CN102523676A

CN102523676A - 一种自膨胀密封靶件及其制造方法

Info

Publication number: CN102523676A
Application number: CN2011104521019A
Authority: CN
Inventors: 李雪松; 欧阳晓平; 潘孝兵; 屠荆; 张文首
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种自膨胀密封靶件及其制造方法，采用金属堵头和金属靶壳制成靶件，将金属堵头低温收缩后，再在常温环境下热膨胀，实现靶件的自膨胀密封；该方法在制靶过程中可以避免使用碳氢材料粘接剂、避免靶芯承受高温，并且靶件本身可以承受辐照过程中产生的高温，适用于固态、液态靶芯密封靶件的制作。

Description

一种自膨胀密封靶件及其制造方法

技术领域

本发明涉及核技术应用领域中射线辐照靶件的封装装置及其制造方法，具体涉及要求密封辐照对象、密封过程无高温和辐照后分析过程中不产生其它气体的封装装置及其制造方法。

背景技术

¹²⁹I是核废料中超长寿命核素的成份之一，人工中子嬗变技术可以将它转变为稳定的核素从而达到去污目的。将碘-129置于中子环境中，使之与中子发生(n，γ)反应生成短寿命(半衰期12.5h)的碘-130，碘-130在短时间内衰变为稳定的Xe-130。从安全、成本和等效性等多方面考虑，在前期实验中许多国家均以天然的碘-127代替碘-129摸索相关的条件实验。碘-127与中子发生(n，γ)反应生成短寿命的碘-128(半衰期25Min)，碘-128衰变为Xe-128，相关的技术途径可以直接应用于碘-129的嬗变技术。由于测量的对象是气体，所以必须将靶件密封。要求密封过程中不引入碳氢材料，不会产生高温，靶壳稳定可靠耐高温。

靶件制备是进行各种射线辐照实验前的必备过程。如果靶芯在辐照过程中产生了气体，并且气体作为分析对象不允许逃逸，就必须将靶芯封装在靶件里。目前封装的方法有很多，可以使用尼龙或聚四氟乙烯等材料压接或粘接封装，也可以用玻璃材料或金属材料焊接封装。但是尼龙等碳氢材料的缺点是无法耐高温，如果辐照过程中产生高温，这种材料就容易被破坏。另外，如果需要对靶芯进行气体温度特性的分析，碳氢材料在高温下将裂解出大量的气体，不利于分析对象。玻璃材料虽没有普通碳氢材料的缺点，但有是其容易破碎，大口径的焊封需要较长的材料，使得其密封尺寸不易把握，且可靠性不高；金属材料是制作靶件的可靠材料，可通过粘接或焊接的方法达到密封目的。但是粘接中要用到碳氢有机材料，同样会有上述的缺点；焊接虽然不用碳氢材料，但是焊接过程中会产生高温，这对于不能耐高温的靶芯来说很容易被熔融或气化，影响到辐照结果。

申请号为201020617304.X的“用于反应堆辐照生产碘-125的氙气靶件”专利公开了一种将氩弧焊和冷焊相结合制备气体靶件的方法，将靶件整体采用氩弧焊后仅留一个小孔，将气体靶芯装入后，再将小孔采用冷焊密封。此种预留小孔的方法仅仅适用于气体靶芯的密封，对于大多数的固体靶芯来说，由于靶芯尺度较大，而靶件制作时必须是先装靶芯再焊封，导致靶件的预留孔较大，难以采用上述的针对小孔的冷焊方法实现密封。

发明内容

本发明利用金属能够随温度的变化自动收缩或膨胀的特性，提出了一种自膨胀密封制靶件及其制造方法，本发明在制靶过程中可以避免使用碳氢材料、避免靶芯承受高温，并且靶壳本身可以承受辐照过程中产生的高温，解决了现有技术制作靶件过程中遇到的材料放气和高温封靶的难题。

