BRISOL靶源的遠(yuǎn)控操作機(jī)制范文

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《原子核物理評論雜志》2015年第S1期

摘要:

北京放射性核束裝置在線同位素分離器(BeijingRadioactiveIon-beamFacilitiesIsotopeSeparatorOn-line)利用回旋加速器提供的100MeV高能質(zhì)子束轟擊靶材料產(chǎn)生放射性核束。高能質(zhì)子束轟擊靶材料產(chǎn)生的最高1014n/s的中子及很強(qiáng)的γ射線會對靶附件的設(shè)備造成嚴(yán)重的活化。為了解決靶源系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)問題，靶源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。靶源系統(tǒng)共分為3個模塊，每個模塊具有獨(dú)立的水冷、供電及電信號饋入。真空、水、電、氣等可以伴隨模塊的插拔自動接通或者斷開。各模塊可以通過特制的吊鉤遠(yuǎn)程抓取或者釋放，借助監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各個模塊從靶源間到熱室的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)運(yùn)。該系統(tǒng)已完成了安裝和調(diào)試，并已投入使用。

關(guān)鍵詞:

在線同位素分離器；靶源系統(tǒng)；快速接頭；遙控操作

一、引言

北京放射性核束裝置在線同位素分離器(BeijingRadioactiveIon-beamFacilitiesIsotopeSeparatorOn-line，brisol)項(xiàng)目的目的是利用100MeV，200µA回旋加速器產(chǎn)生的質(zhì)子束流，打靶產(chǎn)生中短壽命放射性核素，在線將靶中產(chǎn)生的中性放射性核素原子轉(zhuǎn)換成帶電粒子，通過磁分析器分選出要求的放射性核束，注入到串列加速器中后加速，或者將放射性核束傳輸至低能放射性核束實(shí)驗(yàn)終端，開展物理實(shí)驗(yàn)研究[1]。靶源系統(tǒng)可視為BRISOL系統(tǒng)的注入器。質(zhì)子束和選定靶材料的相互作用，放射性核素的產(chǎn)生、電離、引出，均在靶源系統(tǒng)中完成。靶源系統(tǒng)由3個部分組成：對回旋加速器注入束流進(jìn)行在線檢測的束流診斷系統(tǒng)、在線打靶并產(chǎn)生和引出放射性核素的靶源系統(tǒng)、對放射性核素進(jìn)行聚焦并傳輸?shù)氖鱾鬏攩卧?/p>

二、靶源系統(tǒng)的工作環(huán)境

靶源系統(tǒng)在工作時(shí)有大量中子及γ射線產(chǎn)生。中子及γ射線對真空密封材料、電氣設(shè)備中的絕緣材料及電子儀器中半導(dǎo)體元器件有損傷作用。同時(shí)中子對離子源源體及真空室器壁材料有活化作用，這導(dǎo)致靶源在停止工作后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)仍有較強(qiáng)的放射性。

三、靶源系統(tǒng)模塊化插拔式設(shè)計(jì)方案

靶源系統(tǒng)模塊化方案是將靶源系統(tǒng)設(shè)計(jì)成相對獨(dú)立的3個插拔式模塊，模塊所需要的水冷、電信號饋入和輸出、供電、真空獲取方面的連接也集成為模塊化快速接頭。集成化的快速接頭模塊，插頭部分安裝在可動的靶源系統(tǒng)模塊上，插座部分固定在靶源真空室上。上部吊車遠(yuǎn)控抓取靶源系統(tǒng)模塊安裝入靶源真空室，快速接頭模塊插頭跟隨靶源系統(tǒng)模塊一起準(zhǔn)確就位，與插座模塊對接，導(dǎo)通水冷、電信號、真空獲取等連接。吊車自動抓具釋放，靶源模塊依靠自重在靶源真空室上實(shí)現(xiàn)真空密封。需要檢修更換零件時(shí)，吊車抓取模塊，吊運(yùn)至靶源處理室內(nèi)處理。

3.1靶源系統(tǒng)耐輻照、活化后低劑量率材料的選擇“靶源間”在工作狀態(tài)時(shí)具有高的中子輻射，安裝在“靶源間”內(nèi)的零部件因活化而具有放射性，對靶源間內(nèi)設(shè)備維修帶來困難。所以靶源間內(nèi)零部件設(shè)計(jì)選取低活化材料是非常有必要的。圖1為常見金屬材料活化后光子劑量率隨時(shí)間變化曲線。由圖可見，經(jīng)長時(shí)間衰變之后，鉛、鋁合金LD31和鈦合金TC4光子劑量率顯著低于其他材料，比不銹鋼低大約兩個數(shù)量級。靶源真空系統(tǒng)普遍采用鋁合金材料，盡量避免使用不銹鋼材料

3.2靶源系統(tǒng)模塊靶源系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)為束流診斷模塊、靶源模塊和束流輸運(yùn)(透鏡)模塊3個模塊。束流診斷模塊可以對回旋加速器供給的束流進(jìn)行在線檢測；靶源模塊為BRISOL系統(tǒng)的離子源，高能質(zhì)子束在靶源模塊打靶產(chǎn)生放射性核素并電離；透鏡模塊聚焦束流并傳輸至BRISOL的束流光學(xué)系統(tǒng)。圖2為BRISOL靶源系統(tǒng)裝配圖。

