快中子成像系统机械结构设计的研究

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1、快中子成像系统机械结构设计的研究第一章绪论1.1中子照相概述材料的检测和评价对我们的生活质量起着重要的作用。起初人们用X射线对材料进行检测进而进行评价，随着时间的推移，中子照相检测技术来到我们的身边，它可以对材料进行无损检测、无损评价，提高了我们的生产和生活。X射线照相检测技术和中子照相检测技术都属于射线范围内的检测技术。但在与物质相互作用时，X射线和核素的原子序数是有一个确定的关系，而中子射线与核素的原子序数的关系是比较复杂的，且不同能量的中子对于同一核素的原子序数变化范围也是很大的。这便造成了中子照

2、相的复杂性、多样性。无论是射线检测技术或是中子射线检测技术，在工业领域方面和医疗领域方面都有着巨大贡献。从理论上讲，中子射线检测技术要优于射线检测技术，所以近年来，中子射线检测技术越来越得到重视和发展。中子照相技术日趋完善，从传统的转换屏胶片法发展到由CCD再到由日本Fuji公司研发的NIP等；从平面投射投影成像拓展到中子层析成像；从热中子发展到冷中子，快中子成像等；中子源也逐步的由反应堆中子源，发展到了加速器中子源、更进一步的发展到了同位素中子源。这使得中子成像装置得以迅速发展，今天我们可以看见已在工

3、程中使用的小型化的、可移动化的中子照相装置。1.2中子照相的原理及装置1.2.1中子照相装置中子成像装置主要由：1）中子源、2）中子准直器、3）中子探测成像系统组成（包含中子转换屏），也称为组成中子成像系统的三要素。中子成像装置如图1-1所示。（1）中子源能产生自由中子的装置称为中子源，中子源为中子照相三要素之一。中子福射照相用的中子源往往是一种很大、很费钱的装置或设施，它的安全性要求很高，它的操作和管理要求很严格，在很多地方，中子照相的发展及应用往往受到中子源的制约。中子源的首要指标是中子源的强度，对

4、于反应堆中子源则是其堆芯的中子注量率。对于同位素和加速器中子源则是其中子产额。其次是中子源产生的中子的能谱，因为，在中子照相中一般要对中子源产生的中子进行慢化，一直慢化到不同元素的原子核与该能量下的中子的反应截面存在明显差异时，才能利用该中子能谱得到好的中子成像。第三是干扰福射，一般中子源都伴随着射线发射，射线在直接照相时会引起成像模糊不清。当然对于中子源的建造及其运行的复杂性，安全性和经济行也要非常重视。中子照相的中子源一般有反应堆中子源，加速器中子源，同位素中子源等。第二章快中子成像系统机械结构设计

5、2.1快中子成像系统技术指标要求在基于CCD相机的快中子成像系统中，快中子成像光学系统主要包括反射镜、铅平板玻璃、有机平板玻璃、光学透镜组四大部分。快中子成像系统基本结构示意图2-1所示。快中子成像是由透射的中子束经过被测物体入射到反射镜上，再由反射镜反射到透镜上，最后在CCD相机上实时成像。（一）反射镜全反射、前表面、平面反光镜。保护套：Ti02，反射层：A1，纯度大于99.9%。可见光区平均反射率大于95%。对530nm波长的可见光的反射率高于97%，光谱区反射率大于95%。尺寸规格：像高220mm

6、*220mm，满足视场成像的光学要求，并保持10%左右的裕量，厚度10mm。（二）铅光学玻璃材料：ZnF2。透光率：大于或等于90%。尺寸规格：230mm*230mm*20mm。（三）成像视场与共轭距要求CCD芯片的尺寸27.6mm*27.3mm物面处成像视场为220mm*220mm共轭距约1010mm。2.2反射镜组件设计在快中子成像系统中，为保证快中子射线不损坏CCD相机，需采用45度反射镜对快中子射线进行偏转，通过透镜组聚焦到CCD相机上，所以合理的设计反射镜及其支撑结构是快中子成像系统的首要目标

7、。2.2.1反射镜组件材料的选取按照光学系统成像要求，对于反射镜材料的选取应满足以下要求：1）反射镜在力、热载荷作用下面形精度满足成像指标要求，且性能稳定；2）可高度抛光，可渡一定要求的反射膜；3）反射镜可高度轻量化并且保证刚度的要求。常用的反射镜材料性能如表2-1所示，支撑结构（即镜框）常用材料性能属性如表2-2所示。通过材料属性的性质对比，我们不难看出，K9玻璃和Zerodur两种材料相较其他材料能更充分的发挥其作用。T4明显要好于其他材料，但T4导热率过低，不利于加工和制造。初步考虑反射镜选用K9

8、玻璃或者Zerodur玻璃，选用2AI2作为支撑结构的最优材料。第三章快中子成像系统结构性能有限元分析........243.1快中子成像系统结构性能有限元分析概述.........243.2影响快中子成像系统的主要环境因素........24第四章快中子成像系统性能检测.........404.1快中子成像系统性能检测概述........404.2快中子成像系统性能检测纲要.......40第五章结论........44第四章快中子成像系