用于中子束流辐照实验的实验装置和实验系统的制作方法

1.本公开涉及核辐射实验技术领域，更具体地，涉及一种用于中子束流辐照实验的实验装置和实验系统。


背景技术：

2.中子单粒子效应是大气辐射环境中电子设备发生辐射效应的主要原因。随着技术的发展，电子器件对于中子辐射的敏感性越来越高，使得航空飞行器中电子系统更容易产生中子单粒子效应的风险。目前国内外主要是利用加速器产生的质子轰击金属靶产生中子，再利用中子束流辐照放置在实验台架上的电子器件，开展中子单粒子效应研究。
3.在实现本公开构思的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：现有技术中用于中子束流辐照实验的实验台架功能单一，仅能起到放置电子器件样品的作用，且实验台架位置固定，不能可移动地应用在不同的中子束流辐照终端。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开实施例提供了一种能够监测中子束流和整体可移动的实验装置，以及包括该实验装置的实验系统。
5.本公开实施例的一个方面提供了用于中子束流辐照实验的实验装置。所述实验装置包括实验台、样品安装机构和监测机构。所述实验台包括第一台面和至少一个支撑结构，所述至少一个支撑结构用于支撑所述第一台面并实现所述第一台面的移动。所述样品安装机构安装在所述第一台面上。所述监测机构安装在所述第一台面上，且所述监测机构相对于所述样品安装机构远离中子束流。
6.根据本公开的实施例，所述至少一个支撑结构包括第一端和第二端。其中，所述第一端与所述第一台面连接。所述第二端远离所述第一端，安装有一滚动体，用于实现所述第一台面的移动。
7.根据本公开的实施例，所述至少一个支撑结构还包括升降结构。所述升降结构设置在所述第一端和所述第二端之间。
8.根据本公开的实施例，所述滚动体为万向轮。
9.根据本公开的实施例，所述实验台还包括第一隔板，所述第一隔板安装在所述至少一个支撑结构上，其中，所述第一隔板与所述第一台面平行，与所述第一台面之间形成置物空间。
10.根据本公开的实施例，所述实验台还包括至少一个第二隔板，所述至少一个第二隔板设置在所述第一台面和所述第一隔板之间，且垂直于所述第一隔板。
11.根据本公开的实施例，所述至少一个第二隔板为多层屏蔽结构。
12.根据本公开的实施例，所述样品安装机构包括至少一个样品架和样品台。其中，所述至少一个样品架用于安装至少一个样品。所述样品台包括第二台面和二维移动单元，所述第二台面与所述样品架可拆卸地连接，所述二维移动单元安装在所述第一台面上。
13.根据本公开的实施例，所述二维移动单元包括第一移动结构。所述第一移动结构与所述第二台面的底部连接，带动所述第二台面沿垂直于所述中子束流的方向移动。
14.根据本公开的实施例，所述二维移动单元还包括第二移动结构。所述第二移动结构与所述第一移动结构的底部连接，带动所述第一移动结构沿平行于所述中子束流的方向移动，所述第二移动结构安装在所述第一台面上。
15.根据本公开的实施例，所述样品安装机构还包括至少一个旋转台，所述至少一个旋转台安装在所述第二台面上，其中，所述至少一个旋转台的转动部与所述至少一个样品架可拆卸地连接。
16.根据本公开的实施例，所述监测机构包括中子监督器，所述中子监督器可拆卸地安装在所述第一台面上，设置在所述中子束流的辐照范围之外。
17.根据本公开的实施例，所述监测机构还包括中子探测器，所述中子探测器可拆卸地安装在所述第一台面上，设置在所述中子束流的辐照范围内。
18.根据本公开的实施例，还包括激光定位系统，所述激光定位系统安装在所述第一台面上，且所述激光定位系统相对于所述样品安装机构靠近所述中子束流。
19.根据本公开的实施例，所述激光定位系统包括至少一个激光器，所述至少一个激光器发射出交叉状的激光束。
20.本公开实施例的另一个方面提供了一种用于中子束流辐照实验的实验系统。所述实验系统包括质子回旋加速器和如上所述的实验装置。其中，所述质子回旋加速器包括至少一个中子辐照管道，所述至少一个中子辐照管道用于发出中子束流。所述实验装置可移动地设置于所述至少一个中子辐照管道的终端。
21.上述一个或多个实施例具有如下优点或益效果：
22.能够至少部分地解决现有的实验台架功能单一且位置固定的问题，通过将样品安装在样品安装机构上进行中子束流辐照实验，并结合监测机构和至少一个支撑结构，使得实验装置将样品安装、束流监测以及整体移动等功能融合于一体。
附图说明
23.通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
