CN109041398B - 一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置与方法，该装置包括包括水冷负载结构、负载支撑结构，水冷负载结构包括负载腔体、锥形外壳；负载腔体包括涡流平台、螺旋水冷槽、锥形真空负载腔、圆筒真空腔及真空法兰；负载支撑结构包括负载支撑架、支撑台桌、调节支撑架、固定支撑架及调高桌脚，负载支撑架可实现支撑高度调节、调平及角度调节；该方法通过水冷循环实现高能粒子轰击负载过程中产生热量的吸收。本发明解决了束流粒子的拦截与吸收问题，并通过水冷设计实现粒子拦截过程中的设备冷却，为降低建筑成本需求，也为工作人员的人身安全以及环境保护提供了保障。

Description

一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置与方法

技术领域

本发明属于加速器技术领域，具体涉及一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置与方法。

背景技术

回旋加速器是利用电场和磁场使质子作回旋运动，并在高频电场中反复加速到很高能量的装置。与其他类型的回旋加速器相比，等时型回旋加速器具有连续束运行和高平均流强的特点。在加速器的发展过程中，人们逐步认识到它在许多科技和国民经济领域的重要应用价值，并将其广泛应用于核物理、能源、医疗卫生等领域。

其中，加速器在核医学领域的应用近年来备受人们关注，是当前加速器应用与发展的热门领域。加速器主机的调试与验收是验证加速器性能指标的关键步骤，为加速器束流品质保证提供依据。加速器主机加工组装完成后，需对加速器进行束流性能调试、关键参数优化、加速器性能改善以及运行状态监测。

在加速器的调试与验收过程中，束流的吸收处理是安全防护保障工作人员人身安全的关键环节。加速器主机引出的质子束具有很高的能量，轰击在物体上在穿透一定距离至能量耗尽时才会停下，如果不作有效拦截，则需要对建筑屏蔽提出很高要求，大幅增加了建筑成本。因此，采用一套安全可靠的负载设备，对加速器调试与验收阶段产生的束流进行拦截吸收处理，对粒子轰击过程中产生的热量进行吸收，是十分必要的。

发明内容

为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置与方法，解决了束流粒子的拦截与吸收问题，并通过水冷设计实现粒子拦截过程中的设备冷却，为降低建筑成本需求，也为工作人员的人身安全以及环境保护提供了保障。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，包括水冷负载结构、负载支撑结构，所述水冷负载结构包括：负载腔体、锥形外壳，锥形外壳设于负载腔体的外部；

所述负载腔体包括涡流平台、螺旋水冷槽、锥形真空负载腔、圆筒真空腔及真空法兰；

所述螺旋水冷槽为螺旋缠绕分布在负载腔体锥面外侧的条带状凹槽；

所述涡流平台为位于负载腔体外锥面顶端的圆形平台，其圆心处带有圆柱形孔洞，侧面与螺旋水冷槽相接；

所述锥形真空负载腔和圆筒真空腔设于负载腔体的内侧，圆筒真空腔的一端与锥形真空负载腔相接，另一端与真空法兰相接；锥形真空负载腔的锥形侧面与螺旋水冷槽的槽底面平行；

所述锥形外壳的顶端接有一个水冷入口，底端对称连接两个水冷出口，锥形外壳的底端与负载腔体拼接，锥形外壳与负载腔体之间的空腔为螺旋槽水冷腔；

所述负载支撑结构包括负载支撑架、支撑台桌、调节支撑架、固定支撑架及调高桌脚；

所述调节支撑架、固定支撑架前后平行固定在支撑台桌上；

所述调节支撑架包括两个对称设置的斜面支撑板和用于调节两个斜面支撑板间距的调节螺栓。

作为本发明进一步的方案，所述负载腔体前端及侧壁厚度大于最大能量粒子在该材料中的射程。

作为本发明进一步的方案，所述束流以垂直于真空法兰方向射入负载腔体。

作为本发明进一步的方案，所述固定支撑架的底部设于负载支撑架上，顶部的卡箍卡接于真空法兰后端、负载腔体管颈处，调节支撑架通过斜面支撑板托举负载腔体最大外径处。

作为本发明进一步的方案，所述固定支撑架顶部的卡箍与负载腔体管颈间设有橡胶垫片。

作为本发明进一步的方案，所述负载支撑架上设有用于左右平移斜面支撑板的腰形孔。

作为本发明进一步的方案，所述调高桌脚上设有用于调节负载支撑架高度的螺栓。

本发明还提供了一种利用水冷负载实现高能束流吸收的方法，包括如下步骤：

步骤一：调节调高桌脚上的螺栓使负载支撑架到达指定的高度，调节调节螺栓以改变斜面支撑板的间距实现水冷负载的调平，通过负载支撑架腰形孔处的螺栓左右平移使水冷负载角度对正；

步骤二：将束流管道法兰与真空法兰对接并固定，通过束流管道端对内部腔体进行抽真空处理；

步骤三：将入水水冷管与位于锥形外壳顶端的水冷入口连接，将两根出水水冷管分别与位于锥形外壳底端的水冷出口连接，根据束流功率及功率密度计算和仿真冷却水的参数，从入水水冷管向水冷负载结构内注入冷却水，从出水水冷管将冷却水引出至水冷循环系统；

