于永積，敬罕濤，寧常軍，何泳成，王鵬程，唐靖宇，康 玲，阮錫超，任 杰

(1.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞 523803；2.中國科學(xué)院 高能物理研究所，北京 100049；3.中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102413)

中國散裂中子源(CSNS)是基于高能質(zhì)子加速器的多學(xué)科大實(shí)驗(yàn)平臺，其主要由1臺80 MeV負(fù)氫直線加速器、1臺1.6 GeV快循環(huán)同步加速器(RCS)、2條輸運(yùn)線、1個靶站和相應(yīng)的配套設(shè)施組成。質(zhì)子束流經(jīng)加速后轟擊鎢靶，將產(chǎn)生大量中子，經(jīng)束流管道引出到實(shí)驗(yàn)終端，開展中子散射方面的研究[1-3]。反角白光中子源是沿質(zhì)子束流反方向出射的中子，其具有良好的能譜結(jié)構(gòu)及時(shí)間分辨率，適合開展核數(shù)據(jù)測量[4-5]。為滿足測量要求，反角白光中子源還需提供合適的束斑形狀和較低的實(shí)驗(yàn)本底，這需借助準(zhǔn)直器對中子束流進(jìn)行刮束準(zhǔn)直。本文以中子開關(guān)為例，對反角白光中子源準(zhǔn)直器進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工及測試。

1 反角白光中子源準(zhǔn)直器

反角白光中子源束線上共布置3臺準(zhǔn)直器，沿束線從前往后依次為中子開關(guān)、準(zhǔn)直器1和準(zhǔn)直器2，如圖1所示。準(zhǔn)直器主要通過精確控制真空箱體內(nèi)擋塊的移動，使束流通過不同尺寸的通孔，依靠3臺準(zhǔn)直器的配合使用，對中子束流進(jìn)行刮束準(zhǔn)直，從而獲得多種束斑形狀及較低的實(shí)驗(yàn)本底，以滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求。3臺準(zhǔn)直器結(jié)構(gòu)類似，只是擋塊上的通孔尺寸略有差異；另外，中子開關(guān)增加了1個盲孔擋位，可用于關(guān)停束流。本文僅介紹與中子開關(guān)相關(guān)的機(jī)械設(shè)計(jì)和測試情況，準(zhǔn)直器1及準(zhǔn)直器2的原理和結(jié)構(gòu)與此類似，不再贅述。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

為保證中子注量率的要求，準(zhǔn)直器擋塊通孔的中心線與束流中心線的同軸度總誤差不大于0.2 mm。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，從機(jī)械角度對總誤差進(jìn)行合理分配，包括擋塊通孔的加工精度、擋塊的重復(fù)定位精度及安裝精度，中子開關(guān)的主要技術(shù)指標(biāo)列于表1。

圖1 反角白光中子源束線布局Fig.1 Layout of back-streaming white neutron beam line

表1 中子開關(guān)主要技術(shù)指標(biāo)Table 1 Main technical parameter of neutron shutter

1.2 整體方案的選擇與設(shè)計(jì)

為將真空外的電機(jī)運(yùn)動傳遞到真空內(nèi)的擋塊上，通常采用波紋管傳動密封方案(圖2)。推拉傳動桿一端與擋塊連接，另一端穿過波紋管與移動塊連接，電機(jī)通過滾珠絲杠帶動移動塊沿導(dǎo)軌運(yùn)動，并通過推拉傳動桿將運(yùn)動傳遞到擋塊上。波紋管兩端通過法蘭與真空箱體及移動塊實(shí)現(xiàn)真空密封，并隨移動塊的運(yùn)動進(jìn)行壓縮或拉伸，實(shí)現(xiàn)傳動密封。日本J-PARC及CSNS環(huán)加速器上的準(zhǔn)直器均采用了該方案[6-7]。由于中子開關(guān)擋塊的行程較大，采用波紋管方案極大地增加了中子開關(guān)的外形尺寸，導(dǎo)致隧道安裝困難。

圖2 波紋管方案Fig.2 Design scheme of bellows

為滿足安裝要求，中子開關(guān)采用磁流體方案，如圖3所示。擋塊、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、線性可變差動變壓器(LVDT)位移傳感器及限位開關(guān)等均位于真空盒內(nèi)，電機(jī)通過磁流體與滾珠絲杠相連，帶動擋塊沿導(dǎo)軌移動，使中子束流通過擋塊上不同尺寸的通孔，實(shí)現(xiàn)刮束準(zhǔn)直。LVDT位移傳感器用于顯示擋塊的實(shí)時(shí)位置，限位開關(guān)提供限位保護(hù)，二者的控制線纜通過真空電極從真空內(nèi)引出到真空外。調(diào)整支架用于支撐和微調(diào)真空盒及擋塊，可實(shí)現(xiàn)6自由度位置調(diào)整，確保中子開關(guān)安裝到位。