24.图1示意性示出了根据本公开实施例的能够进行中子束流辐照实验的实验系统示意图；
25.图2示意性示出了根据本公开实施例的用于中子束流辐照实验的实验装置的示意图；
26.图3示意性示出了根据本公开实施例的支撑结构的示意图；
27.图4示意性示出了根据本公开实施例的样品安装机构的示意图；
28.图5示意性示出了根据本公开实施例的第一移动结构的示意图。图6示意性示出了根据本公开另一实施例的样品安装机构的示意图。
具体实施方式
29.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性
的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
30.在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
31.在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
32.在使用类似于“a、b和c等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释 (例如，“具有a、b和c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有 b和c、和/或具有a、b、c的系统等)。在使用类似于“a、b或c 等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释(例如，“具有a、b或c中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有a、单独具有b、单独具有c、具有a和b、具有a和c、具有b和c、和/或具有a、b、c 的系统等)。
33.对电子器件开展中子单粒子效应研究，是指中子入射微电子器件 (如cpu，fpga等)时，观察引起器件产生逻辑反转，闩锁或者永久损伤的现象。因此，中子单粒子效应是指单个中子穿过微电子器件的灵敏区时造成器件状态的非正常改变的一种辐射效应，包括单粒子翻转、单粒子闩锁、单粒子烧毁等。
34.开展中子束流辐照实验，需要搭建实验系统，以将样品放置在台架上接收中子束流辐照。现有技术中的实验台架一般是一张固定的桌子，通过在桌子上摆放样品以进行辐照实验。从而导致目前中子束流辐照实验只能在固定的中子辐照管道终端使用，不能够可移动地应用在同一场地不同中子辐照终端。
35.本公开的实施例提供了用于中子束流辐照实验的实验装置。实验装置包括实验台、样品安装机构和监测机构。实验台包括第一台面和至少一个支撑结构，至少一个支撑结构用于支撑第一台面并实现第一台面的移动。样品安装机构安装在第一台面上。监测机构安装在第一台面上，且监测机构相对于样品安装机构远离中子束流。。
36.图1示意性示出了根据本公开实施例的能够进行中子束流辐照实验的实验系统100示意图。需要注意的是，图1所示仅为可以应用本公开实施例的实验系统的示例，以帮助本领域技术人员理解本公开的技术内容，但并不意味着本公开实施例不可以用于或配合其他设备、系统、环境或场景。
37.如图1所示，实验系统100包括质子回旋加速器110和实验装置 120。质子回旋加速器110包括至少一个中子辐照管道130(例如可以包括中子辐照管道131、132、133和134)，其中，至少一个中子辐照管道130用于发出中子束流140。实验装置120可移动地设置在至少一个中子辐照管道130的终端。
38.根据本公开的实施例，参照图1，例如将实验装置120设置在中子辐照管道131的终端，其中，样品121放置在实验装置120上。质子回旋加速器110能够令质子轰击金属靶以产
生中子束流140，然后通过中子辐照管道131辐照到样品121上。
39.根据本公开的实施例，质子回旋加速器110可以为100mev质子回旋加速器。其中，100mev质子回旋加速器能够支持进行准单能中子和白光中子辐照实验。
40.应该理解，图1中的质子回旋加速器110、实验装置120、中子辐照管道130、中子束流140和样品121的数目或尺寸仅仅是示意性的。
41.图2示意性示出了根据本公开实施例的用于中子束流辐照实验的实验装置200的示意图。其中，实验装置200是实验装置120的其中一个实施例。
