧面铅层4的外侧面与前端铅层2的侧端面位于同一竖直平面；

管末铅层3位于四个中段侧面铅层4的下端内侧，管末铅层3的侧端面与中段侧面铅层的内侧紧密接触，且管末铅层3的下表面与四个中段侧面铅层4的下表面位于同一水平平面；

中段填充材料8填充在前端铅层2、管末铅层3、中段侧面铅层4三者围成的空间内，上述的准直管1穿过中段填充材料8；

后段外侧铅层6有四个，位于垂直安装在同一侧的中段侧面铅层4的下方，其板面厚度与中段侧面铅层4相同；

后端铅层7位于外侧铅层6的下方，后端铅层7的外侧端面与对应侧的外侧铅层6的外侧壁位于同一竖直平面；

准直管1位于前端铅层2和管末铅层3之间且穿过中段填充材料8，上下端分别插入前端铅层2和管末铅层3的铅材质之中；

准直管1为圆柱镉管，管道内为空气，本实施例中，采用5根准直管1，从左到右编号为①、②、③、④、⑤；

如图3所示，编号③的准直管上端位于前端铅层2中心，其左侧依次为编号②、编号①，右侧依次为④号、⑤号；并且编号②的准直管1竖直，两侧依次成夹角10°散开，所有准直管下端插入管末铅层3中；

所有的准直管1内半径1.5cm，外半径2.5cm，其中编号②的准直管1长40cm，保证所有准直管1的下端插入管末铅层3中的底部；

后段腔室尽心如下设计：

在管末铅层3和后端铅层7之间固定安装若干个竖直固定的后段内铅层5，本实施例中，后段内铅层5设置有4个，分两列两行固定布置，使得两列分别位于上述5根准直管1的左右两侧，两行分别位于上述5根准直管的前后两侧；

所有后段内铅层5、管末铅层3和后端铅层7围成的空间为后段空腔10，其为空气环境，用于放置中子探测器；

所有后段内铅层5、外侧铅层6、管末铅层3和后端铅层7围成的空间内填充后段填充材料9；

中段填充材料8、后段填充材料9选择石蜡；

整个后段空腔10四周设定了一层填充材料和一层铅层，其中铅层起到屏蔽γ射线、封闭空腔以放置探测器的作用，同时能够较好的屏蔽来自后段外侧的散射中子；

准直管1用于提供5条对应等离子体不同部位的视线。其也可以为4、6、7、8等等，间隔角度可以根据结构的宽度进行调整，以间隔角度为10°为最优；

装置的最外层铅壳用于屏蔽中子相机外环境中的γ射线，并提供空间用于容纳填充材料。中段填充材料8用于屏蔽准直管周围的中子和γ射线，以减少对准直管视线的干扰。后段空腔10用于放置中子探测器。

以下给出一种实施例。

准直管1采用圆柱镉管；

外层铅壳包括：前端铅层2；中段侧面铅层4；后段外侧铅层6；后端铅层7。

前端铅层2为3cm厚的铅，中段侧面铅层4为8cm厚的铅，其用于屏蔽中子相机侧面外环境中的中子。后段外侧铅层6为8cm厚的铅。

后端铅层7为5cm厚的铅，并在五个准直管道对应位置开孔，用于中子探测器的安装。

前端铅层2、中段侧面铅层4、管末铅层3密封连接，为中段填充材料8和准直管1提供空间。中段侧面铅层4、后端外侧铅层6、后端铅层7和后段内铅层5密封连接。

中段填充材料8为石蜡，包裹于准直管1周围，填满由前端铅层2、中段侧面铅层4、管末铅层3组成的空间。用于屏蔽准直管周围的中子。

管末铅层3为5cm厚的铅，用于屏蔽来自中子碰撞的γ射线。

后段内铅层5为8cm厚的铅，用于屏蔽后段侧面的γ射线。

后段填充材料9为石蜡，位于后段内铅层5与后段外侧铅层6之间，用于屏蔽中子相机外环境中的散射中子。

后段空腔10为空气环境，用于放置中子探测器。

Claims (14)

1.一种垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：包括外层铅壳、设于外层铅壳上部的准直管(1)、设于外层铅壳下部的后段腔室，以及设于外层铅壳内的填充材料；所述的外层铅壳包括平行放置前端铅层(2)和管末铅层(3)，还包括设于侧部的中段侧面铅层(4)、设于中段侧面铅层(4)下方的后段外侧铅层(6)，以及设于后段外侧铅层(6)下方的与管末铅层(3)平行的后端铅层(7)；其中，所述的前端铅层(2)和管末铅层(3)之间填充中段填充材料(8)，所述的管末铅层(3)、后段外侧铅层(6)和后端铅层(7)围成的空间为后段腔室；所述的后段腔室内中心位置设有后段空腔(10)；所述的准直管(1)固定设于前端铅层(2)和管末铅层(3)之间，且穿过中段填充材料(8)，其上下端分别插入前端铅层(2)和管末铅层(3)。

2.如权利要求1所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的后段空腔(10)外设有包围铅层。

3.如权利要求2所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的后段空腔(10)外的包围铅层外部填充后段填充材料(9)，所有后段填充材料(9)位于后段腔室内。

4.如权利要求3所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的包围铅层由在管末铅层(3)和后端铅层(7)之间固定安装若干个竖直固定的后段内铅层(5)组成，所有后段内铅层(5)、管末铅层(3)和后端铅层(7)围成的空间为后段空腔(10)。

5.如权利要求4所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的后段内铅层(5)、外侧铅层(6)、管末铅层(3)和后端铅层(7)围成的空间内填充后段填充材料(9)。

6.如权利要求4所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的中段填充材料(8)、后段填充材料(9)选择石蜡。

7.如权利要求4所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的后段内铅层(5)设置有4个，分两列两行固定布置，使得两列分别位于准直管(1)的左右两侧，两行分别位于准直管(1)的前后两侧。

8.如权利要求1所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的准直管(1)为圆柱镉管，管道内为空气。

9.如权利要求8所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的准直管(1)的数量为4-10个，以其中一个为基准，竖直固定于前端铅层(2)和管末铅层(3)之间，两侧的准直管(1)分别以同样的角度均匀散开，所有准直管(1)上端紧密固定在前端铅层(2)内，下端散开分别插入管末铅层(3)中的底部。

10.如权利要求9所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的准直管(1)的数量为5个，从左到右编号为①、②、③、④、⑤，③号准直管上端位于前端铅层(2)中心，②号竖直，两侧的准直管(1)的散开夹角为10°，所有准直管下端插入管末铅层(3)中的底部。

11.如权利要求1所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的中段侧面铅层(4)有四个，两个垂直放置位于前后侧，另外两个向下向外倾斜放置，位于左右两侧；前后两侧的中段侧面铅层(4)的外侧面与前端铅层(2)的侧端面位于同一竖直平面。

12.如权利要求11所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的中段侧面铅层(4)中，左右两侧的铅层，其向下向外倾斜放置的角度范围2-10°。

13.如权利要求11所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所有铅层厚度为5-8厘米。

14.如权利要求11所述的垂直向中子相机屏蔽与准直结构，其特征在于：所述的中段填充材料(8)的最外侧与准直管的水平直线距离为20-50厘米。

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