一种中子带宽限制斩波器的制作方法

1.本实用新型属于中子检测设备技术领域，特别涉及一种中子带宽限制斩波器，属于脉冲中子源上的飞行时间型中子散射谱仪上不可缺少的关键设备之一。


背景技术：

2.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。
3.现阶段大多的中子带宽斩波器都采用直接驱动的方式驱动转动体。但国外也存在少部分采用非直接驱动的方式比如采用皮带的间接驱动，但采用这种方式的驱动会导致能量损耗较大、产生较大的震动同时不利于相位的精确控制。同时也有采用电机在真空外通过联轴器以及磁流体等方法非直接驱动但同样这种方式也会存在一定的延迟并且采用非直驱的方式响应速度会降低。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中所存在的一个或多个技术问题,本实用新型目的在于提供一种中子带宽限制斩波器，其目的在于去除背底、提高信噪比和波段选择的作用。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
6.一种中子带宽限制斩波器，包括密封壳装配体、转动体和固定基座装配体，所述密封壳装配体由前后两块密封壳体合围，且合围处形成中空的斩波器腔体，所述前端密封壳体上设置有前端盖法兰盘，所述后端密封壳体上设置有后端盖法兰盘，所述前端盖法兰盘与所述后端盖法兰盘之间连接所述转动体，且所述前端密封壳体与所述后端密封壳体之间设置有密封圈；所述转动体设置于所述斩波器腔体内，并将所述斩波器腔体分割为上腔体和下腔体，所述转动体包括主轴和转盘，所述转盘套设在所述主轴上，且所述转盘与所述主轴同轴设置，所述主轴的一端传动连接有无框电机，所述无框电机直接驱动所述主轴并带动所述转盘转动，且所述无框电机与所述主轴之间套设有多个双列角接触轴承，以提升所述无框电机的转动系统刚性和承载能力，所述双列角接触轴承外固定连接有轴承定位环；所述固定基座装配体与所述密封壳装配体采用分离式结构连接，且所述密封壳装配体和所述固定基座装配体的紧固位置与斩波器的重心位于同一水平面上。
7.作为上述技术方案的进一步改进，所述前端密封壳体与所述后端密封壳体之间开设有用于中子束流穿过斩波器的中子束窗、用于现场动平衡的法兰盘，位于法兰盘之间的光电组件以及用于对所述斩波器腔体进行抽真空的真空抽空口，所述中子束窗与所述真空抽空口均位于所述固定基座装配体上，且所述真空抽空口设置有两个，两个所述真空抽空口分别位于所述中子束窗的两侧对称设置。
8.作为上述技术方案的进一步改进，所述无框电机包括无框电机转子和无框电机定
子，所述无框电机转子与所述无框电机定子套设在所述主轴上，且所述无框电机定子的一侧连接有电机转子隔套，所述无框电机定子外侧设置有水冷套，所述水冷套外套设有驱动端轴承座。
9.作为上述技术方案的进一步改进，所述无框电机外盖合有电机后法兰，所述主轴的尾端转动连接有旋变转子、旋变定子和旋变压紧盘，所述旋变转子、旋变定子和旋变压紧盘由内向外依次套设在所述主轴上。
10.作为上述技术方案的进一步改进，所述主轴平行于中子束方向设置，所述转盘上开设有扇形开口，且所述转盘上设置有用于防止震动的转盘压紧垫片、转盘芯套和配重块，所述转盘外侧边缘上还涂覆有中子吸收涂层，所述中子吸收涂层采用碳化硼或氧化钆中子吸收材料。
11.作为上述技术方案的进一步改进，所述固定基座装配体包括基板和基座，所述基座叠设于所述基板上，所述基板上设置有调节块，通过所述调节块对所述密封壳体进行x/y方向调节，精确定位斩波器的安装位置；所述基座与所述基板之间设置有靶标座进行定位连接。
12.作为上述技术方案的进一步改进，所述基座的两侧固定连接有支撑臂，所述支撑臂上设置有用于吊装所述密封壳体的导杆。
13.作为上述技术方案的进一步改进，所述密封壳装配体和所述固定基座装配体的材料可选用7075-t6超硬铝或者不锈钢304/316。
14.综上所述，本实用新型的有益效果为：
