CN105282955A - 具有微小散热通道的高功率中子产生靶 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有微小散热通道的高功率中子产生靶，涉及用于产生核反应的靶技术领域。包括支撑件、盖板、冷却基地和靶材料，所述支撑件上设有过孔，过孔上端开口的左、右两侧支撑件上设有进液管和出液管，所述进液管和出液管与所述腔体结构相连通，所述过孔上端的开口内设有冷却基地，所述冷却基地包括上层基底层、中间翅片层和下层固定层，所述腔体结构内设有冷却液，所述基底层上的单个散热翅沿左右方向设置，相邻的散热翅之间形成微小散热通道。所述产生靶通过微小散热通道和高强度支撑实现有效冷却和真空密封，延长了靶材料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及用于产生核反应的靶技术领域，尤其涉及一种具有微小散热通道的高功率中子产生靶。
背景技术
基于加速器驱动的硼中子俘获治疗癌症装置，需要在非常有限靶体空间内产生高通量的中子。加速器产生驱动的高能质子轰击靶体产生中子是目前中子研究和应用的发展方向。增加质子束功率能够有效提高，但中子产生过程中引起的高热流密度制约其功率提升。采用锂作为中子产生材料是硼中子俘获治疗癌症采用的靶材料的一种发展方向，但是锂熔点低，单位面积上的热流密度达到数MW/m2，需要非常高效的冷却才能将靶体的温度控制在熔点以下。已有的专利采用锥形靶体和V型靶体降低单位热流密度达到降低锂温度的作用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种具有微小散热通道的高功率中子产生靶，所述产生靶通过微小散热通道和高强度支撑实现有效冷却和真空密封，延长了靶材料的使用寿命。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：包括支撑件、盖板、冷却基地和靶材料，所述支撑件上设有下端开口面积大于上端开口面积的过孔，所述盖板将所述过孔的下端开口封闭，与过孔构成腔体结构，所述过孔上端开口的左、右两侧支撑件上设有进液管和出液管，所述进液管和出液管与所述腔体结构相连通，所述过孔上端的开口内设有冷却基地，所述冷却基地包括上层基底层、中间翅片层和下层固定层，所述上层基底层与所述过孔的上端开口焊接连接，将所述过孔的上端开口封闭，所述上层基底层的上表面设有靶材料，所述下层连接层与所述盖板焊接连接，所述腔体结构内设有冷却液，所述中间翅片层上的单个散热翅沿左右方向设置，相邻的散热翅之间形成微小散热通道。
进一步的技术方案在于：所述冷却基地的制作材料为无氧铜。
进一步的技术方案在于：所述上层基底层和中间翅片层为一体成型结构。
进一步的技术方案在于：所述靶材料为金属锂。
进一步的技术方案在于：所述中间翅片层和下层固定层之间采用焊接连接，加工成冷却基地后与上层基底层为一个整体结构。
进一步的技术方案在于：所述盖板通过焊接与所述支撑件固定连接，下层固定层与盖板通过焊接紧密连接。
进一步的技术方案在于：所述腔体的高度大于翅片层的高度，腔体的上表面与上层基底层的下表面平齐。
进一步的技术方案在于：所述进液管和出液管平行于质子束管道，并逆向于所述质子束的入射方向。
进一步的技术方案在于：所述冷却基地为方形，所述冷却基地的上表面凹入支撑件的上表面，其凹入的深度与靶体材料的厚度相同。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：采用具有微小散热通道的靶体，且采用热导率高的无氧铜作为冷却基地，基地中的基底层和翅片层采用整体加工，避免焊接产生的热阻。比如：基地层2mm高、翅片层5mm高、流道宽度与散热翅宽度相同情况下，以总功率30kW，靶体上反应尺寸为直径D＝100mm为例，基地表面最大的温度如图4所示。如果采用金属锂作为靶材料，其熔点为433K，可以看出较窄的微小散热通道对温度降低具有很好地效果，在微通道尺寸为0.5mm、肋宽0.5mm、流道高5mm，基底层厚度2mm，采用去离子水作为冷却工质，通道内流速为4m/s时，冷却基地表面最高温度为370K，其压损也在可接受范围内。
翅片层下焊接相同材料的固定层，能有效固定薄翅片之间的相对位置，且加工为冷却基地重新整合为一个整体，能提高冷却基地强度，在一侧真空情况下，可有效降低基地变形，避免基地出现应力过大，变形过大导致靶体材料脱落。
采用6-10个螺栓，能保证真空密封，而较小影响冷却水在翅片中的分配。为避免螺栓孔位置位于流道中间，螺栓孔布置如图1所示。螺栓孔不能离冷却基地太近，否者会引起靠近螺栓的流道中冷却液分配较少，出现局部流道温度过高，影响冷却效果。
在支撑件内的冷却液高度高于翅片层流道高度。进、出液管平行于质子束管道，逆向于质子束入射方向。采用方形的基地，沿着流动方向流道为相同长度。支撑件与质子束通道采用圆环底座密封。基地嵌入支撑件并焊接后，基地表面凹入支撑件表面，用于放置靶材料，其凹入深入根据靶体材料的厚度确定。在支撑件的冷却液高度高于基地流道高度，能增加散热翅入口换热。
综上，所述产生靶通过微小散热通道和高强度支撑实现有效冷却和真空密封，延长了靶材料的使用寿命。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的剖视结构示意图；
图3是冷却基地的结构示意图；
图4是冷却基地表面最大的温度曲线图；
其中：1、支撑件2、盖板3、冷却基地31、上层基底层32、中间翅片层33、下层固定层4、靶材料5、进液管6、出液管。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