本发明的技术解决方案为：

一种自膨胀密封靶件，包括靶芯、用于放置靶芯的金属靶壳以及用于封堵金属靶壳的金属堵头，其特征在于，所述金属靶壳的开口端与金属堵头的形状相匹配；所述金属靶壳和金属堵头之间设置有防止金属堵头落入金属靶壳内的限位装置；所述金属堵头的材料热膨胀系数大于0.00001/℃。

上述金属堵头的形状为圆柱体；上述的限位装置包括设置在金属靶壳开口端的限位锥面。

或者，上述金属堵头的形状为圆柱体；上述的限位装置包括设置在金属堵头下端的圆锥台以及设置在金属靶壳开口端且与金属堵头下端锥台形状相匹配的限位锥面。

上述金属堵头的外部尺寸d_C按照下式进行计算：

d_C＝d_B+λ×(T₁-T₂)×ρ×d_B

其中：d_C为堵头的外径；λ为设置系数，取值范围为0.6～0.9；d_B为靶壳开口端的内径；ρ为堵头所用金属的热膨胀系数；T₁为堵头封装环境的温度；T₂为堵头冷却后的温度。

上述金属堵头外端面上设置有手柄，所述手柄和金属堵头间用细长圆柱连接。

上述细长圆柱连接的高度大于3mm，直径为d_C/4。

上述金属堵头的材料为铝、铜、铁；所述金属靶壳开口端内表面和金属堵头外表面的加工粗糙度小于等于0.6。

上述自膨胀密封靶件的制造方法，包括以下步骤：

[1]根据材料热膨胀系数，选取金属堵头的材料；

[2]根据金属靶壳开口端的内径尺寸、金属堵头材料的热膨胀系数、金属堵头的冷却温度与封装温度之差，计算金属堵头的外径尺寸；

[3]加工制作靶芯、金属堵头和金属靶壳；

[4]在封装环境下将靶芯放置在金属靶壳内，金属堵头低温冷却；

[5]在封装环境下将金属堵头安装至金属靶壳开口端；

[6]安装好的靶件自然回温到封装环境温度，实现靶件的密封。

上述的封装环境温度为15℃～30℃，上述的低温冷却温度低于-150℃。

本发明具有以下的有益效果：

1、本发明的靶件包壳主体材料为金属，在辐照和热分析过程中靶壳不会产生杂质气体影响气体实验对象的测量；

2、本发明的靶件在密封过程中的环境温度小于30℃，不会对靶芯造成热损伤；

3、本发明利用金属材料的热膨胀原理，将金属堵头进行低温收缩后再在常温下膨胀，实现靶件内部的全金属密封，具有结构简单、可靠等优点；

4、本发明在靶壳开口端内表面和金属堵头的外表面处设置有锥角，有利于金属堵头与槽口密封安装时的导入；同时将槽壁开口的内表面和堵头的外表面加工为光洁面，有利于密封；设置在靶壳开口端的锥角以及金属堵头的锥角还可以防止金属堵头过于伸入到靶件内部，起到限位作用。

5、本发明金属堵头上设置有手柄，手柄与金属堵头之间用细长圆柱连接，减少了低温封堵过程中的热传导。

附图说明

图1是金属堵头的结构示意图；

图2是金属靶壳的结构示意图；

图3是密封后靶件的整体示意图；

其中：1-金属堵头；2-金属靶壳；3-靶芯；4-手柄，5-限位锥面，6-圆锥台，7-金属靶壳的开口端，8-细长圆柱。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明自膨胀密封靶件包括靶芯3、用于放置靶芯的金属靶壳2以及用于封堵金属靶壳的金属堵头1，金属靶壳的开口端7与金属堵头1的形状相匹配；金属靶壳和金属堵头之间设置有防止金属堵头落入金属靶壳内的限位装置；金属堵头的材料热膨胀系数大于0.00001/℃。