步骤四：将高能粒子束流通过束流管道轰击到锥形真空负载腔顶端的圆角面及圆锥侧面上，束流粒子在穿透负载侧壁一定距离后会停止并释放能量，冷却水自顶部水冷入口冲击在涡流平台上形成涡流，然后沿螺旋水冷槽及锥形外壳与螺旋水冷槽间的间隙流向水冷出口，并带走拦截高能粒子过程中产生的热量，实现高能粒子的拦截与吸收。

本发明的有益效果：

1、本发明的高能束流吸收装置，水冷负载结构通过金属材质的负载腔体拦截高能粒子，通过水冷负载腔体实现粒子拦截过程中设备的冷却，通过涡流平台及螺旋水冷槽增强水冷效果，对高能粒子具有良好的拦截吸收作用，并对吸收过程中产生的次级粒子和热量具有一定的慢化和吸收效果，降低了建筑成本需求，为工作人员的人身安全以及环境保护提供更好的保障，具有很好的使用和推广价值。

2、本发明的负载支撑结构中，调节螺栓可以调节两个斜面支撑板的间距，进而可调节负载腔体最大外径处支撑高度，实现水冷负载的调平；而且水冷负载的摆放角度可调，调高桌脚通过调节其上的螺栓可实现负载支撑架的高度调节，调节灵活度高，便于真空法兰与束流管道的对接。

3、本发明的高能束流吸收方法，束流以垂直于真空法兰中轴线方向射入负载腔体，锥形腔体结构增大了束流接触面积，更有效地引发散射和吸收，减小局部热功率密度。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1是本发明水冷负载结构的剖视图。

图2是本发明利用水冷负载实现高能束流吸收的装置的正视图。

图3是本发明利用水冷负载实现高能束流吸收的装置的左视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参阅图1-3所示，本实施例提供了一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，包括水冷负载结构、负载支撑结构，水冷负载结构包括：负载腔体9、锥形外壳3，锥形外壳3设于负载腔体9的外部。其中，负载腔体9包括涡流平台4、螺旋水冷槽5、锥形真空负载腔6、圆筒真空腔7及真空法兰8。螺旋水冷槽5为螺旋缠绕在负载腔体9锥面外侧的条带状凹槽。涡流平台4为位于负载腔体9外锥面顶端的圆形平台，其圆心处带有圆柱形孔洞，侧面与螺旋水冷槽5相接。锥形真空负载腔6和圆筒真空腔7设于负载腔体9的内侧，圆筒真空腔7的一端与锥形真空负载腔6相接，另一端与真空法兰8相接。锥形真空负载腔6的锥形侧面与螺旋水冷槽5槽底面平行，锥形顶端作圆角处理。负载腔体9内侧的真空腔体包含相互连接的锥形真空负载腔6与圆筒真空腔7，外侧与真空法兰8连接。负载腔体9前端及侧壁的厚度大于最大能量粒子在该材料中的射程。该材料具体为可实现束流拦截的材料，例如铝、不锈钢、铜，而相同能量的粒子束在不同材料中的射程也不相同。

参阅图1所示，锥形外壳3的顶端接有一个水冷入口1，底端对称连接两个水冷出口2，锥形外壳3的底端与负载腔体9拼接，锥形外壳3与负载腔体9之间的空腔为螺旋槽水冷腔，螺旋槽水冷腔使腔体和冷却水之间得到充分的热交换。工作时束流以垂直于真空法兰8方向射入负载腔体9，锥形腔体结构增大了束流接触面积，更有效地引发散射和吸收，减小局部热功率密度。

如图2-3所示，负载支撑结构包括负载支撑架10、支撑台桌17、调节支撑架16、固定支撑架14及调高桌脚15。其中，调节支撑架16、固定支撑架14前后平行固定在支撑台桌17上。固定支撑架14的底部设于负载支撑架10上，顶部的卡箍卡接于真空法兰8后端、负载腔体9管颈处，调节支撑架16通过斜面支撑板11托举负载腔体9最大外径处。

如图2-3所示，固定支撑架14顶部的卡箍与负载腔体9管颈间设有橡胶垫片，可进行水冷负载角度微调。调节支撑架16包括两个对称设置的斜面支撑板11、调节螺栓12；调节螺栓12用于调节两个斜面支撑板11的间距，进而可调节负载腔体9最大外径处支撑高度，实现水冷负载的调平。负载支撑架10上设有用于左右平移斜面支撑板11的腰形孔，进而可调节水冷负载的摆放角度，调高桌脚15通过调节其上的螺栓可实现负载支撑架10的高度调节。

实施例2

本实施例提供了一种利用水冷负载实现高能束流吸收的方法，包括如下步骤：

步骤一：调节调高桌脚15的螺栓使负载支撑架10使得真空法兰8达到与束流管道法兰对接的高度，调节调节螺栓12改变斜面支撑板11的间距实现水冷负载的调平，通过负载支撑架10腰形孔处的螺栓13左右平移使水冷负载角度对正；

