专利名称：多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备的制作方法
技术领域：
本发明属于冷中子束流品质二维测量技术，具体涉及一种多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备。
背景技术：
冷中子束流能谱是中子散射实验和反应堆冷中子源的基本参数之一，也是衡量冷中子束流传输系统性能和冷中子散射实验水平的重要标志之一。国外一般在冷中子谱仪安装前后，对冷中子能谱进行测量，并不定时的进行检测，结果写入研究中心的基本参数及年报中。而国内目前基于冷中子能谱测量方面的研究工作尚未有过报道，该方面的测量工作在我国尚属空白。上世纪9 O年代初，中国原子能科学研究院最早开展HWRR反应堆热中子能谱测量的研究，并研制了一套简易的飞行时间装置。但是，此装置的设计不能满足冷中子散射谱仪对包括束流水平分布，束流角发散分布等的测量需求。我国目前正在大力发展反应堆和散裂中子源为基础的中子散射技术，需建造大批高质量、高水平的冷中子散射谱仪，而冷中子束流品质关系到冷中子散射实验的本底、效率及空间分辨等关键指标，国外相关技术细节不公开，自主创新设计完成此项技术对整个中子散射技术的发展具有重大意义。
发明内容
本发明的目的在于从冷中子散射谱仪的实际需求出发，提供一种精巧实用的冷中子束流品质测量用飞行时间设备。本发明的技术方案如下:一种多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，包括供冷中子束流通过的第一狭缝装置，第一狭缝装置的后侧设有机械斩波器，机械斩波器与水平设置的中子飞行管的进口端相连接，中子飞行管的出口端与第二狭缝装置连接，第二狭缝装置的后侧设有探测器和屏蔽装置，探测器通过多道时间分析器与计算机相连接。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，在第一狭缝装置的下方，正对中子束流方向设有监视器，监视器通过多道时间分析器与计算机相连接。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的第一狭缝装置、机械斩波器、中子飞行管、第二狭缝装置、探测器和屏蔽装置均安装在同一支撑架上，支撑架下部与第一基板通过转动驱动电机相连接。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的第一基板设置在第二基板的水平滑轨上，并与第二基板上的平移驱动电机相连接。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的第一狭缝装置和第二狭缝装置的狭缝的宽度可调范围为I 20mm,高度可调范围为2 20mmo进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的机械斩波器的转子通过斩波器驱动电机带动在垂直于中子束流方向的平面内转动。
进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的中子飞行管为内壁刷有氧化钆材料的铝管。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的探测器为3He正比计数管，3He正比计数管设置在含硼聚乙烯材料制成的屏蔽装置内，屏蔽装置朝向第二狭缝装置设有开口。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的监视器采用裂变电离室监视器，经成形电路与多道时间分析器连接。进一步，如上所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其中，所述的机械斩波器上设有光电开关，机械斩波器的转子上的开孔经过光电开关时产生测量周期触发信号，光电开关与多道时间分析器连接。本发明的有益效果如下:本发明所提供的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备采用相对简单的飞行时间方法和独特的机械设计，配合马达驱动整体结构，控制完成设备的平移和转动，同时实现冷中子能谱和束流各项参数的测量。与国际上公开技术相比较，本发明的优点是结构精巧，充分发挥计算机软件优势，大幅度降低硬件成本，通过软硬件配合来完成复杂的运动，整个系统更加简易稳定，实现了高精确度的转角定位和快速启制动，同时考虑到冷中子束流传输系统具体设计情况，能够充分满足各个冷中子谱仪对于束流能谱和品质参数测量的需求。
