CN105788695B - 一种大功率电子辐照加速器x射线转换靶 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，包括上框架和下框架，上框架为中空结构，下框架内框上设有与下框架一体成型的轻质材料密封层，上框架和下框架之间设有用于接受电子束流并将其转换成X射线的靶材料层，上框架和下框架连接，且夹紧靶材料层，靶材料层与轻质材料密封层之间形成冷却剂层；下框架上设有入口管道和出口管道，该入口管道和出口管道均通过各自均匀分流的分流器与冷却剂层相连通。采用本发明的转换靶，冷却剂层流动速度的均匀性好，冷却剂散热性能好，X射线的转换效率高，电子射线的拦截效果好；结构简单、可靠稳定；可根据不同入射电子能量更换不同厚度的靶材料层，使用方便。

Description

一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶

技术领域

本发明属于射线转换领域，具体涉及一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶。

背景技术

电子束辐照加工已成为食品、医疗用品安全控制和辐射化工等领域中的一项重要技术手段，但电子束穿透能力低，应用受到一定的局限性。X射线具有较强的穿透能力，有利于大尺寸和高密度材料的辐照加工，因而具有广阔的应用空间。大功率高能X射线可以通过大功率高能电子束轰击高原子序数靶材料获得，通过电子与材料之间的轫致辐射过程释放X射线。用于产生大功率高能电子束的电子加速器与直接产生X射线的钴-60放射性同位素射线源相比，不会产生放射性废物，关机后就不会有辐射照射问题，因此在行政审批和社会安全认可度等方面更具有优势。因此将电子束转换为X射线的X射线转换靶在辐照加工领域具有广阔的应用和发展空间。

为提高辐照生产效率，人们对输出的X射线功率的要求越来越高。另一方面，为降低辐照生产成本，人们对电子束转换成X射线的转换效率的要求也越来越高。X射线功率与电子在物质中的轫致辐射释放的X射线总份额有关。X射线的转换效率与轫致辐射碰撞截面和X射线被转换靶的靶层板吸收程度等两方面有关。为了提高轫致辐射碰撞截面，需要选择原子序数尽可能高的靶材料；为了降低靶层板本身对X射线的吸收，靶层板材料的结构尤其是厚度尺寸需要进行优化，选择一个最佳厚度。在穿透这个靶层材料后，剩余的电子能量一般对于X射线转换份额不再有贡献，而是需要低序数材料将其完全吸收变成热能，否则剩余电子对辐照均匀度的影响不利。

为了提高X射线功率，除了需要提高X射线的转换效率，还需要提高电子束的功率，电子束功率的提高会导致X射线转换靶的发热功率的增加，从而对X射线转换靶的散热能力提出更高的要求。由于工业使用的X射线能量通常低于10MeV，在这个能量范围，电子与材料的相互作用过程中，80％以上的能量将通过热能释放。因此，功率越大的转换靶对整体散热能力的要求越高。一般转换靶需要冷却剂对转换靶的靶材料层进行冷却。

目前，这种大功率电子的X射线转换靶结构一般有两种。一种是将靶材料层直接与热导性能好的导热金属焊接在一起，再在导热金属上焊接导热冷却剂管道，如专利CN103208318A，所述。此种方法的缺陷是导热金属和导热管道很难做薄，这会对X射线有一定的吸收作用，影响了X射线的产生效率，此外，其对剩余电子能量的吸收效果不会很好，对辐照均匀度的影响不利。另一种是采用靶材料层、冷却剂层和轻质材料密封层直接相叠，但其冷却剂层的液体流很宽，容易导致液体流速度不均匀，为此设置了液体流的导向板，将液体层分为来去的折返流路，如专利CN103578895A和CN103578596A所述。此种方法的缺陷是冷却剂需要密封在靶材料层和另一轻质材料密封层之间，处于高压高速流动的状态，这对流道的管壁产生很大的压力。轻质材料密封层通常强度有限，因此在冷却剂的压力作用下，容易发生形变，这种压力形变一般不能通过增加管道内的加强筋解决。因为为了提高X射线的转换效率，靶材料层、冷却剂层和轻质材料密封层的厚度越小越好。此外，导向板安装难度大，因为轻质材料密封层需要越薄越好，在薄层上固定导向板的难度很大，同时，导向板导致水路的水阻增加，从而导致靶材料层和轻质材料密封层的形变恶化。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，能够保证冷却剂层流动速度均匀性好，冷却剂散热性能好，X射线的转换效率高，电子射线的拦截效果好，结构简单、可靠稳定，可以很方便地根据不同入射电子能量更换不同厚度的靶材料层。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，包括上框架和下框架，上框架为中空结构，下框架的内框上设有与下框架一体成型的轻质材料密封层，上框架和下框架之间设有用于接受电子束流并将其转换成X射线的靶材料层，上框架和下框架相连接，夹紧靶材料层，靶材料层与轻质材料密封层之间形成冷却剂层；下框架上设有入口管道和出口管道，该入口管道和出口管道均通过各自均匀分流的分流器与冷却剂层相连通。轻质材料是指由原子序数小于51的元素所组成的材料。