15.1、本实用新型的中子带宽斩波器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，本技术的中子带宽斩波器，结构简单、使用方便，为中子束流的应用奠定了基础。
16.2、本实用新型的中子带宽斩波器在国内中子源和同步光源等领域有着大量需求，实现带宽斩波器的国产化，可以为国家节约大量科研经费和有利于打破国外垄断的局面。
附图说明
17.下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步的说明；
18.图1是本实用新型实施例所提供的中子带宽斩波器的结构示意图；
19.图2是本实用新型实施例所提供的中子带宽斩波器的前视图；
20.图3是本实用新型实施例所提供的中子带宽斩波器的后视图；
21.图4是图3中本实用新型实施例所提供的中子带宽斩波器a-a面剖视图；
22.图5是本实用新型实施例所提供的转盘的结构示意图。
23.图中的附图标记说明：
24.1、密封壳装配体；11、前端密封壳体；111、前端盖法兰盘；112、轴承座；12、后端密封壳体；121、后端盖法兰盘；13、斩波器腔体；131、上腔体；132、下腔体；14、光电组件；15、中子束窗；16、法兰盘；17、真空抽空口；2、转动体；21、主轴；22、转盘；221、扇形开口；222、转盘压紧垫片；223、转盘芯套；224、配重块；23、无框电机；231、无框电机外盖；232、旋变转子；233、旋变定子；234、旋变压紧盘；235、电机转子隔套；236、无框电机转子；237、无框电机定子；24、双列角接触轴承；241、轴承定位环；242、轴承角套；243、锁紧螺母；25、水冷套；26、驱
动端轴承座；261、震动传感器；29、电机后法兰；3、固定基座装配体；31、基板；311、调节块；32、基座；321、支撑臂；322、导杆；33、靶标座；4、动力线接口；5、信号线接口；6、温度传感器；7、冷水入口；8、冷水出口；9、密封圈。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.本领域技术人员应理解的是，在本实用新型的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此上述术语不能理解为对本实用新型的限制。
27.在本实用新型的描述中，如果具有“若干”之类的词汇描述，其含义是一个或者多个，多个的含义是两个及以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二、第三只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
28.参照图1至图5，下面对本实用新型的一种中子带宽限制斩波器举出若干实施例。
29.一种中子带宽限制斩波器，如图1至5所示，包括密封壳装配体1、转动体2和固定基座装配体3，密封壳装配体1由前后两块密封壳体合围，且合围处形成中空的斩波器腔体13，前端密封壳体11上设置有前端盖法兰盘111，前端盖法兰盘111内设置有轴承座112，后端密封壳体12上设置有后端盖法兰盘121，前端盖法兰盘111与后端盖法兰盘121之间连接转动体2，且前端密封壳体11与后端密封壳体12之间设置有密封圈9；
30.在本实施例中，前端密封壳体11与后端密封壳体12之间开设有用于中子束流穿过斩波器的中子束窗15、用于现场动平衡的法兰盘16，位于法兰盘16之间的光电组件14以及用于对斩波器腔体13进行抽真空的真空抽空口17，中子束窗15与真空抽空口17均位于固定基座装配体3上，且真空抽空口17设置有两个，两个真空抽空口17分别位于中子束窗15的两侧对称设置。
31.具体的，对于斩波器腔体13主要功能是为转盘22提供真空环境，其要求为：真空度小于10pa，真空漏率小于1
×
10-6pa
·
