一种去除快中子束流的斩波器的制作方法

本申请涉及中子检测设备领域，特别是涉及一种去除快中子束流的斩波器。

背景技术：

散裂中子源是利用高中子通量的中子束流对微观世界进行研究的一个新进的功能强大的大科学研究平台，它为众多学科前沿领域的研究提供了一种最先进、不可替代的研究工具。快中子束在时间上是伴随质子束打靶产生的，即散裂中子源每个脉冲周期的零时刻发出的中子束流，如果不对其进行消除，将会影响到后续研究的进行。目前，国内对于快中子束的研究相对较少，暂无有效的去除快中子束流的方法。

技术实现要素：

本申请的目的是提供一种专门用于去除快中子束流的斩波器。

本申请采用了以下技术方案：

本申请公开了一种去除快中子束流的斩波器，包括密封壳体9、阻挡块1和转动部件；密封壳体9上前后对称的位置处开设有中子束窗口13，以便中子束流穿过斩波器，并且密封壳体9上设置有真空抽气口22，以便于对密封壳体9合围空腔进行抽真空；转动部件设置于密封壳体9的合围空腔内，转动部件包括转轴4和转动块3，转动块3对称设置于转轴4两侧，转轴4由内装式电机直接驱动，带动转动块3转动；阻挡块1由两块大小相等的合金块组成，合金块为中子吸收材料，两块合金块分别对称安装在转轴4两侧的转动块3上，中子束流穿过斩波器的轨迹与合金块转动时形成的圆环面相交，并且，合金块与中子束流轨迹相交的一面的面积大于中子束流在相交处的截面积。

需要说明的是，本申请的关键在于利用阻挡块1对零时刻发出的中子束流进行阻挡和吸收，而阻挡块1是安装在转动部件上的，因此，阻挡块1的转动频率要与中子源的脉冲频率严格同步，也就是说，在脉冲频率的零时刻，阻挡块1需要正好转动到中子束流穿过斩波器的轨迹上，这样才能有效的将快中子吸收，而后，阻挡块1继续转动，偏移中子束流轨迹，使得其它中子束流可以正常的通过斩波器。因此，合金块与中子束流轨迹相交的一面的面积大于中子束流在相交处的截面积，即保障快中子被有效吸收，又不能太大，而影响其它中子束流的通过。至于阻挡块1的转动频率与中子源的脉冲频率严格同步，可以通过调控内装式电机来实现，在此不做具体限定。

优选的，转轴4上，在阻挡块1的两侧对称设置有配重盘5，实现动平衡；并且，中子束流轨迹不与两个配重盘5相交。

需要说明的是，配重盘5的作用是保障转动部件稳定、平稳的运行，其中动平衡的实现，主要是通过在配重盘上去重实现的。在本申请的一种实现方式中，阻挡块的大小、中子束流的通过轨迹、阻挡块转动频率等，都是经过严格计算的，因此，如果转动部件在运行时出现晃动或不平稳，则会影响斩波器对快中子束流的去除效果；所以增加两个配重盘，使得转动部件运行时更平稳、避免晃动。其中，中子束流轨迹不与两个配重盘5相交，是为了避免配重盘影响中子束流穿过斩波器，实际上，本申请的斩波器中，就只有阻挡块才会出现在中子束流轨迹上，其它的包括转动块3和转轴4都不会在中子束流轨迹。

优选的，内装式电机包括电机定子6和电机转子7，电机定子6固定在密封壳体9上，电机转子7套设于电机定子6内，电机转子7与转轴4过盈配合，以带动转轴4转动。

优选的，电机定子6上设计有电机水冷外壳12，电机水冷外壳12上有水路接口用于连接冷水，以便对电机定子进行冷却；电机水冷外壳12与冷水连接的管路上设置有水电连接板15，通过水电连接板15的快速接口控制总水路断开或连接。

优选的，密封壳体9上安装有光电传感器11，用于感应阻挡块1的位置。

需要说明的是，光电传感器11的作用是感应阻挡块1，例如，阻挡块1经过一次，就发出一次信号，该信号频率实际上体现的就是阻挡块的转动频率，应该与中子源的脉冲频率同步。

优选的，密封壳体9上安装有真空计23，用于检测密封壳体9内的抽真空情况。

可以理解，在斩波器运行时，为了避免对正常的中子束流造成影响，密封壳体9内需要进行抽真空，因此，真空计23可以有效的监控其真空情况；当然，真空计也可以配置在真空泵或其它抽真空的组件上。

优选的，密封壳体9上安装有振动传感器14和温度传感器，用于检测转轴4转动时的振动和温度变化情况。

需要说明的是，在密封壳体9固定安装后，正常情况下，转轴都是平稳运行的，而振动传感器14和温度传感器的作用是，实时监控转轴的振动和温度，以免长期使用时，因转轴振动或温度过高，影响斩波器的使用。

优选的，密封壳体9呈圆柱筒形结构，圆柱筒的两端由大法兰10封闭，光电传感器11、真空计23、振动传感器14、温度传感器、电机定子6和电机水冷外壳12都安装在大法兰10上，转轴4的两端呈转动活动连接在圆柱筒两端的大法兰10上，两个大法兰10作为支撑转轴4的承重结构。