圖3 磁流體方案Fig.3 Design scheme of magnetic fluid

2 中子擋塊

核數(shù)據(jù)測量除需合適的束斑形狀外，還需有較低的實(shí)驗(yàn)本底。為減少透射中子對實(shí)驗(yàn)本底的影響，通過模擬分析獲得不同擋塊對高能中子的屏蔽效果，如圖4所示?？煽闯觯?dāng)中子開關(guān)擋塊由前端120 cm銅及后端30 cm鐵組成時(shí)，透射的各種能區(qū)的中子數(shù)量較少，有較好的屏蔽效果。另外，本工作還給出擋塊上的孔徑要求，共有5個擋位，分別為62 mm×78 mm的方孔、φ12 mm的圓孔、盲孔、φ3 mm的圓孔和φ50 mm的圓孔[8-9]。

圖4 不同擋塊時(shí)的中子透射能譜Fig.4 Neutron transmission spectra with different blocks

圖5 中子開關(guān)擋塊模型Fig.5 Model of neutron shutter block

根據(jù)上述參數(shù)，得到的中子開關(guān)擋塊模型如圖5所示。由于擋塊上通孔長度和直徑的比遠(yuǎn)大于5，尤其是φ3 mm圓孔長度和直徑的比達(dá)到500，屬于特深孔加工，且孔的加工精度要求小于0.05 mm，常規(guī)的機(jī)械加工手段很難實(shí)現(xiàn)[10-12]。為解決這一難題，將擋塊分為兩半，即上半擋塊和下半擋塊，分別加工半個孔，最后扣合成整孔。加工完成后，經(jīng)三坐標(biāo)測量，中子開關(guān)擋塊各孔的加工精度(表2)均滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 中子開關(guān)擋塊孔加工精度Table 2 Processing precision of hole in neutron shutter block

3 真空盒

中子開關(guān)真空盒主要為擋塊提供真空環(huán)境，真空度要求高于10-4Pa。由于真空盒外形尺寸較大，在大氣壓力作用下易變形，會影響真空密封，因此有必要對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。另外，輻射環(huán)境下密封圈及密封結(jié)構(gòu)的選擇均是設(shè)計(jì)時(shí)需解決的難題。

3.1 真空盒的優(yōu)化設(shè)計(jì)

中子開關(guān)真空盒由箱體和箱蓋兩部分組成，二者之間安裝有密封圈，利用均勻布置在密封圈周邊的螺栓擰緊密封。利用有限元分析軟件分析真空盒在1個大氣壓力作用下的變形情況，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力和變形最大之處均位于箱蓋中心位置。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，對箱蓋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)并重新計(jì)算分析，共有4種方案，主要區(qū)別在于箱蓋材料的厚度及箱蓋上加強(qiáng)筋的布置，4種方案的應(yīng)力和變形云圖如圖6所示。真空盒最終采用方案4，將箱蓋設(shè)計(jì)為拱形，此時(shí)真空盒的應(yīng)力和變形最小，且質(zhì)量最小，具體計(jì)算結(jié)果列于表3。

3.2 真空密封

大型真空腔室通常采用O型膠圈進(jìn)行密封[13-14]。由于中子開關(guān)工作在輻射環(huán)境，膠圈易輻射老化，必須采用金屬密封圈進(jìn)行密封。金屬密封常見的法蘭結(jié)構(gòu)有平面密封、直角密封及刀口密封等。由于真空盒尺寸較大，直角密封和刀口密封對密封面的粗糙度及配合精度要求非常高，加工難度大，故中子開關(guān)選用平面密封，其密封面無配合問題，表面粗糙度極易達(dá)到。密封圈選用3 mm的退火鋁絲。真空盒的極限真空度可達(dá)到1.2×10-5Pa，真空漏率為9.76×10-11Pa·m3/s，均優(yōu)于設(shè)計(jì)要求。

圖6 真空盒4種方案的應(yīng)力和變形云圖Fig.6 Stress and deformation with four kinds of schemes for vacuum chamber

表3 真空盒4種方案的計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculated result with four kinds of schemes for vacuum chamber