本发明主要的目的在于针对高功率锂靶，特别是热流密度高达2Mw/m2的情况下的靶体存在散热难度大的问题，提出的一种具有微小散热通道并同时采用不锈钢作为密封和支撑的高功率中子产生靶。
具体方案如下：如图1-图3所示，本发明公开了一种具有微小散热通道的高功率中子产生靶，包括支撑件1、盖板2、冷却基地3和靶材料4。所述支撑件1上设有下端开口面积大于上端开口面积的过孔，所述盖板2将所述过孔的下端开口封闭，与过孔构成腔体结构。所述过孔上端开口的左、右两侧支撑件上设有进液管5和出液管6，所述进液管5和出液管6与所述腔体结构相连通。所述过孔上端的开口内设有冷却基地3，所述冷却基地3包括上层基底层31、中间翅片层32和下层固定层33。所述上层基底层31与所述过孔的上端开口焊接连接，将所述过孔的上端开口封闭，所述上层基底层31的上表面设有靶材料，所述下层连接层33与所述盖板焊接连接，所述腔体结构内设有冷却液，所述中间翅片层32上的单个散热翅沿左右方向设置，相邻的散热翅之间形成微小散热通道。
其工作原理为：带有微小散热通道的上层基底层的上侧表面附着金属锂，质子束轰击锂靶后产生的大量核热热流密度非常高，通过长宽比非常高的微小通道、散热翅、散热翅与基底层一体成型等技术手段极大程度的增加换热面积，降低冷却热阻，且采用高流速去离子水去冷散热翅尽可能降低锂的温度。
比如：基地层2mm高、翅片层5mm高、流道宽度与散热翅宽度相同情况下，以总功率30kW，靶体上反应尺寸为直径D＝100mm为例，基地表面最大的温度如图4所示。如果采用金属锂作为靶材料，其熔点为433K，可以看出较窄的微小散热通道对温度降低具有很好地效果，在微通道尺寸为0.5mm、肋宽0.5mm、流道高5mm，基底层厚度2mm，采用去离子水作为冷却工质，通道内流速为4m/s时，冷却基地表面最高温度为370K，其压损也在可接受范围内。
翅片层下焊接相同材料的固定层，能有效固定薄翅片之间的相对位置，且加工为冷却基地重新整合为一个整体，能提高冷却基地强度，在一侧真空情况下，可有效降低基地变形，避免基地出现应力过大，变形过大导致靶体材料脱落。
采用6-10个螺栓，能保证真空密封，而较小影响冷却水在翅片中的分配。为避免螺栓孔位置位于流道中间，螺栓孔布置如图1所示。螺栓孔不能离冷却基地太近，否者会引起靠近螺栓的流道中冷却液分配较少，出现局部流道温度过高，影响冷却效果。
在支撑件内的冷却液高度高于翅片层流道高度。进、出液管平行于质子束管道，逆向于质子束入射方向。采用方形的基地，沿着流动方向流道为相同长度。支撑件与质子束通道采用圆环底座密封。基地嵌入支撑件并焊接后，基地表面凹入支撑件表面，用于放置靶材料，其凹入深入根据靶体材料的厚度确定。在支撑件的冷却液高度高于基地流道高度，能增加散热翅入口换热。
综上，所述产生靶通过微小散热通道和高强度支撑实现有效冷却和真空密封，延长了靶材料的使用寿命。
Claims (9)
1.一种具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：包括支撑件(1)、盖板(2)、冷却基地(3)和靶材料(4)，所述支撑件(1)上设有下端开口面积大于上端开口面积的过孔，所述盖板(2)将所述过孔的下端开口封闭，与过孔构成腔体结构，所述过孔上端开口的左、右两侧支撑件上设有进液管(5)和出液管(6)，所述进液管(5)和出液管(6)与所述腔体结构相连通，所述过孔上端的开口内设有冷却基地(3)，所述冷却基地(3)包括上层基底层(31)、中间翅片层(32)和下层固定层(33)，所述上层基底层(31)与所述过孔的上端开口焊接连接，将所述过孔的上端开口封闭，所述上层基底层(31)的上表面设有靶材料，所述下层连接层(33)与所述盖板焊接连接，所述腔体结构内设有冷却液，所述中间翅片层(32)上的单个散热翅沿左右方向设置，相邻的散热翅之间形成微小散热通道。
2.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述冷却基地(3)的制作材料为无氧铜。
3.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述上层基底层(31)和中间翅片层(32)为一体成型结构。
4.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述靶材料(4)为金属锂。
5.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述中间翅片层(32)和下层固定层(33)之间采用焊接连接，加工成冷却基地(3)后与上层基底层(31)为一个整体结构。
6.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述盖板(2)通过焊接与所述支撑件(1)固定连接，下层固定层(33)与盖板通过焊接紧密连接。
7.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述腔体的高度大于翅片层(31)的高度，腔体的上表面与上层基底层(31)的下表面平齐。
8.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述进液管(5)和出液管(6)平行于质子束管道，并逆向于所述质子束的入射方向。
9.根据权利要求1所述的具有微小散热通道的高功率中子产生靶，其特征在于：所述冷却基地(3)为方形，所述冷却基地(3)的上表面凹入支撑件(1)的上表面，其凹入的深度与靶体材料(4)的厚度相同。
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