CN112911783A - 一种适用于高功率束流的薄膜降能器 - Google Patents

一种适用于高功率束流的薄膜降能器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管，位于所述真空管内部、且内部中空的铜基座，环绕安装在所述铜基座内部的冷却水装置，设置在铜基座内部的薄膜，和设置在所述真空管管壁上、支撑固定所述铜基座的支撑底座，所述铜基座与所述真空管同轴设置，本发明通过在铜基座内部设置冷却水装置，冷却水装置能够跟设置在铜基座内的薄膜进行热交换，吸收沉积在薄膜中的热量，降低薄膜的热负载，使薄膜能够正常工作，进而保证在高功率束流下降能器的正常使用。

Description

一种适用于高功率束流的薄膜降能器
技术领域
本发明属于粒子加速器领域，具体涉及一种适用于高功率束流的薄膜降能器。
背景技术
在粒子加速器领域，特别是引出束流能量固定的回旋加速器领域，为了满足不同的应用需求，往往需要采用能量选择系统对粒子束流的能量进行调节，束流能量选择系统中最为核心的部件就是降能器，其主要作用是调节束流的能量，目前世界上所涉及的降能器主要应用在癌症、肿瘤治疗等医用治疗系统，例如，瑞士PSI、比利时IBA、日本住友公司均采用类似的多楔型结构降能系统，如图1所示。这种降能器由两块包含若干楔形体的石墨块构成，两块石墨快可相对移动，从而改变束流路径上的石墨厚度，达到改变束流能量的目的；通过降能器后的束流流强基本不变，而束流品质，发射度与散射角要变大，这种降能器可以在80-100ms内使束流路径上的石墨厚度改变5mm，适用于快速点扫描治疗和移动靶体用的体积重复扫描法，但是这种降能器仅适用于低流强、高能量的质子及重离子，粒子单核能一般在100MeV以上束流的能量调节，并不适用于对加速器引出的能量较低的粒子束流的能量调节，例如：在乏燃料辐照萃取实验中需将加速器引出的30MeV的束流能量降低到萃取实验能量要求4-7MeV。
土耳其原子能研究院质子加速器设施研发室(TAEA PAF)建造的真空完全自动化辐照系统，可使流强低至皮安量级的质子束流能量在2-30MeV之间进行调节，其中的能量降低系统可让从回旋加速器引出的能量在15-30MeV之间的质子束流能量降低至2MeV，如图2所示。该系统包括一个用来作为束流垃圾桶并测量质子束流强的法拉第杯，5个箔片夹持器可容纳不同厚度和材料的准直器和薄膜，以获得特定的束流能量，铝支架上箔的有效面积为16cm2，系统易于安装和更换，五个箔片夹持器和法拉第杯可以通过独立控制的气动活塞拔出或推进到束流传输路径上，但是降能器只适用于流强低至皮安的束流的能量调节，适用范围窄；随着流强增大，沉积在降能器薄膜中的热功率越大，薄膜就无法正常工作，进而导致降能器无法工作；所以现在急需开发出一种能够对高流强束流进行调节，且适用范围宽的降能器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于高功率束流的薄膜降能器，尤其适用于百瓦量级功率束流，以解决在现有技术的降能器中，随着流强增大，降能器热负载过大无法正常工作等问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管，位于所述真空管内部、且内部中空的铜基座，环绕安装在所述铜基座内部的冷却水装置，设置在铜基座内部的薄膜，和设置在所述真空管管壁上、支撑固定所述铜基座的支撑底座，所述铜基座与所述真空管同轴设置。
优选的，所述冷却水装置包括环绕在所述铜基座壁内部的环绕水管、和与所述环绕水管连通的进水管和出水管，所述进水管和水管另一端穿过所述支撑底座延伸至所述真空管外。
优选的，所述铜基座中空的部分为“T”形中空结构，所述“T”形中空结构包括上中空结构和下中空结构，所述薄膜设置在上中空结构中。
优选的，所述薄膜通过螺套压盖固定安装在所述铜基座内部。
优选的，所述螺套压盖包括同轴连接的上盖和下盖、以及贯穿所述上盖和下盖中心的通孔。
优选的，所述上盖半径大于上中空结构的半径，所述下盖半径与上中空结构的半径相同，所述通孔半径与下中空结构半径相同。