需要说明的是，圆柱筒形结构主要是为了方便生产和安装，在相同的思路下，密封壳体9可以采用各种形状，只要能够保障阻挡块转动时能够对快中子进行阻挡和吸收即可。

优选的，密封壳体9采用v型托架16支撑和固定，密封壳体9落在v型托架16的底板上；并且，底板上设置有调节机构18和靶标座20，通过调节机构18对密封壳体9进行x/y方向调节，精确定位斩波器的安装位置；v型托架16的两个支撑臂上设置有限位杆17，方便吊装所述密封壳体9。

需要说明的是，v型托架16和调节机构18、靶标座20等都是为了准确安装密封壳体9，以实现斩波器对快中子束流的准确阻挡和吸收。本申请的一种实现方式中，调节机构18由八个螺栓组成，x方向和y方向，每个方向各有四个螺栓，通过拧螺栓顶v型托架16使其位移，实现平面x/y方向调节；此外，螺栓除了起调节作用以外，在螺栓顶紧后，用螺母锁紧，还可以起到固定v型托架16的作用。

优选的，阻挡块1由两块大小相等的长条形的因康镍合金x750组成。

本申请的有益效果在于：

本申请的斩波器，特别针对快中子束流而设计，通过阻挡块转动，能够有效而准确的去除快中子束流，消除背底，避免快中子束流对后续研究造成不良影响。并且，本申请的斩波器，结构简单、使用方便，为中子束流的应用奠定了基础。

附图说明

图1是本申请实施例中斩波器的外观结构示意图；

图2是本申请实施例中斩波器的剖面结构示意图；

图3是本申请实施例中斩波器的转动部件结构示意图；

图4是本申请实施例中斩波器的阻挡块结构示意图；

图5是本申请实施例中斩波器的吊装结构示意图；

图6是本申请实施例中v型托架的俯视结构示意图；

图7是本申请实施例中作为调节机构的螺栓的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例的去除快中子束流的斩波器，如图1和图2所示，包括密封壳体9、阻挡块1和转动部件。密封壳体9呈圆柱筒形结构，圆柱筒的两端由大法兰10封闭，密封壳体9采用不锈钢锻造成圆形，两端的大法兰10与密封壳体9止口配合，保证同心度。前后两个大法兰10上对称的位置处开设有中子束窗口13，以便中子束流穿过斩波器，中子束流穿过斩波器的轨迹，即本例的中子束流轨迹，该轨迹与圆柱筒的轴线平行；中子束窗口13由超硬铝合金材料制成，厚度是经过受力计算后的安全厚度，本例具体的厚度为0.4mm，可以实现斩波器的密封且又能运行中子束流穿过，减小中子的损失；超硬铝合金材料通过螺栓固定胶圈密封固定在大法兰10上。密封壳体9的大法兰10上设置有真空抽气口22，以便于对密封壳体9合围空腔进行抽真空；密封壳体9与两大法兰10以及其它组件是采用胶圈密封方式封闭的，真空度在10pa左右，真空漏率小于1×10^-6pa.m³/s。而其它外围部件，则通过焊接固定在密封壳体9或者密封壳体9的大法兰10上。

转动部件设置于密封壳体9的合围空腔内，转动部件包括转轴4和转动块3，转动块3对称设置于转轴4两侧，转轴4由内装式电机直接驱动，带动转动块3转动。内装式电机包括电机定子6和电机转子7，电机定子6固定在密封壳体9上，电机转子7套设于电机定子6内，电机转子7与转轴4固定连接，以带动转轴4转动。转轴4的两端呈转动活动连接在圆柱筒两端的大法兰10上，两个大法兰10作为支撑转轴4的承重结构。并且，如图2所示，在转轴4的其中一个末端安装有旋转变压器8，旋转变压器8用于感应转轴4转动时的转轴角位移和角速度，以此作为电机的位置反馈元件，以保障转轴4平稳的转动。

需要说明的是，目前比较常用的反馈电机位置的装置是光电编码器，例如英国isis就使用光电编码器；但是，在本例的具有应用过程中发现，光电编码器不能在中子辐射环境下长期使用，需要经常更换。因此，本例采用旋转变压器8反馈电机位置；旋转变压器由于没有电子元器件，所以能在中子辐射环境内长期使用。

阻挡块1由两块大小相等的合金块组成，合金块为中子吸收材料，两块合金块分别对称安装在转轴4两侧的转动块3上，阻挡块1与转动块3采用凹凸配合加螺栓2连接的方式固定。本例中，作为阻挡块1的合金块，具体是两块大小相等的长条形的因康镍合金x750，如图4所示。阻挡块1转动时，中子束流穿过斩波器的轨迹与阻挡块1转动形成的圆环面垂直相交，并且，阻挡块1与中子束流轨迹相交的一面的面积大于中子束流在相交处的截面积。因此，阻挡块因康镍合金x750截面，即阻挡块的宽度和厚度，根据中子束流传输导管的截面大小而确定，只要阻挡块的宽度和厚度略大于中子束流截面即可，而阻挡块的长度本例具体为300mm。