l/s。斩波器腔体13上设计有吊装螺钉，吊装位置与设备中心重合，保证设备吊装水平，额定吊装重量大于腔体及相关吊装部件的重量之和。而带宽限制中子斩波器机械结构主要分为三个部分：转动体2、密封腔和固定基座32。其中，转动体2中的转盘22是带宽斩波器最核心的部件，固定在主轴21上用于转动时切割中子束流。密封腔为转盘22切割中子提供真空腔体和安全防护，与转盘22部分一起组成了密封壳装配体1，而固定基座装配体3为设备提供支撑，方便现场安装。
32.转动体2设置于斩波器腔体13内，并将斩波器腔体分割为上腔体131和下腔体132，转动体2包括主轴21和转盘22，转盘22套设在主轴21上，且转盘22与主轴21同轴设置，主轴
21外传动连接有无框电机23，无框电机23直接驱动主轴21并带动转盘22转动，且无框电机23与主轴21之间套设有多个双列角接触轴承24，以提升无框电机23的转动系统刚性和承载能力，双列角接触轴承24外固定连接有轴承定位环241；
33.采用自主研制适用于斩波器的无框电机23，无框电机23具有真空密封外壳231，通过前端法兰盘16与斩波器腔体13连接，无框电机23在真空中直接驱动转盘22；采用双列角接触轴承24(涂抹真空润滑脂)，并在轴承24的外侧连接有轴承角套242和锁紧螺母243，能够有效降低主轴圆跳动，使得轴承使用寿命更长，从而提高了斩波器的可靠性。同时在斩波器运行稳定的前提下应尽可能减小斩波器系统，因此采用的电机是自主研制适用于斩波器的真空小功率电机，也正因如此斩波器有非常大的转动惯量比。而采用非直驱的方式响应速度会降低。对于中子带宽限制斩波器而言，因为其转盘22惯量相对于电机惯量相差1万倍以上因此转盘22的响应速度会很慢，如果采用直驱的方式则会加快转盘22的响应速度(直驱的方式可以让无框电机23直接参与动作)。对于采用直驱的中子带宽斩波器来说，其相位控制精度
±
3σ＝
±
24μs(即相位误差99.7％在
±
24μs以内)。
34.固定基座装配体3与密封壳装配体1采用分离式结构连接，且密封壳装配体1和固定基座装配体3的紧固位置与斩波器的重心位于同一水平面上。
35.具体的，密封壳装配体1和基座32采用分离式结构，维护时可吊出的部分称之为斩波器腔体13(包括全部或部分密封壳体、电机、转盘22等)，固定在束线现场不取出的部分称为固定基座装配体3(包括基板31、基板31、基座32或部分密封壳体)。斩波器腔体13是电机、转盘22等斩波器主要部件安装的载体，也是斩波器可吊装维护的部件。固定基座装配体3主要承担支撑固定和安装位置调整的功能，一般在束线上不拆卸。固定基座装配体3应厚实，刚度足够，与基台连接牢固，不可有松动；斩波器维修时只需取出密封壳即可，基座32不动。再次安装时通过销钉快速重复定位，方便维护。密封壳装配体1和基座32的紧固位置与斩波器重心在同一水平面，有利于降低运行时的振动。
36.在本实施例中，无框电机23包括无框电机转子236和无框电机定子237，无框电机转子236与无框电机定子237套设在所述主轴21上，且无框电机定子237的一侧连接有电机转子隔套235，无框电机定子237外侧设置有水冷套25，水冷套25外套设有驱动端轴承座26。
37.具体的，水冷套25能够加快冷却效率，而在驱动端轴承座26上连接有震动传感器261则能够监控主轴21的震动情况，防止主轴21跳动过大造成影响。
38.在本实施例中，无框电机23外盖合有电机后法兰29，主轴21的尾端转动连接有旋变转子232、旋变定子233和旋变压紧盘234，旋变转子232、旋变定子233和旋变压紧盘234由内向外依次套设在主轴21上。
39.具体的，旋变转子232与主轴21过盈配合，从而带动主轴21旋转，主轴21与转盘22过盈配合，而转盘22上设置有配重块224，并且主轴21与配重块224采用螺栓连接，还因此无框电机23可以带动转盘22和配重块224转动；另外，旋变定子233上设计有电机水冷外壳，电机水冷外壳上设有用于连接冷水或排放风水的冷水入口7和冷水出口8，从而方便对电机定子进行冷却；电机水冷外壳与冷水连接的管路上设置有水电连接板，通过水电连接板的快速接口控制总水路断开或连接。并且中子带宽限制斩波器的控制精度尤为重要，而对于一些采用非直接驱动方式驱动转动体22的斩波器而言其控制精度会大打折扣就比如采用皮带的驱动方式驱动(这种方式能量损耗大，用久了皮带打滑)转动体22会造成较大的震动更