4 真空耐輻射移動平臺

真空耐輻射移動平臺安裝在真空盒內(nèi)，用于實(shí)現(xiàn)擋塊不同孔位的切換，調(diào)節(jié)精度要求小于0.05 mm。由于工作環(huán)境特殊，移動平臺既要有較低的放氣率又要有一定的耐輻射性能，同時(shí)還要有較高的調(diào)節(jié)精度。

4.1 平臺的搭建

圖7 擋塊移動平臺Fig.7 Mobile platform for block

可用于真空的高精度耐輻射移動平臺主要由滾珠絲杠、導(dǎo)軌、磁流體、耐輻射電機(jī)、限位開關(guān)及LVDT位移傳感器組成，除耐輻射電機(jī)和磁流體外，其他零部件均位于真空盒內(nèi)，如圖7所示。

LVDT位移傳感器是一種可用于多種惡劣環(huán)境的直線位移傳感器，可在腐蝕液體、低溫液氮及核反應(yīng)堆安全殼中使用，具有很好的耐輻射性能，同時(shí)還有較低的放氣率和較高的重復(fù)精度。另外，針對移動平臺特殊的工作環(huán)境，選用了陶瓷材料的限位開關(guān)及真空專用的不銹鋼滾珠絲杠和導(dǎo)軌，并使用Apiezon油脂進(jìn)行潤滑，解決真空及輻射環(huán)境下的潤滑問題[15-16]。位于真空腔室內(nèi)的控制線纜采用包覆聚酰亞胺絕緣材料的導(dǎo)線，并通過真空電極將其與真空外的控制系統(tǒng)相連。用于實(shí)現(xiàn)動密封的磁流體，可承受106Gy的劑量。通過模擬計(jì)算，當(dāng)束流功率為100 kW運(yùn)行時(shí)，磁流體附近的當(dāng)量劑量率約為43 mSv/h(圖8)。按1 a運(yùn)行300 d，30 a累積的當(dāng)量劑量為9.3×103Sv，換算為吸收劑量相當(dāng)于9.3×104Gy。若僅考慮輻射壽命，磁流體密封裝置可正常運(yùn)行至少30 a(CSNS設(shè)計(jì)使用壽命為30 a)。耐輻射電機(jī)作為移動平臺的關(guān)鍵部件，其可吸收劑量的閾值為2×106Gy，而電機(jī)附近的劑量與磁流體相近，故也能滿足耐輻射要求。

圖8 100 kW束流功率時(shí)中子開關(guān)附近的輻射劑量率Fig.8 Radiation dose rate around neutron shutter with 100 kW beam power

4.2 平臺重復(fù)定位精度測量

借助激光跟蹤儀，首先對擋塊進(jìn)行標(biāo)定，確定擋塊上各擋位孔與靶標(biāo)座的位置關(guān)系；然后以真空盒兩端法蘭中心點(diǎn)的連線作為假定的束流中心線，調(diào)整移動平臺，使擋塊上各通孔的中心線依次與假定的束流中心線重合，測量擋塊上4個靶標(biāo)座的坐標(biāo)值。根據(jù)擋塊標(biāo)定的位置關(guān)系，可獲得擋塊相應(yīng)孔位中心線與假定的束流中心線的同軸度，通過多次重復(fù)測量，可獲得多組數(shù)據(jù)。通過比較之間的差值，推算出移動平臺的重復(fù)定位精度優(yōu)于0.02 mm(表4)。

表4 擋塊孔的位置偏差Table 4 Position deviation of hole in block

5 結(jié)論

本文以中子開關(guān)為例，介紹了反角白光中子源準(zhǔn)直器的設(shè)計(jì)、加工及測試情況，主要解決了以下問題。

1) 完成了擋塊上小直徑深孔的加工，最大加工誤差為0.044 mm，小于設(shè)計(jì)要求的0.05 mm。

2) 優(yōu)化了真空盒的外形結(jié)構(gòu)及密封方式，實(shí)現(xiàn)了輻射環(huán)境下大型真空腔室的密封，極限真空度可達(dá)到1.2×10-5Pa，真空漏率為9.76×10-11Pa·m3/s，均滿足設(shè)計(jì)要求。

3) 搭建了可用于真空的高精度耐輻射移動平臺，重復(fù)定位精度小于0.02 mm，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求；通過模擬分析，估算移動平臺的輻射壽命超過30 a，具體壽命有待在實(shí)際使用過程中進(jìn)一步驗(yàn)證。

目前準(zhǔn)直器已完成安裝并開始使用，運(yùn)行穩(wěn)定，能滿足核數(shù)據(jù)測量的要求。