42.如图2所示，实验装置200可以包括实验台210、样品安装机构220 和监测机构230。实验台210包括第一台面211和至少一个支撑结构 212(例如支撑结构2121、2122、2123和2124)，至少一个支撑结构212 用于支撑第一台面211并实现第一台面的移动。样品安装机构220安装在第一台面211上。监测机构230安装在第一台面211上，监测机构230 相对于样品安装机构220远离中子束流140。
43.如图2所示，在使用包括实验台210、样品安装机构220、监测机构230和滚动体240的实验装置200进行中子束流辐照实验时，首先，将样品安装在样品安装机构220上，然后，通过监测机构230监测辐照在样品上的中子束流140。
44.根据本公开的实施例，第一台面211的表面可以打多个孔。参照图2，在第一台面211上打有多个螺纹孔，能够利用螺栓将样品安装机构220固定在第一台面211上。同理，使得监测机构230与第一台面211进行螺纹连接。
45.根据本公开的实施例，参照图2，中子束流140辐照到样品上，即为中子束流140中的中子击中样品。在辐照实验过程中，安装在样品安装机构220上的样品受到中子束流140的直接辐照，从而样品安装机构220与中子束流140较为靠近。而监测机构230用于监测击中样品的中子数量，能够不在中子束流140的辐照路径上，因此其相对于样品安装机构220，距离中子束流140的距离较远。
46.如图2所示，实验装置200还可以包括激光定位系统250。激光定位系统250安装在第一台面211上，且相对于样品安装机构220靠近中子束流140。激光定位系统250包括至少一个激光器(例如可以包括激光器251和252)。激光器251和252能够产生交叉状的激光束。
47.根据本公开的实施例，激光器251和252能够发出相互交叉的两道激光束，例如十字型激光束，并使得十字型激光束的交点位于中子束流140的辐照路径上，为样品接受辐照起到定位作用。
48.利用本公开实施例的实验装置200，采用在实验台210上设置监测机构230、样品安装机构220和滚动体240的集成化设计，能够将样品安装、束流监测以及整体移动等功能融合于一体，使得实验装置 200可随时移动位置，并且下次实验不需要单独布置监测机构230，有效提高了实验操作便捷性和实验规范化。
49.如图2所示，实验台210还可以包括第一隔板213，第一隔板213 安装在至少一个支撑结构212上，其中，第一隔板213与第一台面211 平行，与第一台面211之间形成置物空间。
50.根据本公开的实施例，例如对fpga器件进行中子辐照实验过程中，需要对fpga器件进行实时数据检测，因此能够将实时检测系统放到第一隔板213和第一台面211之间的置物空间中。其中，例如使得实时检测系统向fpga器件发送命令，监视fpga器件的工作状态并接收fpga器件返回的实验数据，实时记录检测过程中fpga器件发生的单粒子翻转情况。应
当理解，置物空间中还能够放置中子束流 140辐照实验中需要的其他装置，本公开不对其做具体限定。
51.需要说明的是，图2中支撑结构2121、2122、2123和2124可以分别采用4个支撑杆，支撑第一台面211，其中，第一隔板213的四个直角分别与4个支撑杆连接。如图2所示，首先可以一体成型的制作出来整体框架，该框架包括第一隔板213与第一台面211，并在框架下方安装4个短杆而得到图2中的实验台210。在另外的实施例中，可以分别制作出第一台面211、第一隔板213和4个长杆(长杆直接与第一台面211连接)，并进行组装得到实验台210。
52.如图2所示，实验台210还可以包括至少一个第二隔板260(例如可以包括261、262和263)，其中，至少一个第二隔板260设置在第一台面211和第一隔板213之间，且垂直于第一隔板213。
53.如图2所示，至少一个第二隔板260为多层屏蔽结构。
54.根据本公开的实施例，多层屏蔽结构例如能够采用铁、聚乙烯、铅等组成多层结构。
55.根据本公开的实施例，参照图2，例如可以设置第二隔板261、262、 263对第一隔板213和第一台面211之间的置物空间进行局部封闭，以形成局部屏蔽系统。
56.利用本公开实施例的实验装置，通过布置多个第二隔板260以形成局部屏蔽系统，能够避免中子束流140产生的辐射对实时检测系统、监测数据采集设备和电源等实验设备的辐射损害风险，提高实验数据的准确率。
57.如图2所示，监测机构230包括中子监督器231和232。中子监督器231和232可拆卸地安装在第一台面211上，设置在中子束流140 的辐照范围之外。
58.根据本公开的实施例，监测机构230还包括中子探测器(图2中未示出)，能够可拆卸地安装在第一台面211上，设置在中子束流140的辐照范围内。