进一步，所述分流器为管道，分流器的轴线与靶材料层的表面平行，且与冷却剂层相交；分流器管道的横截面面积不小于冷却剂层的横截面面积。

进一步，所述分流器为管道，分流器的轴线与靶材料层的表面垂直，分流器与冷却剂层的交接处形成分流缝。

进一步，所述靶材料层、冷却剂层和轻质材料密封层依次紧密相接。

进一步，所述下框架的内框上开有用于冷却剂层密封的密封槽。

进一步，所述靶材料层为重金属材料层，其厚度小于5mm；冷却剂层的厚度为小于10mm；轻质材料密封层的厚度小于1mm。

进一步，所述冷却剂层在工作区域的横截面上的不同位置的冷却剂流向一致、流速相同，没有往返流动。

本发明的有益技术效果在于：

本发明通过在下框架上设有一体成型的轻质材料密封层，在轻质材料密封层与靶材料层之间形成冷却剂层，在下框架的两侧分别设有入、出口管道的分流器，该分流器与靶材料层采用平行设置或垂直设置，从而冷却剂层在工作区域的横截面上不同位置形成流向一致、流速相同、无冲击力、无往返的水流。由此，保证了轻质材料密封层的厚度，减少轻质材料密封层对X射线的吸收程度，提高了电子束的转换率，并且将剩余电子能量转变成热能被冷却剂层带走，不会产生放射性废物。

附图说明

图1是本发明实施例1转换靶的俯视图；

图2是图1中沿A-A向的剖视图；

图3是图1中沿B-B向的剖视图；

图4是本发明实施例1转换靶的立体图；

图5是本发明实施例1下框架的俯视图；

图6是图5中沿D-D向的剖视图；

图7是图5中沿E-E向的剖视图；

图8是本发明实施例1下框架的立体图；

图9是本发明实施例1上框架的立体图；

图10是本发明实施例1冷却剂层与分流器的配合图；

图11是本发明实施例2转换靶的俯视图；

图12是图11中沿F-F向的剖视图；

图13是图11中沿G-G向的剖视图；

图14是图11中沿H-H向的剖视图；

图15是本发明实施例2转换靶的立体图；

图16是本发明实施例2下框架的俯视图；

图17是图16中沿I-I向的剖视图；

图18是图16中沿J-J向的剖视图；

图19是图16中沿K-K向的剖视图；

图20是本发明实施例2中下框架的立体图；

图21是本发明实施例2中冷却剂层与分流器的配合图。

图中：

1-靶材料层 2-冷却剂层 3-轻质材料密封层 4-入口管道

5-出口管道 6-分流器 7-上框架 8-下框架

9-密封槽 10-螺栓孔

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

实施例1

如图1-4所示，是本发明提供的一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，包括上框架7和下框架8，下框架8内框上设有与下框架8一体成型的轻质材料密封层3，上框架7和下框架8之间设有用于接受电子束流并将其转换成X射线的靶材料层1，上框架和下框架压合在一起，通过螺栓连接，从而将靶材料层1夹紧，这样，在靶材料层1与轻质材料密封层3之间就形成了冷却剂层2。为了保证冷却剂层2的密封性，在下框架8的内框上开有用于密封冷却剂层2的密封槽9。下框架8上分别设置入口管道4、出口管道5和两个均匀分流的分流器6，该入口管道4和出口管道5均通过各自的分流器6与冷却剂层2相连通，入口管道4和出口管道5优选设置在下框架8的对角处，这样，能够保证水流的均匀性。分流器6为管道，设置在下框体上，与入口管道4和出口管道5相连接，为了更好的将入口管道4、出口管道5与分流器6相连接，分流器6内径与入口管道4和出口管道5相同。本实施例分流器6的设置方式是轴线与靶材料层1的表面平行，且与冷却剂层2相交；分流器6的横截面面积不小于冷却剂层2的横截面面积，从而保证冷却剂层2工作区域的横截面上不同位置的液体流向一致，流速基本相同，没有冲击力，没有往返流动。