图1为本发明的设备结构示意图；图2为本发明的电子学系统框图；图3为本发明的第一和第二狭缝装置的结构示意图；图4-1为本发明的机械斩波器转子结构示意图；图4-2为图4-1的侧视图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明所提供的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，包括供冷中子束流通过的第一狭缝装置1，第一狭缝装置I的后侧设有机械斩波器2，机械斩波器2与水平设置的中子飞行管3的进口端相连接，中子飞行管3的出口端与第二狭缝装置4连接，第二狭缝装置4的后侧设有探测器和屏蔽装置5，除朝向第二狭缝装置设有开口(宽度略大于探测器直径)外，屏蔽装置5完全包裹探测器，探测器通过多道时间分析器与计算机相连接。在第一狭缝装置I的下方，正对中子束流方向设有监视器6，监视器6通过多道时间分析器与计算机相连接。所述的第一狭缝装置1、机械斩波器2、中子飞行管3、第二狭缝装置4、探测器和屏蔽装置5均安装在同一支撑架8上，支撑架8下部与第一基板9通过转动驱动电机10相连接。所述的第一基板9设置在第二基板11的水平滑轨13上，并与第二基板11上的平移驱动电机12相连接。来自冷中子束流传输系统的中子，首先将通过第一狭缝装置I的狭缝，狭缝的尺寸根据机械斩波器的二维尺寸，设计的宽度可调范围为Imm 20_，高度可调范围为2_ 20_。第一狭缝装置I下方设有监视器6，用于确定实验测量时，冷中子束流的稳定性。第一狭缝装置I的狭缝的宽度和高度通过手动调整，其结构如图3所示，多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备的第一狭缝装置和第二狭缝装置的结构相同，且为公知技术，均包括垂直调节旋钮14，调节两块垂直屏蔽材料板16之间的缝隙宽度；水平调节旋钮15，调节两块水平屏蔽材料板17之间的缝隙宽度。实验时，根据需要测量的束流情况，调节狭缝的二维尺度，降低能谱测量时的实验本底和误差。通过第一狭缝装置的连续冷中子束流，经过机械斩波器2后，变为脉冲冷中子束流，机械斩波器2的转子通过斩波器驱动电机7带动在垂直于中子束流方向的平面内转动。机械斩波器的转子是一种双孔结构的转盘，如图4-1、图4-2所示，包括不锈钢圆环压片18，不锈钢中心压片19,两个束流通孔20设计尺寸为1_X 2mm(或2_X 4mm),两侧设有不锈钢压板21和中心镉板22。机械斩波器上还设有光电开关，机械斩波器的转子上的束流通孔经过光电开关时，使光电传感器触发，产生测量周期触发信号，光电开关的光电传感器与多道时间分析器连接。本实施例中，机械斩波器的转子设计尺寸为直径300_。机械斩波器转子设计为三明治结构，并进行动平衡的测试和修正，使转子在各方向上的质量偏差小于15g,能够在7000rmp速度下连续工作12小时。脉冲束流的截面设计为ImmX2mm(或2mmX 4mm)。理想情况下,在转子5000rpm,即周期6ms时,CARR堆冷源孔道提拉门出口处注量率约为8.815 X IO1Vcm2.s,则单个脉冲中子数约为2.4X IO4个。提拉门是反应堆冷源孔道的总闸门，设计时，考虑可测量的最大注量率(即中子强度)在其出口位置，因此，设计可得到的最大脉冲中子数采用在此位置进行能谱测量的蒙特卡罗模拟数据进行计算。根据冷中子束流传输系统的实际安装情况，为保证可测量系统各处的冷中子束流品质参数，设计飞行距离最大为1000mm，设备整体长度约为1400mm。在此长度下，波长2nm的中子，飞行时间为5.056ms,对应的机械斩波器转子转速5934rpm。考虑各个谱仪对于不同波长范围需求各不相同，因此，将转子转速设定为3000rpm(对应可测量的中子波长范围为 O 3.956nm) 7000rpm(0 1.695nm)可调。