59.根据本公开的实施例，在中子束流140辐照实验中，需要获取辐照到样品上的中子数以对实验数据进行分析。以中子监督器231为例，首先，同时布置中子探测器和中子监督器231，其中，将中子探测器布置在预设的样品辐照点位置，中子监督器231布置在中子束流140 的辐照范围之外(即中子监督器231不在中子束流140的辐照路径上)。接着，中子探测器接收中子束流140的辐照，从而得到中子计数m0。同时，中子监督器231接收的中子数量为n0。然后，通过上述数据，标定中子监督器231与中子探测器之间的关系k，其中，k＝m0/n0。再然后，将中子探测器拆下(中子监督器231保持不动)，使得样品移动至预设的辐照点位置后，开始中子束流140辐照样品实验。最后，在实验过程中，通过中子监督器231的计数n1，就能计算得出辐照到样品上的中子数m1＝k*n1。
60.根据本公开的实施例，中子探测器与中子监督器虽然起到的作用不同，但是可以选用相同型号的中子探测设备，以在不同位置获得接收到的中子束流。
61.根据本公开的实施例，中子监督器231和232能够同时布置在第一台面上，互相印证中子计数，以提高实验数据的准确率。
62.根据本公开的实施例，预设的样品辐照点位置能够通过激光定位系统250发出十字型激光束的交叉点确定，使得中子探测器和样品分别先后放置在交叉点位置。其中，激光定位系统250例如可以内置坐标系统，能够反馈对应的交叉点的坐标信息。
63.需要说明的是，实验人员通过获得中子监督器与中子探测器之间的关系k，即可计
算出辐照到样品上的中子数。因此，图1所示的中子监督器的位置仅为示例，本公开不对其具体位置进行限定。
64.根据本公开的实施例，质子回旋加速器产生的中子束流中不止含有中子，还可能包括伽马射线。在实验过程中，例如可以设置伽马探测器与伽马监督器，重复上述中子监测步骤，对伽马进行监督。其中，参照图1，当需要监测伽马时，可以令监测机构230包括中子监督器 231和伽马监督器232。应当理解，实验人员能够根据实际情况进行设置是否需要对伽马进行监测。
65.根据本公开的实施例，中子和伽马的监督器和探测器放置在第一台面，如放置中子剂量仪、伽马剂量仪等。
66.根据本公开的实施例，对中子的监测例如能够采用带中子慢化体的3he球，对伽马的监测例如能够采用nai探测器。
67.图3示意性示出了根据本公开实施例的支撑结构300的示意图。其中，支撑结构300是支撑结构212的其中一个实施例。
68.如图3所示，并结合图1，支撑结构300包括第一端310、第二端 320。其中，第一端310与第一台面211连接。第二端320远离第一端 310，安装有一滚动体240，用于实现第一台面211的移动。
69.根据本公开的实施例，滚动体240可以为万向轮。滚动体240也可以是滚轮、球体或者圆杆等结构。
70.如图3所示，支撑机构300还包括升降结构330，升降结构330 设置在第一端310和第二端320之间。
71.根据本公开的实施例，参照图3，升降结构330可以包括方杆331 和圆杆332，其中，方杆331内部可以开有螺纹孔。另外在圆杆332 的一端设置螺纹，使其旋转进入方杆331内部。通过控制圆杆332旋转进入方杆331内部的长度，以此控制实验台210整体的升降距离。
72.根据本公开的实施例，例如可以设置实验台长1600mm，宽1100 mm，升降结构的上下移动行程(1350
±
250)mm，载重大于等于100 kg。
73.由于质子回旋加速器的体积较大，且较为精密不易调整。利用本公开实施例的实验装置200，能够适应性的调整样品相对于中子束流140的位置，从而提高实验效率。
74.图4示意性示出了根据本公开实施例的样品安装机构400的示意图。其中，样品安装机构400是样品安装机构220的其中一个实施例。
75.如图4所示，样品安装机构400包括至少一个样品架410和样品台420。其中，样品台420包括第二台面421和二维移动单元422，第二台面421与样品架410可拆卸地连接，二维移动单元422安装在第一台面211上。
76.如图4所示，二维移动单元422包括第一移动结构4221和第二移动结构4222。第一移动结构4221与第二台面421的底部连接，带动第二台面421沿垂直于中子束流140的方向移动。第二移动结构4222 与第一移动结构4221的底部连接，带动第一移动结构4221沿平行于中子束流140的方向移动，其中，第二移动结构4222安装在第一台面 211上。
77.根据本公开的实施例，第二台面421可以为打孔的平板，样品架 410可以包括田字形框架411和圆杆412。其中，田字形框架411与圆杆412固定连接。圆杆412能够与第二台面421可拆卸的连接，例如使得圆杆412能够直接与第二台面421螺纹连接。