步骤二：将束流管道法兰与真空法兰8对接并固定，通过束流管道端对内部腔体进行抽真空处理；

步骤三：将入水水冷管与位于锥形外壳3顶端的水冷入口1连接，将两根出水水冷管分别与位于锥形外壳3底端的水冷出口2连接，从入水水冷管向水冷负载结构内注入冷却水，通过热力学仿真软件根据束流功率及功率密度计算和仿真冷却水的参数，从出水水冷管将冷却水引出至水冷循环系统；

步骤四：将高能粒子束流通过束流管道轰击到负载腔体9内侧锥形真空负载腔6顶端的圆角面及圆锥侧面上，束流粒子在穿透负载侧壁一定距离后会停止并释放能量，冷却水自水冷入口1冲击在涡流平台4上形成涡流，然后沿螺旋水冷槽5及锥形外壳3与螺旋水冷槽5间的间隙流向水冷出口2，并带走拦截高能粒子过程中产生的热量，实现高能粒子的拦截与吸收。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，其特征在于，包括水冷负载结构、负载支撑结构，所述水冷负载结构包括：负载腔体（9）、锥形外壳（3），锥形外壳（3）设于负载腔体（9）的外部；

所述负载腔体（9）包括涡流平台（4）、螺旋水冷槽（5）、锥形真空负载腔（6）、圆筒真空腔（7）及真空法兰（8）；

所述螺旋水冷槽（5）为螺旋缠绕分布在负载腔体（9）锥面外侧的条带状凹槽；

所述涡流平台（4）为位于负载腔体（9）外锥面顶端的圆形平台，其圆心处带有圆柱形孔洞，侧面与螺旋水冷槽（5）相接；

所述锥形真空负载腔（6）和圆筒真空腔（7）设于负载腔体（9）的内侧，圆筒真空腔（7）的一端与锥形真空负载腔（6）相接，另一端与真空法兰（8）相接；锥形真空负载腔（6）的锥形侧面与螺旋水冷槽（5）的槽底面平行；

所述锥形外壳（3）的顶端接有一个水冷入口（1），底端对称连接两个水冷出口（2），锥形外壳（3）的底端与负载腔体（9）拼接，锥形外壳（3）与负载腔体（9）之间的空腔为螺旋槽水冷腔；

所述负载支撑结构包括负载支撑架（10）、支撑台桌（17）、调节支撑架（16）、固定支撑架（14）及调高桌脚（15）；

所述调节支撑架（16）、固定支撑架（14）前后平行固定在支撑台桌（17）上；

所述调节支撑架（16）包括两个对称设置的斜面支撑板（11）和用于调节两个斜面支撑板（11）间距的调节螺栓（12）；

所述负载腔体（9）前端及侧壁厚度大于最大能量粒子在材料中的射程；上述材料为可实现束流拦截的材料，为铝、不锈钢或铜；

所述束流以垂直于真空法兰（8）方向射入负载腔体（9）；

所述固定支撑架（14）的底部设于负载支撑架（10）上，顶部的卡箍卡接于真空法兰（8）后端、负载腔体（9）管颈处，调节支撑架（16）通过斜面支撑板（11）托举负载腔体（9）最大外径处。

2.根据权利要求1所述的一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，其特征在于，所述固定支撑架（14）顶部的卡箍与负载腔体（9）管颈间设有橡胶垫片。

3.根据权利要求1所述的一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，其特征在于，所述负载支撑架（10）上设有用于左右平移斜面支撑板（11）的腰形孔。

4.根据权利要求1所述的一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，其特征在于，所述调高桌脚（15）上设有用于调节负载支撑架（10）高度的螺栓。

5.一种利用水冷负载实现高能束流吸收的方法，其特征在于，采用权利要求1-4任一所述的一种利用水冷负载实现高能束流吸收的装置，包括如下步骤：

步骤一：调节调高桌脚（15）上的螺栓使负载支撑架（10）到达指定的高度，调节调节螺栓（12）以改变斜面支撑板（11）的间距实现水冷负载的调平，通过负载支撑架（10）腰形孔处的螺栓（13）左右平移使水冷负载角度对正；

步骤二：将束流管道法兰与真空法兰（8）对接并固定，通过束流管道端对内部腔体进行抽真空处理；

步骤三：将入水水冷管与位于锥形外壳（3）顶端的水冷入口（1）连接，将两根出水水冷管分别与位于锥形外壳（3）底端的水冷出口（2）连接，根据束流功率及功率密度计算和仿真冷却水的参数，从入水水冷管向水冷负载结构内注入冷却水，从出水水冷管将冷却水引出至水冷循环系统；

步骤四：将高能粒子束流通过束流管道轰击到锥形真空负载腔（6）顶端的圆角面及圆锥侧面上，束流粒子在穿透负载侧壁一定距离后会停止并释放能量，冷却水自顶部水冷入口（1）冲击在涡流平台（4）上形成涡流，然后沿螺旋水冷槽（5）及锥形外壳（3）与螺旋水冷槽（5）间的间隙流向水冷出口（2），并带走拦截高能粒子过程中产生的热量，实现高能粒子的拦截与吸收。

Images