通过机械斩波器射出的脉冲冷中子束流进入中子飞行管3，中子飞行管由内壁刷氧化钆材料的铝片围成筒形结构，进口端的直径略小于出口端的直径。设计时，中子飞行管的长度根据实际情况和所需要的能量分辨综合考虑。由于目前中子导管的混凝土支撑间距一般为1.4m至2.6m不等，能谱测量将覆盖整个导管系统，因此设计时，按最小间距1.4m来进行设计。考虑到整个设备的情况，设计飞行管长度为lm。同时，通过计算，认为Im的长度完全满足能量分辨的需求(对于典型的0.2nm中子，能量分辨Λ E/E，在Imm孔宽时，约为6.1%左右，ΛΕ/Ε = 0.028*SQRT(E)XAt/L。其中的Λ t应包括脉冲束时间展宽、测量时间分散、时间分析道宽、电子学信号延迟、中子角发散造成的时间误差以及其它的时间误差。由于后面造成的时间误差较前三项误差可以忽略，这里只考虑了前三项的At)。在冷中子束流抵达探测器前，还将通过第二狭缝装置4。其设计调节范围为:水平宽度Imm 20mm,垂直高度2mm 20mm。由于到达此处的中子数大为减少，因此狭缝使用含硼聚乙烯材料制造。它的主要作用是限制入射到探测器的冷中子束流，根据此设计，只有入射角低于5.2’的中子才能到达探测器。由于能谱测量的主要干扰来自Y射线，因此探测器设计使用3He正比计数管。整个探测器除面对狭缝的位置外，将包裹在含硼聚乙烯材料制成的探测器屏蔽中。探测器及其屏蔽将能够实现以机械斩波器2的转子的中垂线为轴，以转子中垂线与探测器的距离为半径，在设备的中心线附近±3°以内进行摆动，以探测中子束流的水平发散角分布情况。设计可水平摆动的角度范围为±3度。角度分辨为6.87min。监视器6设计采用裂变电离室监视器，安装于整个设备的前部，第一狭缝装置I的下方，正对冷中子束流传输系统的中子导管出口，用以测量入射到监视器的中子计数，裂变电离室监视器经前级放大与甄别后，连接多道时间分析器，给多道时间分析器定数测量提供参考。裂变电离室监视器是为现有的公知设备，设计采用美国LND INC公司的3004型U235裂变电离室监视器。其原理是利用中子与U235发生作用，发生裂变反应(U235原子的密集度相当低，3004型监视器中仅含有5mg的U235，远未达到发生链式反应的临界值)，产生裂变碎片，并使得监视器中的气体发生电离。通过对电离气体产生的电信号进行放大和处理，将转换为电子学信号进行输出。裂变电离监视器所输出的电信号再经过前级放大(电子学放大)和甄别(滤除干扰)，输入到多道时间分析器中进行记录。设计采用的3004型监视器，平均每10000个中子，将输出一个电信号。由于第一狭缝装置1、机械斩波器2、中子飞行管3、第二狭缝装置4、探测器和屏蔽装置5均安装在同一支撑架8上，支撑架8下部与第一基板9通过转动驱动电机10相连接。设计时，在机械斩波器2转子的中垂线与支撑架8的交点位置，安装一个水平轴承，支撑架8的尾端(即探测器屏蔽的下部)安装两个滑轮。这样，支撑架8的前部通过轴承与机械斩波器2、斩波器驱动电机7及底部的第一基板9相连，后部通过滑轮与第一基板9相连，实现了可通过电机或者手动，移动支撑架8以上的部分，从而能够实现导管截面中子束流的角发散分布测量。本实施例中，支撑架的转动范围设定为±3°。而且，为了还能测量导管截面的中子水平分布，将第一基板9设置在第二基板11的水平滑轨13上，并与第二基板11上的平移驱动电机12相连接，使第一基板上的各装置可以进行水平方向的平移。本实施例中，设计的水平滑轨的可移动范围为±10cm。本发明的电子学系统的组成如图2所示，主要由探测器、监视器的信号探测和获取、机械斩波器转子的起始信号获取、多道时间分析器的数据处理与分析和计算机数据显示、数据存储及数据分析部分构成。探测器、监视器探测到中子信号经前放收集和预放大，然后经快放滤波成形输出近高斯的波形，再经恒比甄别器(CFD)精确定时输出负NIM信号进入到多道时间分析器，恒比甄别器(CFD)设计采用ORTEC的584型恒比甄别器。以监视器测量的中子计数定标为前提，多道时间分析器以机械斩波器转子的光电开关信号为周期起始信号测量各个周期内各个时间道接收到的探测器信号。