优选的，所述螺套压盖与所述薄膜之间设置有垫片，所述垫片为环形结构，且其内半径小于或等于下中空结构半径。
优选的，所述薄膜为金刚石薄膜。
优选的，所述支撑底座由铜或铜合金制成。
优选的，所述真空管两端连接有法兰。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明通过在设置铜基座内部设置冷却水装置，能够跟设置在铜基座内的薄膜进行热交换，吸收沉积在薄膜中的热量，降低薄膜的热负载，使薄膜能够正常工作，进而保证在高功率束流下降能器的正常使用；
2、本发明通过在铜基座上设置与其形状相适配的螺套压盖，并通过螺套压盖将薄膜固定压紧在铜基座的内壁上，保证了薄膜与铜基座内壁紧密接触，也方便人工更换薄膜；
3、本发明通过采用各项性能优异的金刚石薄膜，使得从降能器中引出的束流传输更加稳定，束流发射度增长更小，束流散角变化更小，束流能量更集中，能散更小；
4、本发明通过在螺套压盖与薄膜之间设置垫片，避免因螺套压盖的挤压造成薄膜的损坏，对薄膜起到保护作用；
5、本发明通过在真空管两端设置法兰，便于将降能器进行真空密封，也方便与其他装置连接并保证和人工更换薄膜。
附图说明
图1为现有技术中的多楔型结构降能系统结构示意图；
图2为现有技术中的真空完全自动化辐照系统中的能量降低系统结构示意图；
图3为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的纵截面剖视图；
图4为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的纵横截面剖视图；
图5为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的冷却水装置示意图；
图6为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的铜基座示意图；
图7为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的螺套压盖示意图；
图8为一种适用于高功率束流的薄膜降能器的外部结构示意图；
图9为α束流经过铝薄膜、铜薄膜、金刚石薄膜材料后在X平面的二维相图；
图10为束流经过不同薄膜降能器水冷时的热仿真温度条；
附图标记：1-真空管、2-铜基座、3-冷却水装置、4-薄膜、5-支撑底座、6-环绕水管、7-进水管、8-出水管、9-“T”形中空结构、10-螺套压盖、11-上盖、12-下盖、13-通孔、14-法兰。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
本申请提供了一种适用于高功率束流的薄膜降能器一个实施例，具体请参阅图3和图4；
本实施例中一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管1，位于所述真空管1内部、且内部中空的铜基座2，环绕安装在所述铜基座2内部的冷却水装置3，设置在铜基座2内部的薄膜4，和设置在所述真空管1管壁上、支撑固定所述铜基座2的支撑底座5，所述铜基座2与所述真空管1同轴设置。
需要说明的是：在应用过程中，束流在回旋加速器引出通过导向磁铁、快阀、真空泵到达降能器中，束流与铜基座2内的薄膜4发生相互作用从而降低能量，由于束流功率较大，导致薄膜4产生温度效应，薄膜4的热功率增大，这时环绕安装在铜基座2内部的冷却水装置3则会对薄膜4进行冷却处理，使其保持室温，薄膜4得以实现热平衡，进而保证降能器正常工作。
以上为本申请实施例提供的一种适用于高功率束流的薄膜降能器的实施例一，以下为本申请实施例提供的一种适用于高功率束流的薄膜降能器的实施例二，具体请参阅图3-图8：
本实施例中一种适用于高功率束流的薄膜降能器，包括真空管1，位于所述真空管1内部、且内部中空的铜基座2，环绕安装在所述铜基座2内部的冷却水装置3，设置在铜基座2内部的薄膜4，和设置在所述真空管1管壁上、支撑固定所述铜基座2的支撑底座5，所述铜基座2与所述真空管1同轴设置。
