BRISOL靶源的远控操作机制范文

本站小编为你精心准备了BRISOL靶源的远控操作机制参考范文，愿这些范文能点燃您思维的火花，激发您的写作灵感。欢迎深入阅读并收藏。

《原子核物理评论杂志》2015年第S1期

摘要:

北京放射性核束装置在线同位素分离器(BeijingRadioactiveIon-beamFacilitiesIsotopeSeparatorOn-line)利用回旋加速器提供的100MeV高能质子束轰击靶材料产生放射性核束。高能质子束轰击靶材料产生的最高1014n/s的中子及很强的γ射线会对靶附件的设备造成严重的活化。为了解决靶源系统设备的维护问题，靶源系统采用模块化设计。靶源系统共分为3个模块，每个模块具有独立的水冷、供电及电信号馈入。真空、水、电、气等可以伴随模块的插拔自动接通或者断开。各模块可以通过特制的吊钩远程抓取或者释放，借助监控系统，实现各个模块从靶源间到热室的远程转运。该系统已完成了安装和调试，并已投入使用。

关键词:

在线同位素分离器；靶源系统；快速接头；遥控操作

一、引言

北京放射性核束装置在线同位素分离器(BeijingRadioactiveIon-beamFacilitiesIsotopeSeparatorOn-line，brisol)项目的目的是利用100MeV，200µA回旋加速器产生的质子束流，打靶产生中短寿命放射性核素，在线将靶中产生的中性放射性核素原子转换成带电粒子，通过磁分析器分选出要求的放射性核束，注入到串列加速器中后加速，或者将放射性核束传输至低能放射性核束实验终端，开展物理实验研究[1]。靶源系统可视为BRISOL系统的注入器。质子束和选定靶材料的相互作用，放射性核素的产生、电离、引出，均在靶源系统中完成。靶源系统由3个部分组成：对回旋加速器注入束流进行在线检测的束流诊断系统、在线打靶并产生和引出放射性核素的靶源系统、对放射性核素进行聚焦并传输的束流传输单元。

二、靶源系统的工作环境

靶源系统在工作时有大量中子及γ射线产生。中子及γ射线对真空密封材料、电气设备中的绝缘材料及电子仪器中半导体元器件有损伤作用。同时中子对离子源源体及真空室器壁材料有活化作用，这导致靶源在停止工作后相当长的时间内仍有较强的放射性。

三、靶源系统模块化插拔式设计方案

靶源系统模块化方案是将靶源系统设计成相对独立的3个插拔式模块，模块所需要的水冷、电信号馈入和输出、供电、真空获取方面的连接也集成为模块化快速接头。集成化的快速接头模块，插头部分安装在可动的靶源系统模块上，插座部分固定在靶源真空室上。上部吊车远控抓取靶源系统模块安装入靶源真空室，快速接头模块插头跟随靶源系统模块一起准确就位，与插座模块对接，导通水冷、电信号、真空获取等连接。吊车自动抓具释放，靶源模块依靠自重在靶源真空室上实现真空密封。需要检修更换零件时，吊车抓取模块，吊运至靶源处理室内处理。

3.1靶源系统耐辐照、活化后低剂量率材料的选择“靶源间”在工作状态时具有高的中子辐射，安装在“靶源间”内的零部件因活化而具有放射性，对靶源间内设备维修带来困难。所以靶源间内零部件设计选取低活化材料是非常有必要的。图1为常见金属材料活化后光子剂量率随时间变化曲线。由图可见，经长时间衰变之后，铅、铝合金LD31和钛合金TC4光子剂量率显著低于其他材料，比不锈钢低大约两个数量级。靶源真空系统普遍采用铝合金材料，尽量避免使用不锈钢材料

3.2靶源系统模块靶源系统模块化设计为束流诊断模块、靶源模块和束流输运(透镜)模块3个模块。束流诊断模块可以对回旋加速器供给的束流进行在线检测；靶源模块为BRISOL系统的离子源，高能质子束在靶源模块打靶产生放射性核素并电离；透镜模块聚焦束流并传输至BRISOL的束流光学系统。图2为BRISOL靶源系统装配图。

