多物理譜儀高精四刀光闌機械設計與分析

方喜峰，馬 欣，梁泰然，李治多

（1.江蘇科技大學機械工程學院，江蘇 鎮江 212003；2.內蒙古民族大學物理與電子信息學院，內蒙古 通遼 028043；3.散裂中子源科學中心，廣東 東莞 523803；4.中國科學院高能物理研究所，北京 100049）

1 引言

中國散裂中子源（CSNS）是中國“十一五”期間規劃的重大科學裝置之一，是利用中子散射技術來進行材料、物理、化學、生命科學、納米等學科領域的研究［1-2］。CSNS一期靶站計劃共建設20條中子散射實驗譜儀，多物理譜儀（MPI）就是其中之一。在譜儀入射束線末端靠近樣品處，將由兩套四刀光闌（SLIT）組和控制中子束斑形狀，為了降低空氣分子對于中子的散射效應，兩套四刀光闌將在真空環境下使用。

目前，光闌結構主要用于光學實驗儀器中，隨著中子散射技術的廣泛應用和發展，四刀光闌也越來越多的用于中子實驗譜儀上。瑞士的Swissneutronics、匈牙利的Mirrotron 和丹麥JJ X-Ray 三家公司是最早實現四刀光闌商業化的企業，其四刀光闌主要有雙軸和四軸兩種結構。這兩種結構均采用步進電機與滾珠絲杠結合的驅動方案，不同點在于雙軸結構中使用的是一根兩端旋向不同的絲杠，可以同時控制相對的兩個刀片；而四軸結構則是采用每個刀片獨立控制的方式，一根絲杠對應一個刀片［3-5］。此外，國內還有很多研究所研發了一些光學四刀光闌，比如中國科學技術大學研制了一種用彈性鉸鏈作為驅動系統的狹縫裝置，采用彈性鉸鏈控制作為驅動系統［6］。但對比于多物理譜儀的需求，這些四刀光闌設計方案都有其局限性，雙軸與四軸這兩種方案均采用步進電機無任何反饋，所以整體的定位精度不高，并且雙軸結構的開口中心固定無法實現任意位置的開口，采用滾珠絲杠傳遞效率高但沒法自鎖；彈性鉸鏈方案使得控制精度很高，但行程卻很短且難以實現自動化控制。

針對MPI四刀光闌的安裝空間小、定位精度高的物理需求，以及10-4Pa真空度、500Gs的高磁場的復雜應用環境需求，我們對四刀光闌的研究現狀進行總結與分析，提出了一種新的四刀光闌系統，并以四刀光闌的精度、穩定性及尺寸要求為優化目標，對其進行了進一步優化。

2 四刀光闌整體結構與工作原理分析

2.1 四刀光闌系統總體設計目標

中子四刀光闌系統是多物理譜儀的重要組成部分之一，它的作用主要是針對不同大小的樣品，利用四刀光闌刀片調整相應的中子束流尺寸，從而避免中子散射到樣品環境或其他設備上帶來中子雜散射噪聲。根據MPI 的實際工作需求，確定了四刀光闌的基本參數：定位精度應小于50μm；重復定位精度應小于5μm；要適應高真空、高輻射及高磁場的工作環境；控制精度高、穩定性好等；除此以外，還應考慮此系統的安裝位置來確定它的外形尺寸，如圖1 所示。兩套四刀光闌中的第二套安裝于真空腔內，位于兩個扇形塊之間，經分析兩扇形塊之間的距離較小，安裝于此空間內的四刀光闌的寬度應小于120mm，厚度應小于65mm。

圖1 四刀光闌安裝位置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Installation Position of the Four-Blade Slit

2.2 四刀光闌系統整體結構設計

四刀光闌系統的機械結構主要由進給驅動系統，執行部件，反饋系統及底座這四部分及相關連接件組成，其機械結構，如圖2所示。其中，進給驅動系統主要包含電機和直線導軌；直線部件包含刀片及滑臺；反饋元件主要是讀數頭、光柵尺和限位開關；底座是一種三維可調節的裝置。

圖2 壓電陶瓷電機驅動四刀光闌系統Fig.2 Four-Blade Slit System Driven By Piezoelectric Ceramic Motor

2.3 四刀光闌系統的工作原理

四刀光闌系統的工作流程，如圖3所示。主要分為以下幾個步驟：（1）實驗人員根據樣品腔中樣品的規格及位置確定四刀光闌系統的開口大小及每個刀片所在的位置；（2）打開電源向控制器中輸入每個刀片的位置信息，控制器驅動壓電陶瓷電機將刀片送到目標位置；（3）等電機停止后光柵尺對刀片的實際位置進行檢測并將檢測結果傳送給控制器；（4）控制器對刀片的實際位置與目標位置進行比較，若誤差在允許范圍內則符合要求，若誤差較大則將誤差設置為目標值重復上述步驟直到誤差符合要求；（5）試驗結束后，實驗人員對系統進行回零操作。