3.2.1靶源系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)擬解決的問題(1)減少電機(jī)、氣缸等不耐輻照動力輸出設(shè)備的使用。(2)模塊設(shè)計(jì)考慮滿足遠(yuǎn)距操作方案；模塊維修使用機(jī)械手維修。(3)重心問題。模塊吊鉤兩維可調(diào)并通過模塊的重心。(4)3個模塊工作中相互連接成束流可通過的整體，吊運(yùn)維修過程中成自密封狀態(tài)。設(shè)計(jì)了不需要外供動力的“對接開閉窗”解決模塊的工作狀態(tài)的導(dǎo)通與搬運(yùn)過程的自封閉。(5)靶源模塊上布置快速接頭模塊來提供水、電、氣的連接。快速接頭模塊為浮動式結(jié)構(gòu)可避免卡死現(xiàn)象。(6)采用氣缸驅(qū)動快速接頭模塊方案解決模塊插拔時(shí)候，快速接頭的接插力給模塊帶來的傾覆力矩。

3.2.2靶源模塊的設(shè)計(jì)靶源模塊是質(zhì)子束打靶的模塊，是3個模塊中結(jié)構(gòu)最為復(fù)雜的一個。靶源模塊整體懸掛在一個方形靶源真空室的上蓋板下面，真空通過位于屏蔽塊下的分子泵獲得，分子泵的前級則從位于“第一分析段”高壓臺架上的初級真空泵通過穿墻管連接到分子泵的出氣口。靶源模塊主要由鐵屏、表面電離源及安裝框架、快速接頭模塊、電氣連接及真空獲取等部件組成。鐵屏為厚度360mm×800mm見方的鐵塊，用來減弱工作時(shí)與停機(jī)后γ輻射對分子泵、真空密封圈的損傷[2]。模塊為相對自密封結(jié)構(gòu)。束流入口和出口上安裝有“對接開閉窗”，在拆卸吊運(yùn)模塊的過程中封閉模塊，避免模塊內(nèi)部放射性廢物污染外界。吊車吊運(yùn)靶源模塊沿導(dǎo)向銷釘安裝到靶源真空室上，快速接頭就位后自動對準(zhǔn)，氣缸驅(qū)動快速接頭的插頭部分運(yùn)動與插座部分對接，連通模塊所需的電信號、真空獲取、冷卻水等。靶源模塊的快速接頭分為地電位接頭模塊和50kV高壓接頭模塊兩種，50kV高壓接頭模塊上全部連接相互絕緣，包括電、氣、水等共計(jì)47個信號。集成化快速接頭模塊，均為浮動式設(shè)計(jì)，避免卡死而損壞。束流診斷模塊和束流輸運(yùn)模塊的結(jié)構(gòu)與靶源模塊結(jié)構(gòu)類似，設(shè)計(jì)方案大體相同。

四、BRISOL靶源系統(tǒng)監(jiān)控方案

靶源系統(tǒng)監(jiān)控方案的目的是在攝像頭的輔助下，利用安裝有自動抓具的高精度吊車，實(shí)現(xiàn)對BRISOL靶源系統(tǒng)的自動抓取、轉(zhuǎn)運(yùn)、釋放。實(shí)現(xiàn)BRISOL靶系統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的具體措施是在BRISOL靶室外廳安裝有高精度吊車，裝配有可±180°旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)吊鉤。旋轉(zhuǎn)吊鉤下方裝配定制的自動抓具。監(jiān)控系統(tǒng)共包括10個攝像頭，分為3組。第一組6個攝像頭固定在吊車自動抓具上，豎直向下安裝，3個為一組，分別對準(zhǔn)靶源系統(tǒng)模塊上的3個銷孔。攝像頭為變焦帶十字線鏡頭，十字線起對準(zhǔn)作用。該組攝像頭，確保靶源系統(tǒng)模塊與靶源真空室通過銷釘準(zhǔn)確定位。第二組4個攝像頭，固定在自動抓具上，水平安裝，成90°布置，兩個為一組，對準(zhǔn)BRISOL靶室外廳墻上刻線，用來指示自動抓具在水平面上的扭轉(zhuǎn)角度以及高度上的位置。第三組2個攝像頭，固定在吊車小車上，大范圍觀。

五、安裝調(diào)試結(jié)果

BRISOL靶源系統(tǒng)已經(jīng)完成安裝并調(diào)試完畢，利用回旋加速器產(chǎn)生的100MeV，1µA質(zhì)子束流，轟擊氧化鈣靶產(chǎn)生放射性核素38K+。調(diào)試過程中，多次實(shí)現(xiàn)各個模塊從靶源間到熱室的遠(yuǎn)程轉(zhuǎn)運(yùn)，靶源系統(tǒng)模塊、開閉窗、快速接頭模塊等進(jìn)行過多次的自動對接，運(yùn)行測靶源系統(tǒng)模塊放置到靶源真空室的整體過程。全部攝像頭的視頻線、控制線和電源線均沿吊車布線的路徑引入到監(jiān)控系統(tǒng)的控制終端——“BRISOL前區(qū)”。視頻線連接到鍵盤錄像機(jī)，控制線連接到控制終端，從而實(shí)現(xiàn)對每個攝像頭調(diào)焦的遠(yuǎn)程控制。監(jiān)控系統(tǒng)的布線方案見圖3。安全可靠。

參考文獻(xiàn)：

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

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

作者:黃青華 崔保群 陳立華 唐兵 馬瑞剛 馬鷹俊 葛帥 馬燮 姜沖 地址:中國原子能科學(xué)研究院