金属堵头和金属靶壳的开口端的结构尺寸匹配且有经验公式进行计算。具体说，金属堵头的形状为圆柱体；相应的限位装置包括设置在金属靶壳开口端的限位锥面5；或者，上述金属堵头的形状为圆柱体；相应的限位装置包括设置在金属堵头内端的圆锥台6以及设置在金属靶壳开口端且与金属堵头内端锥台形状相匹配的限位锥面5；或者，上述金属堵头的形状为圆柱体；相应的限位装置为设置在金属堵头外端面的圆锥台。锥角可以防止金属堵头1过于伸入到金属靶壳内部，起到限位作用。通常锥角为5～20°。

金属靶壳开口端内表面和金属堵头外表面加工为光洁面，粗糙度小于等于0.6。这样可以使得密封时接触面更大，膨胀密封更牢靠。

金属靶壳和金属堵头1可以选择同一种金属或两种不同的金属，这是因为金属材料在加热后不会产生很多气体影响测量对象，另外金属具有热膨胀性且金属的熔点范围分布很广，可塑性强，便于加工；金属材料的选取要具体考虑以下几个主要因素：一、热膨胀系数尽可能大，通常大于0.00001/℃；二、射线与该金属作用后的产物不影响放射性和稳定核素等目标的测量；三、熔点要满足要求，这是因为有些靶芯3在辐照中会产生放热；此外还要求便于加工制作，性价比高等，通常可选用铝、铜、铁等。

在将金属堵头1冷却后再与常温下的金属靶壳2密封安装时，为了减少安装过程中，人手热传导的影响，在金属堵头1上设置有手柄4，手柄4可以为金属材料，这时需要在手柄4与堵头之间采用尺度较小的细长圆柱8过渡细连接，减小热传导率；细长圆柱连接的高度一般大于3mm，直径约为d_C/4。

密封靶件的制造方法如下：

[1]根据材料热膨胀系数，选取金属堵头的材料；热膨胀系数尽可能大，通常大于0.00001/℃，熔点要高，通常大于500℃。

如图1和2所示为例，金属堵头的外部尺寸d_C按照下式进行计算：

d_C＝d_B+λ×(T₁-T₂)×ρ×d_B

其中：d_C为堵头的外径；λ为设置系数，取值范围为0.6～0.9；d_B为靶壳开口端的内径；ρ为堵头所用金属的热膨胀系数；T₁为堵头封装环境的温度；T₂为堵头冷却后的温度。λ的选取可确保二者在封堵时轻松配合安装。

[3]按照设计尺寸和步骤2中的计算尺寸加工制作靶芯、金属堵头和金属靶壳；用酒精或丙酮清洗去除金属靶壳和金属堵头的表面油污；

[4]在封装环境下将靶芯放置在金属靶壳内，金属堵头低温冷却；封装环境一般是指温度处于15℃～30℃的实验室环境；金属堵头低温冷却时的环境温度为液态空气、液氩、液氮或液氦温度，通常低温环境的温度为低于-150℃。将金属堵头1放置在液态空气、液氩、液氮或液氦等低温液体中，当金属堵头1达到低温环境的低温T₂时，其外径尺寸将缩小，最终约等于d_B。

[5]在封装环境下将金属堵头取出并迅速放入处于T₁温度下的金属靶壳开口端7，必要时可以迅速施加一定的外力使金属堵头1埋入金属靶壳开口端更深一些，增加密封可靠性。迅速放入是指金属堵头1必须在尽可能短的时间之内放入靶件内，防止回温膨胀，通常操作时间小于10秒；

[6]安装好的靶件自然回温到封装环境温度，使得金属堵头1的外圈和金属靶壳口端7紧配合，实现靶件的密封和制造。

实施例：

在中子辐照CuI靶件进行碘的人工嬗变实验中，要求分析嬗变后的气体产物氙，因此需要将靶件进行密封。同时CuI的熔点为605℃，不宜焊封。采用本发明方法进行制靶如下。