圖3 四刀光闌系統工作流程圖Fig.3 Flow Chart of the Four-Blade Slit System

3 四刀光闌系統主要部件的設計及優化

進給驅動系統是整個四刀光闌的核心部分，它主要包含電機與導軌。受限于四刀光闌系統寬度的限制，普通的旋轉電機加絲杠的方案［7］不適用，從而選擇了直線電機；再考慮到高磁場、高真空的工作環境與高精度的工作要求，最終確定了壓電陶瓷電機。壓電陶瓷電機采用陶瓷外殼，利用壓電材料的逆壓電效應來使得陶瓷中的壓電材料產生變形，通過變形的回復產生的作用力來驅動中間的金屬板前后運動［8］。這種新型電機具有無電磁干擾，保持力矩大，響應速度快，結構簡單，控制方便，精度高等特點［9］，完全能滿足四刀光闌的需求。進給驅動系統與執行部件之間通過連接件相連，連接件的設計應符合整個系統的要求。由于進給驅動系統是運動的，對整個進給驅動系統進給剛性分析就必不可少了。根據彈性系統的剛度G等于剛度鏈上的所有零件的剛度Δ與外力F之比，即：

式中：G—彈性系統的剛度；Δ—所有零件的剛度；F—外力。

可知，四刀光闌進給驅動系統的剛性可以通過對傳動鏈上各部件的剛度分析來得到。

壓電陶瓷電機驅動四刀光闌系統方案的進給驅動系統主要包括壓電陶瓷電機、驅動桿、驅動桿連接件及電機連接件。這四個零件不僅要對各個零件進行剛性分析，還應對連接整體進行剛性分析。在四刀光闌的設計過程中非標產品的設計都遵循降低產品的質量并達到需求的尺寸這兩個原則，因此非標零件的力學性能難以保證，通過Solidworks的simulation模塊對簡化過后的進給驅動系統進行有限元分析，其結果，如圖4所示。從圖中可以看出在承受最大負載時，進給驅動系統的變形主要產生在滑臺連接件與電機連接件上，其中滑臺連接件的變形量較小，為了確保它的剛性，對其進行了單獨的有限元分析，從分析結果可以確定這部分的變形對精度的影響可以忽略；然而電機連接件的最大變形卻達到了0.03mm，超過重復定位精度的誤差允許值，針對這一情況需要對電機連接件的結構進行優化。

圖4 進給驅動系統剛性分析結果Fig.4 Rigidity Analysis Results of the Feed Drive System

從圖4的分析結果知道電機連接件的最大變形發生在螺栓孔周圍，需要對電機連接件進行優化，以電機連接件的尺寸x為設計變量，確定了以下的目標函數：

式中：f（x）—電機連接件的剛性；由于四刀光闌的整體寬度有限，設計變量x的約束條件為0

這對電機連接件的優化，通過增加連接頭的整體厚度并改變了螺栓孔的位置來增加側邊的厚度，并再次對電機連接件進行仿真結果，如圖5所示。在螺栓的預緊力為5N，負載為20N即為最大負載時，電機連接件的最大變形為0.6μm，符合需求；此外主體基板支撐著幾乎所有的部件，其剛度好壞對四刀光闌的壽命起著至關重要的作用，主體基板的變形會影響到直線導軌與壓電陶瓷電機的安裝與運行精度，對主體基板做有限元分析結果，如圖5所示。在負載與力的作用下，主體基板最大變形量在0.06μm，對四刀光闌的整體精度影響不大。

圖5 電機連接件與主體基板應力分析變形圖Fig.5 Stress Analysis and Deformation of the Motor Connector and the Main Substrate

4 四刀光闌刀片的設計及優化

刀片與進給驅動系統是整個四刀光闌系統的核心部分，刀片的設計關系到四刀光闌實際使用中對中子的透過率和吸收率。為了滿足四刀光闌系統的高重復定位精度的要求，一組對應放置的兩個刀片的平行度與垂直度均應小于10μm。

