BRISOL靶源的遠控操作機制范文

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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高能質子束轟擊靶材料產生放射性核束。高能質子束轟擊靶材料產生的最高1014n/s的中子及很強的γ射線會對靶附件的設備造成嚴重的活化。為了解決靶源系統設備的維護問題，靶源系統采用模塊化設計。靶源系統共分為3個模塊，每個模塊具有獨立的水冷、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程抓取或者釋放，借助監控系統，實現各個模塊從靶源間到熱室的遠程轉運。該系統已完成了安裝和調試，并已投入使用。

關鍵詞:

在線同位素分離器；靶源系統；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)項目的目的是利用100MeV，200µA回旋加速器產生的質子束流，打靶產生中短壽命放射性核素，在線將靶中產生的中性放射性核素原子轉換成帶電粒子，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驗終端，開展物理實驗研究[1]。靶源系統可視為BRISOL系統的注入器。質子束和選定靶材料的相互作用，放射性核素的產生、電離、引出，均在靶源系統中完成。靶源系統由3個部分組成：對回旋加速器注入束流進行在線檢測的束流診斷系統、在線打靶并產生和引出放射性核素的靶源系統、對放射性核素進行聚焦并傳輸的束流傳輸單元。

二、靶源系統的工作環境

靶源系統在工作時有大量中子及γ射線產生。中子及γ射線對真空密封材料、電氣設備中的絕緣材料及電子儀器中半導體元器件有損傷作用。同時中子對離子源源體及真空室器壁材料有活化作用，這導致靶源在停止工作后相當長的時間內仍有較強的放射性。

三、靶源系統模塊化插拔式設計方案

靶源系統模塊化方案是將靶源系統設計成相對獨立的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模塊上，插座部分固定在靶源真空室上。上部吊車遠控抓取靶源系統模塊安裝入靶源真空室，快速接頭模塊插頭跟隨靶源系統模塊一起準確就位，與插座模塊對接，導通水冷、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現真空密封。需要檢修更換零件時，吊車抓取模塊，吊運至靶源處理室內處理。

3.1靶源系統耐輻照、活化后低劑量率材料的選擇“靶源間”在工作狀態時具有高的中子輻射，安裝在“靶源間”內的零部件因活化而具有放射性，對靶源間內設備維修帶來困難。所以靶源間內零部件設計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間變化曲線。由圖可見，經長時間衰變之后，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量級。靶源真空系統普遍采用鋁合金材料，盡量避免使用不銹鋼材料

3.2靶源系統模塊靶源系統模塊化設計為束流診斷模塊、靶源模塊和束流輸運(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行在線檢測；靶源模塊為BRISOL系統的離子源，高能質子束在靶源模塊打靶產生放射性核素并電離；透鏡模塊聚焦束流并傳輸至BRISOL的束流光學系統。圖2為BRISOL靶源系統裝配圖。

3.2.1靶源系統模塊設計擬解決的問題(1)減少電機、氣缸等不耐輻照動力輸出設備的使用。(2)模塊設計考慮滿足遠距操作方案；模塊維修使用機械手維修。(3)重心問題。模塊吊鉤兩維可調并通過模塊的重心。(4)3個模塊工作中相互連接成束流可通過的整體，吊運維修過程中成自密封狀態。設計了不需要外供動力的“對接開閉窗”解決模塊的工作狀態的導通與搬運過程的自封閉。(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構可避免卡死現象。(6)采用氣缸驅動快速接頭模塊方案解決模塊插拔時候，快速接頭的接插力給模塊帶來的傾覆力矩。

3.2.2靶源模塊的設計靶源模塊是質子束打靶的模塊，是3個模塊中結構最為復雜的一個。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，用來減弱工作時與停機后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構。束流入口和出口上安裝有“對接開閉窗”，在拆卸吊運模塊的過程中封閉模塊，避免模塊內部放射性廢物污染外界。吊車吊運靶源模塊沿導向銷釘安裝到靶源真空室上，快速接頭就位后自動對準，氣缸驅動快速接頭的插頭部分運動與插座部分對接，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47個信號。集成化快速接頭模塊，均為浮動式設計，避免卡死而損壞。束流診斷模塊和束流輸運模塊的結構與靶源模塊結構類似，設計方案大體相同。

四、BRISOL靶源系統監控方案

靶源系統監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，實現對BRISOL靶源系統的自動抓取、轉運、釋放。實現BRISOL靶系統監控系統的具體措施是在BRISOL靶室外廳安裝有高精度吊車，裝配有可±180°旋轉的旋轉吊鉤。旋轉吊鉤下方裝配定制的自動抓具。監控系統共包括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，分別對準靶源系統模塊上的3個銷孔。攝像頭為變焦帶十字線鏡頭，十字線起對準作用。該組攝像頭，確保靶源系統模塊與靶源真空室通過銷釘準確定位。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、安裝調試結果

BRISOL靶源系統已經完成安裝并調試完畢，利用回旋加速器產生的100MeV，1µA質子束流，轟擊氧化鈣靶產生放射性核素38K+。調試過程中，多次實現各個模塊從靶源間到熱室的遠程轉運，靶源系統模塊、開閉窗、快速接頭模塊等進行過多次的自動對接，運行測靶源系統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控系統的控制終端——“BRISOL前區”。視頻線連接到鍵盤錄像機，控制線連接到控制終端，從而實現對每個攝像頭調焦的遠程控制。監控系統的布線方案見圖3。安全可靠。

參考文獻：

[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:中國原子能科學研究院