一种紧凑型中子导管屏蔽装置及其安装方法

1.本发明涉及一种紧凑型中子导管屏蔽装置及其安装方法。


背景技术：

2.近几年随着国家发展大科学装置，中国先进研究堆carr、中国绵阳研究堆cmrr、中国散裂中子源csns等中子源的快速发展，中子散射谱仪的建设也日趋增多，因此对生物屏蔽墙的要求也日益增多。
3.中子散射谱仪通常是用中子导管将中子束流引导至导管大厅，在各导管的隙口分别搭建谱仪。中子导管传输中子是通过其内表面的高反射涂层对中子束流的多次反射实现的，在传输过程中未能被反射的中子或被散射，或与中子导管中的b,si,na,k等相互作用会产生伽马辐射，是中子导管的辐射的主要来源。同时，在进行中子散射实验的过程中会产生大量杂散中子和伽马射线，有效的屏蔽防护措施不仅可以确保实验操作人员的安全，也可以减少对相邻仪器的影响。同时为了在导管大厅搭建尽可能多的仪器，紧凑有效的屏蔽防护非常必要。
4.此外，随着现代科学的发展，中子散射实验对极端样品环境(尤其是强磁场样品环境)和极化中子实验的使用日益增多。当使用强磁场样品环境时，磁体周围会产生杂散磁场，要求样品环境周围不可有磁性物质；当进行极化中子散射实验时，需要使用引导磁场对中子进行极化，要求周围环境无磁。
5.重混凝土既能屏蔽中子又能屏蔽伽马射线，被广泛地应用于中子屏蔽材料。现有的中子生物屏蔽墙通常采取先将厚钢板焊接成型，然后向焊接成型的模块里浇铸重混凝土的方法来制作中子生物屏蔽墙，这种重混凝土往往含有大量的磁性元素，且体积庞大，占用了谱仪运动空间，压缩谱仪起飞角度范围。一般而言，中子导管和中子散射谱仪的服役时长在数十年，而中子导管的精度要求极高，一般在
±
0.02mm以上。厚重的屏蔽体易造成支撑体变形、地面下沉等不利影响，导致中子导管的准直度降低，进而影响传输效率。
6.因此，有必要将中子导管和中子导管屏蔽体的支撑结构进行分割，使两者互不干涉，保证中子导管服役过程中的高准直度，并且在保证屏蔽效果的同时，尽量压缩屏蔽体的重量和体积，设计一种便于安装和维护的中子导管屏蔽体结构。


技术实现要素：

7.针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种紧凑型中子导管屏蔽装置及其安装方法。
8.本发明设计了一种无磁的、易安装的、易维护的中子导管屏蔽体，并兼顾中子导管的准直、安装和维修，适用于导管大厅中子导管的屏蔽体；屏蔽体采用单元块的形式，可根据中子导管的情况进行组合搭配，更好地循环重复使用；在中子导管屏蔽体外围用含硼聚乙烯板进行了封闭处理，使得中子导管屏蔽体可同时作为生物屏蔽墙，可以很好的降低实验的背景，减少相邻仪器间的影响，保护了实验区域外的工作人员；对导管屏蔽体和导管的
支撑体分别灌浆处理，将两者的承重作了切割分离，有效地避免了因屏蔽体重量导致的地面变形等因素对中子导管的准直度的影响；同时，本发明提出了一种新的安装方法，即中子导管和中子导管屏蔽体的承重基座独立的安装方式，从而有效地避免了中子屏蔽体自身重量导致的变形对中子导管准直性能的影响。
9.本发明提供了一种紧凑型中子导管屏蔽装置，它包括：
10.中子导管支撑装置，用于安装中子导管，并确保安装精度且不受损，所述中子导管设置成独立的、没有不锈钢真空罩的真空管，所述真空管的外层设置一层玻璃，每根独立的所述中子导管两端用铝窗密封；
11.导管屏蔽体主体，由内至外依次为中子吸收层、伽马辐射防护层和含杂散中子吸收层；
12.导管屏蔽体支撑装置，用于支撑所述导管屏蔽体主体，包括导管屏蔽体支撑体、2个c-形横梁，所述c-形横梁的结构呈c形；所述c-形横梁设置于所述导管屏蔽体支撑体的顶部。