4.1 刀片材料的選擇

四刀光闌工作在一個高輻射、高磁場的復雜環境下，因此四刀光闌的刀片應具有較強的穩定性和中子吸收性。目前中子吸收材料主要分為兩類，一類是含有鋰元素，如溴化鋰、氧化鋰、氫氧化鋰等；另一類含有硼元素，如氧化硼、硼酸、碳化硼等［10］?？紤]到MPI需要使用到超熱中子，綜合考慮不同中子吸收材料的性能，四刀光闌刀片最終采用碳化硼（B4C），碳化硼是一種陶瓷材料，具有較高的硬度與較好的穩定性，長時間在高速中子的沖擊下也能保持其本身的特性。碳化硼的各項參數，如表1所示。

表1 刀片材料（B4C）參數Tab.1 Blade Material（B4C）Parameters

碳化硼對中子的吸收原理如下：

10B是天然硼同位素的穩定同位素之一，其豐度為19.78%，具有非常高的中子俘獲截面，且俘獲能譜寬，對MPI所用到的超熱中子也具有較高俘獲效率，可以有效控制中子束斑分布。

4.2 刀片的結構設計

為配合整個四刀光闌系統的尺寸要求，設計了基本尺寸為（50×40×10）mm 的碳化硼刀片。根據用戶對實驗樣品的尺寸需求，總結出試驗樣品的最大尺寸應在（37×30）mm，從而設計了尺寸為（49×30）mm 與（37×30）mm 這兩種規格的中子狹縫。其次，為滿足四刀光闌的厚度盡量小與狹縫可以完全閉合這兩個要求，刀片的刀口主要有兩種結構，一種是Z型結構，每個刀口的厚度為5mm，相對的兩個刀片的Z型開口方向相反，在運動以后正好可以形成一個完整的整體，可以完全屏蔽中子束流；另一種是直板型結構通過對刀口截面進行精密加工來實現狹縫的完全閉合，此時每個刀片的厚度設置是10mm。

4.3 不同刀片厚度及結構的中子物理計算

為獲得最佳的中子吸收效果，利用粒子輸運模擬程序FLU‐KA對不同厚度的碳化硼刀片進行了中子通量分布仿真。

4.3.1 幾何模型

計算幾何模型起始于距退耦合水慢化器（DWM）1.0m 的位置，包括了中子傳輸段、斬波器、散射室、BEAM STOP 等CSNSMP譜儀的主要結構以及位于散射室內的光闌。幾何模型橫切面圖（Z-X面，Z為束流方向），在束流傳輸段橫，縱切面對稱，即X-Y面對稱，如圖6所示。

圖6 多物理譜儀幾何模型橫切面圖Fig.6 Cross-Sectional View of Geometric Model of Multiphysics Spectrometer

4.3.2 源項

模擬計算的中子源項即為從退耦合水慢化器（DWM）泄漏進入CSNS-MP譜儀的中子。該源項位置在距離慢化器1m處，橫截面為（12×12）cm2的面源。角分布考慮了與譜儀束流中心線夾角小于2°的，因大于2°的中子對整個譜儀輻射輸運計算的影響很小。0°-1°和1°-2°內中子源項的能譜，如圖7所示。

圖7 多物理譜儀慢化器泄露中子源項能譜圖Fig.7 Energy Spectrum of the Neutron Source Term Leaked by the Multi-Physics Spectrometer Moderator

4.3.3 計算方法

光闌刀片厚度優化的計算應用了粒子輸運模擬程序FLU‐KA［11］，由該程序記錄并對比了垂直于束流方向上的中子通量分布［12-13］。FLUKA 可在1 KeV 至數千TeV 的能量范圍內計算中子、光子、電子等60 種基本粒子的輸運和相互作用。在這里工作所涉及的能量范圍內FLUKA 處理相互作用的物理模型為PEANUT［14］，對于低于20MeV的中子反應則使用ENEA［15］多群截面庫。

四刀光闌位置距源項約28.5m，因此計算中涉及粒子長輸運問題，需要使用一定的減方差方法提高計算效率：通過源偏置方法增加了直接進入散射室的中子的抽樣概率；通過重要性截斷方法，避免了在外圍屏蔽體中的粒子輸運計算。

4.3.4 結果分析

（1）Z型刀口中子通量計算

Z型刀片通過上述的計算方法得到不同厚度的刀口周圍的中子通量分布圖，如圖8所示。通過粒子輸運模擬程序FLUKA對1mm、2.5mm、5mm和10mm厚度的刀口及2mm、5mm、10mm和20mm厚度的刀片的中子透過率進行了分析，從圖中可知在刀口厚度為1mm時刀口附近的中子通量最高，在可測范圍內幾乎都大于107n/cm2/s；但當刀片的厚度為20mm、刀口為10mm 時中子通量最低，其數值僅為106n/cm2/s左右，但是20mm的刀片厚度在實際應用中顯得過大。因此得到初步的結論：采用10mm厚刀片并取消Z型設計，采用直板型結構設計。