一个起始信号对应一个周期，转子转动时，开孔每经过光电开关，光电开关瞬时发出起始信号，触发一个新周期的测量。多道时间分析器把各个周期的测量结果累加得到一个统计误差较小的时间谱。在具体设计中，可以当监视器测量的中子计数达到设定值后触发多道时间分析器停止，也可以使用固定时间达到设定值后触发多道时间分析器停止工作。计算机读取多道时间分析器上的时间谱，并加以存储，还可以进行寻峰等一些简单的数据分析。多道时间分析器是一种现有的设备，本实施例选用CDMCA型多道时间分析器。该多道时间分析器采用时间作为计数的横坐标单位(即道)，具有最高8192道的分析能力，单个道宽最窄可达5ns (实际中，将使用0.64us作为道宽)，单道计数率最高可达lOOKevents/s，分析时间范围:80ns 10s，使用PCI板卡直接与计算机进行连接，操作界面友好直观。数据获取和处理软件为Windows 32位软件,可在Windows Xp/2000操作系统上运行。以下功能由计算机设置和控制:测量起/停；起始道、停止道选择；硬件道宽设置；测量方式:“一起一停”、“一起多停”或“多起多停”;“定时测量”或“定数测量”;测量参数:测量时间/I路总计数；分析时间道宽、总道数。获取的数据可按二进制方式存储到硬盘；文件可按“测量时间”或“文件大小”分割存储；获取的时间谱可按选择的“文件分割时间”以二进制方式自动保存。利用本发明所提供的设备的实验流程如下:首先，将设备安装在待测中子束流传输系统的端部，正对待测位置。安装在计算机上的多道时间分析器将接收来自三种信号源的信号:探测器、监视器和光电开关。测量时，有两种工作方式:1.定时测量,可以设置测量时间(精确到Ims)；2.定数测量:以监视器探测到的脉冲个数定标，定数测量的目的是为了消除反应堆堆功率涨落对各次测量之间统计一致性的影响。定时测量就是在一定的时间间隔内(由多道时间分析器内部时钟脉冲提供定标依据)多道时间分析器处于测量状态，又或者设定一个值，在接收起始信号数从O累计到设定值这段时间内多道时间分析器处于测量状态。定数测量就是将监视器探测到的脉冲个数用于定标，设定一个定数值，在监视器探测到的脉冲个数从O累计到定数值这段时间内多道时间分析器处于测量状态。多道时间分析器工作时先设定工作方式，然后用鼠标点击用户操作界面上的“测量”按钮，多道时间分析器即处于测量状态。机械斩波器的转子转动时，当开孔经过光电开关，光电开关瞬时发出起始信号，触发一个新周期的测量，该起始信号的时间定为该周期的时间零点，时间谱的道数和时间道宽都是测量之前预先设定(周期=道数X时间道宽)。在光电开关发出起始信号同时另一个开孔放入一束中子。开孔到探测器的距离恒定为lrn，脉冲束中的中子能量不同，其飞行速度也不同，这样到达探测器的时刻也不同。探测器接收的中子信号经前放收集和预放大，然后经主放滤波成形输出近高斯的波形，再经甄别器精确定时输出负NIM信号进入到多道时间分析器，多道时间分析器将该负NIM信号的时刻与周期零点时刻(即起飞信号时刻)间的时间差转化为对应的时间道数，则该对应时间道数的计数加一。周期设定小于两个起始信号的时间间隔(如果周期大于两个起始信号的时间间隔，由于转子转动频率涨落引起的停止时刻的涨落将使得停止时刻涨落范围内的数据误差太大不能被采用)。一个起始信号对应一个周期，多道时间分析器把各个周期的测量结果累加得到一个统计误差较小的时间谱。多道时间分析器将测量结果实时传送给计算机，这样测量的时间谱在计算机上可以得到实时显示。可以精确测量探测器信号时刻(即探测器信号之间不发生堆积现象)的探测器最大计数率由前放的时间常数决定。由于信号延迟时间非常小(ns量级)，在本飞行时间设备核电子学设计中不予考虑。预期设定的道数8192，时间道宽0.64μ S，道宽引起的时间误差1/8192 = 0.0122%。
下面介绍几种应用本发明设备的具体测量方法:1.截面中子水平分布测量方法为测量导管截面的中子水平分布，飞行时间设备可进行整体平移，即将第一和第二狭缝、机械斩波器的转子系统、中子飞行管、探测器及其屏蔽设计安装在第一基板上，该第一基板再通过水平滑轨安装在第二基板上。通过设计水平滑轨的可移动范围为±10cm，可实现对多个中子束流截面的中子水平分布相对测量。以CNGD (冷中子导管系统D)为例，该束流截面的中子分布不对称度为:
权利要求
1.种多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:包括供冷中子束流通过的第一狭缝装置(I)，第一狭缝装置(I)的后侧设有机械斩波器(2)，机械斩波器(2)与水平设置的中子飞行管(3)的进口端相连接，中子飞行管(3)的出口端与第二狭缝装置(4)连接，第二狭缝装置(4)的后侧设有探测器和屏蔽装置(5)，探测器通过多道时间分析器与计算机相连接。
2.权利要求1所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:在第一狭缝装置(I)的下方，正对中子束流方向设有监视器￠)，监视器(6)通过多道时间分析器与计算机相连接。
3.权利要求1或2所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的第一狭缝装置(I)、机械斩波器(2)、中子飞行管(3)、第二狭缝装置(4)、探测器和屏蔽装置(5)均安装在同一支撑架(8)上，支撑架(8)下部与第一基板(9)通过转动驱动电机(10)相连接。
4.权利要求3所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的第一基板(9)设置在第二基板(11)的水平滑轨(13)上，并与第二基板(11)上的平移驱动电机(12)相连接。
5.权利要求1所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的第一狭缝装置(I)和第二狭缝装置(4)的狭缝的宽度可调范围为I 20_，高度可调范围为2 20_。
6.权利要求1所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的机械斩波器(2)的转子通过斩波器驱动电机(7)带动在垂直于中子束流方向的平面内转动。
7.权利要求1所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的中子飞行管(3)为内壁刷有氧化钆材料的铝管。
8.权利要求1所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的探测器为3He正比计数管，3He正比计数管设置在含硼聚乙烯材料制成的屏蔽装置(5)内，屏蔽装置(5)朝向第二狭缝装置(4)设有开口。
9.权利要求2所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的监视器(6)采用裂变电离室监视器，通过成形电路与多道时间分析器连接。
10.权利要求6所述的多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备，其特征在于:所述的机械斩波器(2)上设有光电开关，机械斩波器的转子上的开孔经过光电开关时产生测量周期触发信号， 光电开关与多道时间分析器连接。
全文摘要
本发明属于冷中子束流品质二维测量技术，具体涉及一种多用途冷中子束流品质测量用飞行时间设备。其结构包括供冷中子束流通过的第一狭缝装置，第一狭缝装置的后侧设有机械斩波器，机械斩波器与水平设置的中子飞行管的进口端相连接，中子飞行管的出口端与第二狭缝装置连接，第二狭缝装置的后侧设有探测器和屏蔽装置，探测器通过多道时间分析器与计算机相连接。本发明结构精巧，硬件成本低，整个系统更加简易稳定，能够实现高精确度的转角定位和快速启制动，同时考虑到冷中子束流传输系统具体设计情况，能够充分满足各个冷中子谱仪对于束流能谱和品质参数测量的需求。
文档编号G01T3/00GK103091701SQ201110332619
公开日2013年5月8日 申请日期2011年10月28日 优先权日2011年10月28日
发明者陈东风, 刘蕴韬, 梁峰, 王洪立, 陈军, 包宗渝, 余周香, 孙凯, 韩松柏, 郝丽杰, 武梅梅, 焦学胜, 张莉, 高建波, 李天富, 吴立齐 申请人:中国原子能科学研究院
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