78.如图4所示，样品安装机构400还包括至少一个旋转台430，旋转台430安装在第二台面421上，其中，旋转台430的转动部431与样品架410可拆卸地连接。
79.根据本公开的实施例，旋转台430可以包括转动部431和固定部 432。其中，固定部432与第二台面421连接。固定部432包括与转动部431连接的转动轴，利用转动轴带动转动部431旋转。样品架410 的圆杆412与转动部431螺纹连接，跟随转动部431旋转。
80.在对样品进行辐照实验的过程中，能够利用旋转台430带动样品旋转，改变了样品接受中子束流140辐照的角度，有效拓展对样品的辐照方式。
81.图5示意性示出了根据本公开实施例的第一移动结构500的示意图。其中，第一移动结构500是第一移动结构4221的其中一个实施例。
82.如图5所示，第一移动结构500例如可以包括丝杠510、支座520 和底座530，丝杠510两端能够安装在底座530中，使得丝杠510的轴线方向与中子束流140垂直。其中，支座520可以包括固定连接的螺母结构521和连接板522，其中，螺母521结构套设在丝杠510上，随丝杠510的转动，在丝杠510上来回移动。并且，连接板522表面开有螺纹孔，能够使得第二台面421的底部与连接板522通过螺栓相连接。
83.根据本公开的实施例，第二移动结构4222可以参照第一移动结构 500，在此不足赘述。
84.需要说明的是，第一移动结构500仅为示例，例如还可以选择皮带传动机构或齿轮齿条传动机构等实现二维移动功能。
85.根据本公开的实施例，例如可以设置第一移动结构500带动第二台面421移动的行程为1000mm，第二移动机构4221带动第一移动结构500移动的行程为1500mm，平动精度0.5mm。旋转台430能够进行360
°
旋转，转动精度0.1
°
。
86.利用本公开实施例的实验装置，能够在样品架410安装多个样品，从而在实验过程中，利用二维移动单元422带动不同样品移动到预设辐照位置，以更换中子束流140辐照的样品。
87.根据本公开的实施例，参照图2～图4，升降结构、二维移动单元和旋转台均可以配套有远程移动控制设备。采用远程控制的方式，在中子束流辐照实验中减少了人工操作，能够降低人员受到辐照的风险。
88.图6示意性示出了根据本公开另一实施例的样品安装机构400的示意图。其中，中子束流610是中子束流140的其中一个实施例。
89.如图6所示，样品安装机构400可以包括2个样品架411(例如样品架4111和样品架4112)，以及2个旋转台431(例如旋转台4311和旋转台4312)，其中，中子束流610可以包括中子束流611和612，样品架 4111上具有用于放置样品的区域620，样品架4112上具有用于放置样品的区域630。
90.根据本公开的实施例，参照图6，辐照实验过程中，首先，中子束流611辐照区域630上的样品，此时，中子束流611中仅有少量中子与样品发生相互作用，对样品产生辐照影响，而大部分中子直接穿透了样品。然后，中子束流612继续辐照区域620上的样品，对其进行辐照实验。其中，中子束流612是中子束流611穿透样品后的束流。
91.利用本公开实施例的实验装置，采用层叠辐照方法，能够充分利用中子束流610中的中子，提高实验效率，从而减小了质子回旋加速器的启动次数。
92.需要说明的是，本公开中不对样品架和旋转台的数量进行具体限制，可根据中子束流所含的中子数量以及样品类型灵活设置多个样品架和旋转台。另外，图6中样品区域的位置和尺寸仅为示例，本公开也可适应性的对其进行调整。
93.附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，上述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图或流程图中的每个方框、以及框图或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
94.本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
95.以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。本公开的范围由所附权利要求及其等同物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。