13.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述中子导管支撑装置包括中子导管支撑体、i-形横梁和中子导管夹具，所述i-形横梁的结构呈i形；所述中子导管夹具用于固定中子导管，安装在所述i-形横梁上，所述中子导管支撑体支撑所述i-形横梁。
14.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述导管屏蔽主体通过分别位于所述中子导管两侧的两个所述c-形横梁共同支撑；
15.两个所述c-形横梁和所述导管屏蔽体支撑体结构呈u-形设置，使得用于支撑所述中子导管的所述i-形横梁从两个所述c-形横梁中间穿过。
16.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述的紧凑型中子导管屏蔽装置安装完成后，所述c-形横梁顶端表面高于所述i-形横梁；使得所述中子导管和所述伽马辐射防护层之间留有一定的空间以便于对所述中子导管进行准直。
17.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述i-形横梁和所述c-形横梁均采用304不锈钢制成。
18.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述中子吸收层采用含硼橡胶制成；所述含硼橡胶包括硼质量百分含量为3％～5％的橡胶。
19.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述伽马辐射防护层采用铅锑合金块制成；所述铅锑合金块包括锑质量百分含量为3％～5％的铅锑合金。
20.上述的紧凑型中子导管屏蔽装置中，所述杂散中子吸收层采用含硼聚乙烯板制成，所述含硼聚乙烯板为高含硼量的黑色板材，含硼的质量百分含量为5％～20％，可以有效地吸收散射中子并较少高能伽马射线的产生。
21.本发明还提供了上述紧凑型中子导管屏蔽装置的安装方法，包括如下步骤：
22.1)所述导管屏蔽体支撑体上沿束流方向的中心刻线，设置所述导管屏蔽体支撑体支撑底部距地面25～35mm(具体可为30mm)的安装方式来保证其安装精度；安装的过程中，先找到安装点在地面打孔，用化学铆钉初步固定用于承重的所述导管屏蔽体支撑体支撑，然后在所述导管屏蔽体支撑体支撑底部与地面之间按照三角形的排布方式塞入三块铝板，每块所述铝板上压有一个螺丝与所述导管屏蔽体支撑体底部相连，利用这三个螺丝来调节所述导管屏蔽体支撑体的水平高度；以中子束流中心轴的水平高度为基准，激光水准仪最
终测得支撑体的水平高度误差小于
±
0.5mm；完成水平高度调节后，借助经纬仪和支撑体上的刻线，在水平面内微调，将所述导管屏蔽体支撑体支撑刻线准直到束流竖直中心轴上，最终精度可达
±
0.5mm；完成准直之后，拧紧所有螺栓，并用高强无收缩灌浆料充填在所述导管屏蔽体支撑体支撑和地面之间；
23.按照上述方法安装所述中子导管支撑体；所述导管屏蔽体支撑体下方的灌浆料与所述中子导管支撑体下方的灌浆料是完全分立的；
24.所述c-形横梁设置于所述导管屏蔽体支撑体的两侧，两个所述c-形横梁和所述导管屏蔽体支撑体结构呈u-形设置；所述导管屏蔽体主体通过两个所述c-形横梁共同支撑；
25.2)在安装过程中，完成所述中子导管支撑体的准直后，先安装所述i-形横梁于所述中子导管支撑体上，所述i-形横梁从两个所述c-形横梁中间穿过，且所述c-形横梁顶部表面高于所述i-形横梁，使得所述中子导管和所述伽马辐射防护层之间留有空间；以束流竖直方向中心轴为基准对所述i-形横梁进行准直，精度在