3.2.1靶源系统模块设计拟解决的问题(1)减少电机、气缸等不耐辐照动力输出设备的使用。(2)模块设计考虑满足远距操作方案；模块维修使用机械手维修。(3)重心问题。模块吊钩两维可调并通过模块的重心。(4)3个模块工作中相互连接成束流可通过的整体，吊运维修过程中成自密封状态。设计了不需要外供动力的“对接开闭窗”解决模块的工作状态的导通与搬运过程的自封闭。(5)靶源模块上布置快速接头模块来提供水、电、气的连接。快速接头模块为浮动式结构可避免卡死现象。(6)采用气缸驱动快速接头模块方案解决模块插拔时候，快速接头的接插力给模块带来的倾覆力矩。

3.2.2靶源模块的设计靶源模块是质子束打靶的模块，是3个模块中结构最为复杂的一个。靶源模块整体悬挂在一个方形靶源真空室的上盖板下面，真空通过位于屏蔽块下的分子泵获得，分子泵的前级则从位于“第一分析段”高压台架上的初级真空泵通过穿墙管连接到分子泵的出气口。靶源模块主要由铁屏、表面电离源及安装框架、快速接头模块、电气连接及真空获取等部件组成。铁屏为厚度360mm×800mm见方的铁块，用来减弱工作时与停机后γ辐射对分子泵、真空密封圈的损伤[2]。模块为相对自密封结构。束流入口和出口上安装有“对接开闭窗”，在拆卸吊运模块的过程中封闭模块，避免模块内部放射性废物污染外界。吊车吊运靶源模块沿导向销钉安装到靶源真空室上，快速接头就位后自动对准，气缸驱动快速接头的插头部分运动与插座部分对接，连通模块所需的电信号、真空获取、冷却水等。靶源模块的快速接头分为地电位接头模块和50kV高压接头模块两种，50kV高压接头模块上全部连接相互绝缘，包括电、气、水等共计47个信号。集成化快速接头模块，均为浮动式设计，避免卡死而损坏。束流诊断模块和束流输运模块的结构与靶源模块结构类似，设计方案大体相同。

四、BRISOL靶源系统监控方案

靶源系统监控方案的目的是在摄像头的辅助下，利用安装有自动抓具的高精度吊车，实现对BRISOL靶源系统的自动抓取、转运、释放。实现BRISOL靶系统监控系统的具体措施是在BRISOL靶室外厅安装有高精度吊车，装配有可±180°旋转的旋转吊钩。旋转吊钩下方装配定制的自动抓具。监控系统共包括10个摄像头，分为3组。第一组6个摄像头固定在吊车自动抓具上，竖直向下安装，3个为一组，分别对准靶源系统模块上的3个销孔。摄像头为变焦带十字线镜头，十字线起对准作用。该组摄像头，确保靶源系统模块与靶源真空室通过销钉准确定位。第二组4个摄像头，固定在自动抓具上，水平安装，成90°布置，两个为一组，对准BRISOL靶室外厅墙上刻线，用来指示自动抓具在水平面上的扭转角度以及高度上的位置。第三组2个摄像头，固定在吊车小车上，大范围观。

五、安装调试结果

BRISOL靶源系统已经完成安装并调试完毕，利用回旋加速器产生的100MeV，1µA质子束流，轰击氧化钙靶产生放射性核素38K+。调试过程中，多次实现各个模块从靶源间到热室的远程转运，靶源系统模块、开闭窗、快速接头模块等进行过多次的自动对接，运行测靶源系统模块放置到靶源真空室的整体过程。全部摄像头的视频线、控制线和电源线均沿吊车布线的路径引入到监控系统的控制终端——“BRISOL前区”。视频线连接到键盘录像机，控制线连接到控制终端，从而实现对每个摄像头调焦的远程控制。监控系统的布线方案见图3。安全可靠。

参考文献：

[1]CUIB,PENGZ,MAY,etal.NuclInstrMethB,2008,266,4113.

[2]CUIB,HUANGQ,TANGB,etal.ReviewofScientificInstruments2014,85:02B911.

作者:黄青华 崔保群 陈立华 唐兵 马瑞刚 马鹰俊 葛帅 马燮 姜冲 地址:中国原子能科学研究院