综上，电子束通过靶材料层后产生X射线，剩余的电子被冷却剂层和轻质材料密封层吸收，电子束轰击X射线转换靶产生的热量由冷却剂层带走。

如图5-8所示，下框架8边缘处设有多个螺栓孔10，且内框的四周开有阶梯槽，梯形槽的下台面用于与轻质材料密封层3一体成型，上台面与靶材料层形成冷却剂层2。

如图9所示，上框架7为中空结构，其边缘处设置与下框架8配合的多个螺栓孔10。

本发明靶材料层1为重金属材料层，其厚度小于5mm；冷却剂层2的厚度为4mm-6mm，优选为5mm；轻质材料密封层3为不锈钢层或铝层，其厚度小于1mm。

下面是转换靶的具体实施例：

X射线转换靶针对7.5MeV的电子束，靶材料层1采用重金属钽，厚度为1.5mm。冷却剂层2采用5mm的水层。轻质材料密封层3采用0.5mm的不锈钢。入口管道4和出口管道5采用对角设置，保证水流的均匀性。螺栓通过螺栓孔10将下框架、上框架和金属钽板压在一起，形成密闭的冷却水体，如图10所示。水层2的宽度为200mm，入口管道4和出口管道5的内径为36mm。分流器6为一与出入口管道相同内径的圆柱形管道，管道轴线与金属钽板1表面平行，并与水层2相交，从而形成图8所示的分流缝，从分流缝不同位置进入冷却剂层2的水流速度基本相同。

实施例2

本发明实施例2与实施例1的区别是：本实施例分流器6的设置方式是与靶材料层1的表面垂直，分流器6与冷却剂层2的交接处形成圆形的分流缝，如图11-20所示。图21是由下框架7、上框架8和金属钽板1压在一起形成的密闭冷却水体。

X射线转换靶针对7.5MeV的电子束，靶材料层1采用重金属钨，厚度为1.2mm。冷却剂层2采用5mm的水层。轻质材料密封层3采用0.5mm的不锈钢。金属钨板为厚度为1.2mm的薄平板。冷却剂层2的宽度为200mm，入口管道4和出口管道5的内径为60mm。分流器6为一与出入管道相同内径的圆柱形管道，管道轴线与金属钨板表面垂直，管道与冷却剂层2的交接处形成圆形的分流缝，如图21所示。从分流缝不同位置进入冷却剂层2的水流速度是不相同的，但是经过一段距离的运动，冷却剂层2横截面上不同位置的水流速度趋于相同。

本发明提供的转换靶，提高了电子束的转换率，且将剩余电子能量转变成热能被冷却剂层带走，不会产生放射性废物，可广泛应用于食品、医疗用品及化工领域。

本发明的大功率电子辐照加速器X射线转换靶并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (5)

1.一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，包括上框架(7)和下框架(8)，其特征是：上框架(7)为中空结构，下框架(8)的内框上设有与下框架(8)一体成型的轻质材料密封层(3)，上框架(7)和下框架(8)之间设有用于接受电子束流并将其转换成X射线的靶材料层(1)，上框架(7)和下框架(8)相连接，夹紧靶材料层(1)，靶材料层(1)与轻质材料密封层(3)之间形成冷却剂层(2)；下框架(8)上设有入口管道(4)和出口管道(5)，该入口管道(4)和出口管道(5)均通过各自均匀分流的分流器(6)与冷却剂层(2)相连通，所述分流器(6)为管道，分流器(6)的轴线与靶材料层(1)的表面平行，且与冷却剂层(2)相交，分流器(6)管道的横截面面积不小于冷却剂层的横截面面积；或者，分流器(6)的轴线与靶材料层(1)的表面垂直，分流器(6)与冷却剂层(2)的交接处形成分流缝。

2.如权利要求1所述的一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，其特征是：所述靶材料层(1)、冷却剂层(2)和轻质材料密封层(3)依次紧密相接。

3.如权利要求2所述的一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，其特征是：所述下框架(8)的内框上开有用于冷却剂层(2)密封的密封槽(9)。

4.如权利要求3所述的一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，其特征是：所述靶材料层(1)为重金属材料层，其厚度小于5mm；冷却剂层的厚度为小于10mm；轻质材料密封层的厚度小于1mm。

5.如权利要求1所述的一种大功率电子辐照加速器X射线转换靶，其特征是：所述冷却剂层(2)在工作区域的横截面上的不同位置的冷却剂流向一致、流速相同，没有往返流动。