首先，选定金属材料。常用金属材料中，铝的膨胀系数最大，为0.0000236/℃，并且中子与铝作用不会产生长寿命的物质，便于及时冷却测量，还有一个更大的优点是铝的密度小，封装后质量小。因此选用铝作为金属靶壳和金属堵头1的材料。为了机械加工的便利，选用具有一定机械强度的6061铝更合适。

其次，尺寸计算和制作。靶芯3为圆柱形，所以金属靶壳和金属堵头的设计均为圆柱形。靶芯3外直径为10mm，为了便于靶芯3装入，金属靶壳开口端7内径d_B为11.5mm，在20℃下安装，金属堵头1冷却到液氮温度，即-196℃。根据前面的公式可计算出金属堵头1外直径：

d_C＝11.5+0.8×[20-(-196)]×0.0000236×11.5＝11.546mm。

按照d_B和d_C尺寸制作好靶件和金属堵头1。为了便于安装，手柄4与金属堵头1一体化加工，手柄4与堵头之间采用尺度较小的细长圆柱8过渡细连接，减小热传导率，防止手握安装时热能传递的太快，导致金属堵头1还没有放进金属靶壳开口端7时时就已经膨胀；金属靶壳2中部的内表面和金属堵头1的外圈处设置有锥角，锥角为10°，用于金属堵头1与槽壁开口7密封安装时的导入和金属堵头1的限位，防止金属堵头1落入金属靶壳底部。

最后，将金属靶壳开口端和金属堵头1洗净风干之后，将金属靶壳置于20℃实验环境，金属堵头1放入液氮中侵泡10分钟以上。随后取出金属堵头1，手握手柄4迅速将它放入金属靶壳内。让金属靶壳和金属堵头1自然回温到20℃，金属堵头1膨胀后即可达到密封效果。

Claims

1.一种自膨胀密封靶件，包括靶芯、用于放置靶芯的金属靶壳以及用于封堵金属靶壳的金属堵头，其特征在于：所述金属靶壳的开口端与金属堵头的形状相匹配；所述金属靶壳和金属堵头之间设置有防止金属堵头落入金属靶壳内的限位装置；所述金属堵头的材料热膨胀系数大于0.00001/℃。

2.根据权利要求1所述的自膨胀密封靶件，其特征在于：所述金属堵头的形状为圆柱体；所述的限位装置包括设置在金属靶壳开口端的限位锥面。

3.根据权利要求1所述的自膨胀密封靶件，其特征在于：所述金属堵头的形状为圆柱体；所述的限位装置包括设置在金属堵头下端的圆锥台以及设置在金属靶壳开口端且与金属堵头内端锥台形状相匹配的限位锥面。

4.根据权利要求1或2或3所述的自膨胀密封靶件，其特征在于：所述金属堵头的外部尺寸dC按照下式进行计算：

d_C＝d_B+λ×(T₁-T₂)×ρ×d_B

5.根据权利要求4所述的自膨胀密封靶件，其特征在于：所述金属堵头外端面上设置有手柄，所述手柄和金属堵头间用细长圆柱连接。

6.根据权利要求5所述的自膨胀密封靶件，其特征在于：所述细长圆柱连接的高度大于3mm，直径约为d_C/4。

7.根据权利要求6所述的自膨胀密封靶件，其特征在于，所述金属堵头的材料为铝、铜、铁；所述金属靶壳开口端内表面和金属堵头外表面的加工粗糙度小于等于0.6。

8.权利要求1所述自膨胀密封靶件的制造方法，其特征在于：包括以下步骤：

[1]根据材料热膨胀系数，选取金属堵头的材料；

[3]加工制作靶芯、金属堵头和金属靶壳；

[5]在封装环境下将金属堵头安装至金属靶壳开口端；

[6]安装好的靶件自然回升到封装环境温度，实现靶件的制造。

9.根据权利要求8所述的自膨胀密封靶件的制造方法，其特征在于：所述的封装环境温度为15℃～30℃，所述的低温冷却温度低于-150℃。