其中，所述支撑底座5的结构可为长方体结构、圆柱体结构或其他能够起到方便支撑固定作用的结构，具体结构可根据实际情况设置，图4和图6中的支撑底座5为空心圆柱体，且支撑底座5外径与铜基座2高度相同；所述支撑底座5一端与铜基座2连接，另一端可贯穿真空管1管壁、或者与真空管1内壁连接，图1中支撑底座5一端与铜基座2连接，另一端贯穿真空管1管壁。
其中，所述支撑底座5由铜或铜合金制成。
如图5所示，所述冷却水装置3包括环绕在所述铜基座2壁内部的环绕水管6、和与所述环绕水管6连通的进水管7和出水管8，所述进水管7和出水管8另一端穿过所述支撑底座5延伸至真空管1外。
其中，所述进水管7和出水管8在未使用时，位于真空管1外的一端需要进行真空密封；冷却水装置3在实际使用过程中通常设置在所述铜基座2中心位置，使得对流换热保持均匀，在随着功率改变薄膜4上温度改变，冷却水装置3也可根据实际情况设置在中心位置、或靠近薄膜4设置、或远离薄膜4设置。
所述冷却水装置3的原理为：冷却水从进水管7通入铜基座2壁内部的环绕水管6中，并与铜基座2和薄膜4进行热交换，降低薄膜4和铜基座2的温度，并将吸收热量后的冷却水从出水管8排出，保证降能器的正常工作。
如图6和图7所示，所述铜基座2中空的部分为“T”形中空结构9，所述“T”形中空结构9包括上中空结构和下中空结构，所述薄膜4设置在上中空结构中，所述薄膜4通过螺套压盖10固定安装在所述铜基座2内部，所述螺套压盖10包括同轴连接的上盖11和下盖12、以及贯穿所述上盖11和下盖12中心的通孔13，所述上盖11半径大于上中空结构的半径，所述下盖12半径与上中空结构的半径相同，所述通孔13半径与下中空结构半径相同。
其中，上中空结构的半径大于下中空结构的半径，两者交界处形成一个台阶方便薄膜4放置在上中空结构的底部下中空结构的顶部，然后将螺套压盖10插入上中空结构中压住薄膜4保证其与铜基座2的内壁紧密接触；螺套压盖10分为上盖11和下盖12，其横截面也应该呈“T”字形结构，上盖11可用过螺钉等可拆卸的连接方式与铜基座2的上表面固定连接，具体的连接方式可根据实际情况设置；
为了避免螺套压盖10对薄膜4造成损伤，所述螺套压盖10与所述薄膜4之间设置有垫片(图中未示)，所述垫片为环形结构，且其内半径小于或等于下中空结构半径。
束流从加速器中引出后，通过导向磁铁、快阀、真空泵到达降能器，首先进入铜基座2的下中空结构中，然后到达薄膜4处与薄膜4相互作用进行降能，降能后的束流最终从螺套压盖10的通孔13内流出。
由于束流能量降低的越多，需要薄膜4材料越厚，散射角增大，散射角增大引起发射度增长，为了使降能后的束流传输更加稳定，束流发射度增长更小，束流散角变化更小，束流能量更集中，能散更小，将所述薄膜4设置为金刚石薄膜，金刚石薄膜各项性能优异，且厚度较小，更有利于安装在狭小的真空管1中。
如图8所示，所述真空管1两端连接有法兰14，法兰14用于将真空管1与其他真空管1、波纹管的连接，并且可隔离降能器，保证真空密封，方便人工更换降能器内的薄膜4。
实施例3
将本发明应用在基于CS-30回旋加速器α束流的乏燃料辐照萃取实验，该辐射萃取实验需要将加速器引出能量为30MeV、流强为20μA、发射度35mm.mrad的α束流的能量降低到4-7MeV，发明人该范围下对本发明所述降能器的各部件进行了具体设计：
在本实施例中，真空管1的壁厚为10mm、外半径为80mm、内半径为75mm，铜基座2为外半径为35mm、高为20mm为圆柱形结构，铜基座2内部的“T”形中空结构9的上中空结构半径为20mm、上中空结构半径为10mm，上中空结构高度为4mm，金刚石薄膜的半径为20mm、厚度为209μm，螺套压盖10的上盖11半径为35mm、下盖12半径为20mm、通孔13半径为10mm，环绕水管6、进水管7和出水管8的直径均为5mm，与真空管1连接的法兰14根据GB/9119-2000国家法兰14标准，采用面平焊钢制法兰1416PN1.0MPa(10bar)；