重要的是相位精度难以保证，同时还伴随延迟。在本实施例中，主轴21平行于中子束方向设置，转盘22上开设有扇形开口221，且转盘22上设置有用于防止震动的转盘压紧垫片221和转盘芯套222和配重块223，转盘22外侧边缘上还涂覆有中子吸收涂层，中子吸收涂层采用碳化硼或氧化钆中子吸收材料。
40.具体的，中子带宽限制斩波器转盘22厚度为几毫米，涂有碳化硼或氧化钆等中子吸收材料，主要用于吸收低能中子，其主轴21平行于中子束方向。转盘22上设有扇形开口221，只有在转盘22开口时间内的中子束才能通过，否则就被中子吸收材料挡住吸收；转盘22采用7075-t6超硬铝合金材料制成，其形状为大直径薄圆盘。
41.在本实施例中，固定基座装配体3包括基板31和基座32，基座32叠设于基板31上，基板31上设置有调节块311，通过调节块311对所述密封壳体11进行x/y方向调节，精确定位斩波器的安装位置；基座32与基板31之间设置有靶标座33进行定位连接。
42.具体的，固定基座装配体3有位置调节功能，xy平面调节量在
±
8mm，高度方向不可调。同时固定基座装配体3和斩波器腔体12间由销钉进行定位，以保证斩波器的重复安装精度。
43.在本实施例中，基座32的两侧固定连接有支撑臂321，所述支撑臂321上设置有用于吊装所述密封壳体11的导杆322。
44.具体的，调节块311、靶标座33和导杆322等都是为了准确安装密封壳体11，以实现斩波器对快中子束流的准确阻挡和吸导杆322收。
45.在本实施例中，密封壳装配体1和固定基座装配体3的材料可选用7075-t6超硬铝或者不锈钢304/316。
46.在实际的应用中，斩波器系统还包括控制系统、上层系统、真空系统以及多级连锁机制，分别实现斩波器的高精度同步相位控制、实时状态监控、运行环境保持、等功能。其中，真空直驱斩波器与控制系统之间通过机电控制系统连接，并利用斩波器上的光电/震动/真空/温度传感器来检测系统的运行状态和数据，真空系统能够为斩波器提供所需的真空环境，使其工作环境更接近实验数据，上层系统与控制系统之间的利用电信号进行连接，可实时将程序数据、t0信号/注入周期信号、控制pv量、epics以及状态pv量等信号发送至控制系统中，由控制系统进行综合处理，并将其中的检测信号以报警信号回输至上层系统中；另外，多级连锁机制与控制系统反馈连接，以控制后续产生的多级连锁反应。
47.本实施例的工作原理：
48.带宽限制斩波器转动的相位同样必须与散裂中子源中子产生的信号同步，斩波器控制系统首先接收到质子束打靶加速器信号(中子产生)，对电机转动位置进行相位控制，保证中子束从靶站飞行到达斩波器时，转盘22转到指定位置，从而截取需要波段范围的中子束。截取的起始波长λ0由带宽限制斩波器开口的入口边沿信号与中子产生信号的相位差决定，截取的波长宽度δλ由开口角度和转速决定。而转盘22的驱动方式则采用无框电机23直接驱动的形式驱动。
49.本具体实施方式的实施例均为本技术的较佳实施例，并非依此限制本技术的保护范围，其中相同的零部件用相同的附图标记表示。