±
0.5mm内，完成所述i-形横梁、所述c-形横梁的安装；
26.3)所述伽马辐射防护层被加工为两层所述铅锑合金块，所述铅锑合金块边缘加工成偏移20～30mm(具体可为25mm)的90
°
台阶状，使得相邻两块所述铅锑合金块呈台阶状接合；先安装最底部的所述铅锑合金块，再安装所述中子导管，所述中子导管夹具固定所述中子导管，安装在所述i-形横梁上；并利用全站仪和激光跟踪仪对所述中子导管进行准直，所述中子导管的安装精度相对于束流中心轴线可达
±
0.01mm；完成中子导管的准直后再安装左右两侧和上部的所述伽马辐射防护层；所述中子吸收层直接贴在所述中子导管上，所述中子导管外围安装所述含杂散中子吸收层，即完成紧凑型中子导管屏蔽装置的安装。
27.本发明的有益效果是：
28.1、本发明的中子导管屏蔽体采用了内层用含硼橡胶包裹，外层用铅锑合金块拼接组合，外围用含硼聚乙烯板材封闭的层状结构，这种层状结构不仅可以有效地屏蔽中子导管内部反射过程中产生的中子和伽马辐射，也能作为生物屏蔽墙来降低实验区域外的辐射水平，减少相邻仪器间的相互干扰。
29.2、本发明中的中子导管屏蔽体的主要组成部分铅锑合金层以单元块的形式存在，相邻单元块间采用台阶接合，接合缝隙小，可有效防止辐射泄漏，各单元块的质量有限，便于安装、易拆卸，且可根据导管的长短进行组合安装，便于对导管的维护和维修，在谱仪退役后也可根据新建谱仪的需要进行组合，重复使用。
30.3、本发明中的中子导管屏蔽体及各支撑体都使用了无磁材料，适用于具有强磁场样品环境和极化中子实验的中子谱仪。
31.4、本发明中的中子导管屏蔽体的效率高，体积小，尤其适用于三轴谱仪等使用单色器的谱仪，仪器的起飞角度范围大，初始能量的范围宽。
32.5、本发明中中子导管和其屏蔽体采用了独立的承重基座，即使屏蔽体的自重导致地面变形，也不会直接影响中子导管的支撑，不会影响中子导管的准直度，即能有效地避免了中子导管屏蔽体自身重量导致的基座的应变对中子导管的准直性的影响。
33.6、本发明中的中子导管屏蔽体结构紧凑，较传统的混凝土屏蔽体占地面积更小，留出更多的空间用于中子谱仪。
附图说明
34.图1是本发明紧凑型中子导管屏蔽装置的结构示意图。
35.图2是图1的a-a剖视图。
36.图3是本发明中子导管的安装视图。
37.图中各个标记如下：
38.1铅锑合金块；2中子导管；3c-形横梁；4i-形横梁；5导管屏蔽体支撑体；6中子导管支撑体；7含硼聚乙烯板安装导轨；8定标线；9中子导管夹具。
具体实施方式
39.下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
40.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
41.为便于本领域技术人员理解本技术方案，下面将结合实施例中的附图对本发明进行进一步说明，所述的实施例内容非对本发明的限定。本领域技术人员在本发明的基础上无创造性劳动所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.如图1-2所示，为本发明提供的一种紧凑型中子导管屏蔽装置，它包括：
43.中子导管支撑装置，用于安装中子导管2，并确保安装精度且不受损，中子导管设置成独立的、没有不锈钢真空罩的真空管，真空管的外层设置一层玻璃，每根独立的中子导管两端用铝窗密封；中子导管支撑装置包括中子导管支撑体6、i-形横梁4和中子导管夹具9，i-形横梁4的结构呈i形；中子导管夹具9用于固定中子导管2，安装在i-形横梁4上，中子导管支撑体6支撑i-形横梁4。