本例中，电机转子7与转轴4过盈配合，从而带动转轴4旋转，转轴4与转动块3过盈配合，而转动块3与阻挡块1采用螺栓2连接，因此电机可以带动转动块3和阻挡块1转动。电机转子7与主轴4过盈配合，采用加热电机转子的方式安装，电机转子上自带油孔，采用油压法拆卸电机转子，可以实现多次重复安装无磨损。

如图3所示，本例的转轴4与转动块3采用过盈配合，热装而成。阻挡块1与转动块3采用六个螺栓2固定，为了对称平衡，将螺栓2正/反向间隔布置。在转动块3两侧有两个配重盘5，动平衡时通过对配重盘5进行钻孔达到要求的动平衡精度，配重盘5的直径应与转动块3的最大外径相等。转动块3及配重盘5皆由超硬铝合金材料制成。本例具体的，要求达到的动平衡精度为g1.0。

如图1和图2所示，在两个大法兰10上方安装光电传感器11，采用对射式光电传感器，阻挡块1每转一圈，会发出一个信号，与标准信号进行对比可以实现对阻挡块1位置的监测。

在电机定子6上设计有电机水冷外壳12，上有水路接口，对电机定子进行水冷。本例的电机水冷外壳12材料为超硬铝合金。大法兰10作为支撑转轴4的轴承座，在其上布置槽形水路通道，并装有进出口水路接头，实现对转轴4进行冷却。对本例的斩波器进行水冷，需水冷的部件为转轴4的两端轴承和电机，水路由水管21串联。进出水口设置在一块水电连接板15上，采用快速接口与总水路断开或连接。

进一步的，如图1和图2所示，在大法兰10上布置有振动传感器14和温度传感器，用于监测轴承运行时的振动和温度变化情况。在大法兰10上布置真空计23，用于测量真空密封腔体内的真空度。

如图1和图2所示，本例的斩波器，其信号线，包括电机信号、振动传感器、温度传感器、光电传感器、真空计等信号线，都集成到一个信号电连接器上方便统一插拔。

如图1和图2所示，本例的密封壳体9采用v型托架16支撑，并由密封壳体固定螺栓24固定安装，密封壳体9落在v型托架16的底板上，密封壳体9与v型托架16的底板固定位置在设备中部，底板与密封壳体9采用两个定位销进行定位；并且，底板上设置有调节机构18和靶标座20，通过调节机构18对密封壳体9进行x/y方向调节，精确定位斩波器的安装位置；v型托架16的两个支撑臂上设置有限位杆17，与限位杆17相应的密封壳体9上有相应的直线轴承，方便吊装所述密封壳体9。吊装真空密封腔体时，如图5所示，通过两根限位杆17进行吊装限位，减少吊装摩擦，然后再通过底板上安装的定位销25进行准确定位，定位精度为0.5mm，吊装复位精度0.1mm。并且，为了有效的保护各种导管和线路，在v型托架16的底座还设计有导管隔板19，导管隔板19由底座起竖立在v型托架16的开口处，并且，在与中子束窗口13相应的地方开设通孔，以方便中子束流通过，导管隔板19将密封壳体9的小半个圆弧围在v型托架16内。本例的导管隔板19实际上就是一块板，上面开设有与各导管大小相当的缺口，以便导管通过；导管隔板19位于斩波器与导管之间。根据设计导管与斩波器的间隙为5mm，在吊装斩波器时，斩波器通常会有细微的摆动，这有可能会碰撞导管，而导管内部件是玻璃材质，比较容易坏；因此，设计导管隔板19，斩波器与导管隔板19的间隙为3.5mm，吊装时就算斩波器摆动也会先撞到导管隔板19上，避免了碰撞导管，造成其损伤。

本例的调节机构18由八个螺栓组成，如图6和图7所示，x方向和y方向，每个方向各有四个螺栓，图6显示了八个螺栓的具体位置，图7为本例的螺栓的结构，通过拧螺栓顶v型托架16使其位移，实现平面x/y方向调节；此外，螺栓除了起调节作用以外，在螺栓顶紧后，用螺母锁紧，还可以起到固定v型托架16的作用。

本例的斩波器是用于阻挡质子打靶时产生的快中子，需要在快中子到达该斩波器时阻挡块正好位于中子飞行路径上，因此该斩波器的控制系统要使阻挡块1的工作频率与中子源的脉冲频率严格同步，使得阻挡块1的相位与源信号的相位始终保持为恒定的设定相位。本例采用闭环相位控制，以保证斩波器的相位信号与中子源的重复信号严格同步。

具体的，本例的控制系统采用多层结构，相位控制在底层下位机simotiond运动控制器中完成，同时对斩波器的温度和真空度、振动值进行监测，并将相位控制的结果发送给探测器电子学系统；中层为用户操作界面，可以实现对斩波器的本地操作，所有监控过程画面以及各种控制参数都可以在与该层网络相连的本地操作员站或远程控制站上进行操作和显示；上层网络采用工业以太网实现系统对外的网络扩展，与谱仪的控制网络进行连接，实现数据共享、集中管理的远程控制功能。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本申请的保护范围。