圖8 Z型刀口不同厚度中子通量分布圖Fig.8 Distribution of Neutron Flux in Different Thicknesses of Z-Shaped Blade

（2）直板型刀片中子通量計算

進行進一步的刀片優化，重點對直板型10mm及12mm厚度的刀片周圍的中子通量做了詳細的仿真分析，得到了以下的結果。如圖9（a）所示，在碳化硼刀片的厚度為11mm時，狹縫周圍的中子透過面積較大，同時狹縫上下兩端的透過率較大，而圖9（b）中刀片厚度為12mm時，狹縫周圍的中子透過面積與透過率都得到了極大的提升。最終通過仿真的結構，確定了（37×30）mm的中空狹縫以厚度為12mm的直板型刀片。

圖9 直板型刀口不同厚度中子通量分布圖Fig.9 Neutron Flux Distribution of Different Thicknesses of Straight Blade

4.4 碳化硼刀片的加工

MPI對四刀光闌系統的刀片需求是：刀片的平行度與垂直度均應小于等于10μm。因為碳化硼為陶瓷材料，硬度較高，所以碳化硼的加工精度主要取決于磨床的精度。國內的碳化硼加工受限于磨床的加工精度，加工精度多為（2～6）μm/10mm，這樣50mm的刀片的平行度就在（10～30）μm之間，不能達到需求；而國外的相關產品的加工則成本較高。綜合考慮到四刀光闌系統成本預算與精度需求，因此可以采用整體加工的方式即一次性同時對相對的兩個刀片進行加工，可以通過提高兩個刀片間的配合，從而間接的提升刀片的定位精度。

5 實驗設計

根據四刀光闌系統的方案，組裝了高精四刀光闌系統，高精四刀光闌系統主要由機械與控制兩部分組成，如圖10所示。其中，機械部分主要分為進給驅動系統、反饋調節系統和執行部件三部分；而控制部分則主要包括伺服驅動器，倍福PLC及相關I/O接口，斷路器、變壓器、繼電器等電路保護裝置，控制面板上的操作按鈕、急停按鈕和指示燈等四部分。

圖10 四刀光闌裝置及控制柜Fig.10 Four-Blade Slit Device and Control

為驗證此系統的具體性能，進行了可行性試驗，將四刀光闌系統放置于（1×10-4）Pa的高真空環境下，對此系統的定位精度、重復定位精度及偏擺角誤差做了測試。針對四刀光闌系統，根據每根軸上梯形絲杠的有效長度，以每5mm作為一次運動距離進行正向與反向運動，并根據每次運動的結果分析其定位誤差與重復定位誤差。以豎直方向的上半軸為例，豎直方向的運動軸在運行過程中受執行部件的質量與接觸件間的摩擦，實現與水平軸相同的運動需要更大的轉矩，因此在運動過程中所產生的誤差會更大。根據其40mm的行程，對其正反兩個方向的運動做了定位精度檢測結果，如表2所示。根據表2的數據對其正向與反向的定位精度進行分析得到的定位精度分布圖，如圖11所示。圖中的兩條折線分別代表正向與反向運動時的定位精度，兩條折線之差則表示重復定位精度。從圖中可以知道上豎直軸在運行過程中的最大重復定位精度發生在行程為5mm處，其重復定位精度約為4.3μm，符合四刀光闌的設計要求。

表2 上豎直軸測試原始數據Tab.2 Original Data of Upper Vertical Axis Test

圖11 上豎直軸定位精度分布圖Fig.11 Distribution of Positioning Accuracy of the Upper Vertical Axis

6 結語

本研究根據MPI的需求，提出了一種應用于真空中的高精度的四刀光闌系統，為類似尺寸較小的精密儀器的設計提供了一種標準化的設計方案。（1）此系統采用壓電陶瓷電機作為進給驅動系統，極大地縮短了傳統伺服電機-絲杠進給驅動系統的傳動鏈長度，使得四刀光闌系統的寬度得到了有效地減小，從而可以滿足較小的安裝空間；（2）此外應用壓電陶瓷電機還減少了傳遞鏈上的零件數量，從而減少了進給驅動系統的誤差影響因素，使得四刀光闌系統的定位精度得到有效地提高；（3）通過刀片的物理學優化，可以讓刀片有效地吸收多余的中子束流，減少雜散中子對實驗的干擾；（4）應用全閉環控制，有效提高了四刀光闌的定位精度與重復定位精度，提高了中子束流對樣品的照射效率