故：凡依本技术的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种中子带宽限制斩波器，其特征在于，包括密封壳装配体、转动体和固定基座装配体，所述密封壳装配体由前后两块密封壳体合围，且合围处形成中空的斩波器腔体，所述前端密封壳体上设置有前端盖法兰盘，所述后端密封壳体上设置有后端盖法兰盘，所述前端盖法兰盘与所述后端盖法兰盘之间连接所述转动体，且所述前端密封壳体与所述后端密封壳体之间设置有密封圈；所述转动体设置于所述斩波器腔体内，并将所述斩波器腔体分割为上腔体和下腔体，所述转动体包括主轴和转盘，所述转盘套设在所述主轴上，且所述转盘与所述主轴同轴设置，所述主轴的一端传动连接有无框电机，所述无框电机直接驱动所述主轴并带动所述转盘转动，且所述无框电机与所述主轴之间套设有多个双列角接触轴承，以提升所述无框电机的系统刚性和承载能力，所述双列角接触轴承外固定连接有轴承定位环；所述固定基座装配体与所述密封壳装配体采用分离式结构连接，且所述密封壳装配体和所述固定基座装配体的紧固位置与斩波器的重心位于同一水平面上。2.根据权利要求1所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述前端密封壳体与所述后端密封壳体之间开设有用于中子束流穿过斩波器的中子束窗、用于现场动平衡的法兰盘，位于法兰盘之间的光电组件以及用于对所述斩波器腔体进行抽真空的真空抽空口，所述中子束窗与所述真空抽空口均位于所述固定基座装配体上，且所述真空抽空口设置有两个，两个所述真空抽空口分别位于所述中子束窗的两侧对称设置。3.根据权利要求1所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述无框电机包括无框电机转子和无框电机定子，所述无框电机转子与所述无框电机定子套设在所述主轴上，且所述无框电机定子的一侧连接有电机转子隔套，所述无框电机定子外侧设置有水冷套，所述水冷套外套设有驱动端轴承座。4.根据权利要求1所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述无框电机外盖合有电机后法兰，所述主轴的尾端转动连接有旋变转子、旋变定子和旋变压紧盘，所述旋变转子、旋变定子和旋变压紧盘由内向外依次套设在所述主轴上。5.根据权利要求1所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述主轴平行于中子束方向设置，所述转盘上开设有扇形开口，且所述转盘上设置有用于防止震动的转盘压紧垫片、转盘芯套和配重块，所述转盘外侧边缘上还涂覆有中子吸收涂层，所述中子吸收涂层采用碳化硼或氧化钆中子吸收材料。6.根据权利要求1所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述固定基座装配体包括基板和基座，所述基座叠设于所述基板上，所述基板上设置有调节块，通过所述调节块对所述密封壳体进行x/y方向调节，精确定位斩波器的安装位置；所述基座与所述基板之间设置有靶标座进行定位连接。7.根据权利要求4所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述基座的两侧固定连接有支撑臂，所述支撑臂上设置有用于吊装所述密封壳体的导杆。8.根据权利要求4所述的中子带宽限制斩波器，其特征在于，所述密封壳装配体和所述固定基座装配体的材料可选用7075-t6超硬铝或者不锈钢304/316。

技术总结
本实用新型属于中子检测设备技术领域，特别涉及一种中子带宽限制斩波器，包括密封壳装配体、转动体和固定基座装配体，所述密封壳装配体由前后两块密封壳体合围，且合围处形成中空的斩波器腔体；所述转动体设置于斩波器腔体内，转动体包括主轴和转盘，转盘套设在主轴上，主轴外传动连接有无框电机，无框电机与主轴之间套设有多个双列角接触轴承，以提升系统刚性和承载能力；所述固定基座装配体与密封壳装配体采用分离式结构连接。本实用新型的中子带宽斩波器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；且结构简单、使用方便，为中子束流的应用奠定了基础。定了基础。定了基础。


技术研发人员：蔡伟亮 王平 张清 蔡泽迎 邓荔源 陈昌浩
受保护的技术使用者：散裂中子源科学中心
技术研发日：2023.02.06
技术公布日：2023/9/3