44.导管屏蔽体主体，由内至外依次为中子吸收层(采用含硼橡胶制成，直接包裹在中子导管外侧)、伽马辐射防护层(采用铅锑合金块1制成)和含杂散中子吸收层(图中未标，采用含硼聚乙烯板制成，图中标出了其安装导轨7)；
45.导管屏蔽体支撑装置，用于支撑导管屏蔽体主体，包括导管屏蔽体支撑体5、2个c-形横梁3，c-形横梁3的结构呈c形；c-形横梁3设置于导管屏蔽体支撑体5的顶部。导管屏蔽主体通过分别位于中子导管2两侧的两个c-形横梁3共同支撑；两个c-形横梁3和导管屏蔽体支撑体5结构呈u-形设置，使得用于支撑中子导管2的i-形横梁4从两个c-形横梁3中间穿过。
46.进一步的，紧凑型中子导管屏蔽装置安装完成后，c-形横梁3顶端表面高于i-形横梁4；使得中子导管2和伽马辐射防护层(即铅锑合金块1)之间留有一定的空间以便于对中子导管进行准直。
47.进一步的，i-形横梁4和c-形横3梁均采用304不锈钢制成。
48.进一步的，含硼橡胶包括硼质量百分含量为3％～5％的橡胶。
49.进一步的，铅锑合金块1包括锑质量百分含量为3％～5％的铅锑合金。
50.进一步的，含硼聚乙烯板为高含硼量的黑色板材，含硼的质量百分含量为5％～20％，可以有效地吸收散射中子并较少高能伽马射线的产生。
51.本发明上述紧凑型中子导管屏蔽装置的安装方法，包括如下步骤：
52.1)导管屏蔽体支撑体5上沿束流方向的中心刻线，设置导管屏蔽体支撑体5支撑底部距地面约30mm的安装方式来保证其安装精度；安装的过程中，先找到安装点在地面打孔，
用化学铆钉初步固定用于承重的导管屏蔽体支撑体5支撑，然后在导管屏蔽体支撑体5支撑底部与地面之间按照三角形的排布方式塞入三块铝板，每块铝板上压有一个螺丝与导管屏蔽体支撑体5底部相连，利用这三个螺丝来调节导管屏蔽体支撑体5的水平高度；以中子束流中心轴的水平高度为基准，激光水准仪最终测得支撑体的水平高度误差小于
±
0.5mm；完成水平高度调节后，借助经纬仪和支撑体上的刻线，在水平面内微调，将导管屏蔽体支撑体5支撑刻线准直到束流竖直中心轴上，最终精度可达
±
0.5mm；完成准直之后，拧紧所有螺栓，并用高强无收缩灌浆料充填在导管屏蔽体支撑体5支撑和地面之间；
53.按照上述方法安装中子导管支撑体6；导管屏蔽体支撑体5下方的灌浆料与中子导管支撑体6下方的灌浆料是完全分立的；
54.c-形横梁3设置于导管屏蔽体支撑体5的两侧，两个c-形横梁3和导管屏蔽体支撑体5结构呈u-形设置；导管屏蔽体主体通过两个c-形横梁共同支撑；
55.2)在安装过程中，完成中子导管支撑体的准直后，先安装i-形横梁4于中子导管支撑体6上，i-形横梁4从两个c-形横梁3中间穿过，且c-形横梁3顶部表面高于i-形横梁4，使得中子导管2和伽马辐射防护层(铅锑合金块1)之间留有空间；以束流竖直方向中心轴为基准对i-形横梁4进行准直，精度在
±
0.5mm内，完成i-形横梁4、c-形横梁3的安装；
56.3)伽马辐射防护层被加工为两层铅锑合金块1，铅锑合金块1边缘加工成偏移25mm的90
°
台阶状，使得相邻两块铅锑合金块1呈台阶状接合；先安装最底部的铅锑合金块1，再安装中子导管2，中子导管夹具9固定中子导管，安装在i-形横梁4上；并利用全站仪和激光跟踪仪对中子导管2进行准直，中子导管2的安装精度相对于束流中心轴线可达
±
0.01mm；完成中子导管2的准直后再安装左右两侧和上部的伽马辐射防护层；中子吸收层直接贴在中子导管2上，中子导管2外围安装含杂散中子吸收层，即完成紧凑型中子导管屏蔽装置的安装。
57.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。