计算分析α束流经过金刚石薄膜后束流发射度的变化，横向尺寸的sigma x＝1.67mm，横向散射角Sigma x'＝16.56mrad，纵向能散FWHM＝1.16MeV，sigma E＝0.5MeV；
α束流从CS-30回旋加速器引出通过导向磁铁、快阀、真空泵到达降能器，束流的束斑大小约10mm，继续通过降能器中的金刚石薄膜，α束流与金刚石薄膜发生相互作用从而降低其能量，由于束流功率较大，导致金刚石薄膜产生温度效应，向进水管7内通入冷却水并流至环绕水管6中与铜基座2和金刚石薄膜进行热交换，进而达到对金刚石薄膜进行冷却处理达到热平衡的目的，热平衡后金刚石薄膜中心最高温度接近300℃，具有良好的导热性，足以保证降能器的正常工作。
实验例
发明人采用本领域常用的铝薄膜和铜薄膜，与金刚石薄膜分别作为降能器内的薄膜材料，进行α束流发射度与散射角变化模拟计算、以及温度变化模拟计算，验证金刚石薄膜为本发明降能器最适宜的薄膜材料；
根据CS-30回旋加速器引出的初始束流参数，利用G4beamline程序设计初始束流，物理模块采用低能量数值模拟的QGSP_BERT，初始束流为高斯分布型束流，与加速器引出的实际束流相近；束流初始能量30MeV，初始束流x方向的均方根σX＝1.64mm，σX′＝0.73mrad。
利用SRIM程序计算将初始能量为30MeV的α束流降低到降低到平均能量为9MeV时，铝薄膜、铜薄膜和金刚石薄膜的厚度，结果如下表1所示：
表1不同薄膜材料的物理参数
材料 密度/(g/cm<sup>2</sup>) 厚度/(μm)
铝 2.702 328
金刚石 3.52 204
铜 8.92 129
(1)α束流发射度模拟计算
基于初始高斯束流，利用SRIM程序中模拟计算30MeV的α束流分别通过328μm铝薄膜、129μm铜薄膜、204μm金刚石薄膜得到的相空间信息，以初始束流分布作为比较，束流经过不同薄膜材料后在x平面的二维相图变化，如图9所示；由图9可见，发射度增长最大的为铜薄膜结果，其次为铝薄膜，发射度增长最小的为金刚石薄膜。
(2)α束流散射角模拟计算
通过对α束流横向位置x与横向散射角x'分布进行高斯拟合，高斯拟合各薄膜材料的σ值如下表2所示：
表2不同薄膜材料束流横向参数
薄膜材料 σ<sub>x</sub>/mm σ<sub>x'</sub>/mrad
204μm金刚石 1.670 16.560
328μm铝 1.671 26.765
129μm铜 1.670 30.049
由表2中高斯分量σ值的大小来看，30MeV的α束流与各薄膜作用后，这与初始束流的σ值对比，σx基本没有变化，说明束流横向位置没有改变；σx'变化较大，对于金刚石薄膜，横向散射角增长最小，金刚石薄膜的散射角增大了23倍，铝薄膜的散射角增大了近36倍，而铜薄膜的散射角增大了近41倍。可见随着薄膜材料原子序数的增大，散射角也随即增大。
(3)降能器内薄膜的温度变化模拟计算
本发明降能器的冷却水系统热分析的建模与仿真模拟均在CST上完成。
薄膜降能器将初始30MeV的束流能量降低到9MeV时，降能器上沉积的束流功率为：
Figure BDA0002992093830000081
冷却水对流换热系数CHT表示流体和固体之间通过选定表面对流传递的热量，公式表示如下：
Q＝A·CHT·(T-TR)
其中，Q为功率，T为局部固体表面温度，TR为参考温度，A为所选表面面积，对流换热系数对选定表面的最终热辐射没有影响，参考温度为环境温度。
表3降能器冷却系统参数
Figure BDA0002992093830000091
建立降能器模型，分别参照表1和上述表3输入金刚石、铝薄膜和铜薄膜的厚度以及冷却系统参数，采用CST中3D模拟仿真模块Thermal&Mechanics进行热分析，即可得到不同降能器薄膜水冷时的温度分布，如图10所示，图10为不同薄膜降能器材料时的热仿真温度条：温度条从上到下的温度变化，表示逐渐远离薄膜中心位置的降能器内温度变化，顶点表示薄膜中心温度，底端表示降能器边缘位置的温度；从图中可以看出，由于金刚石具有很好的导热性，所有降能器薄膜上的温度范围最小，最高温度仅480K，而铜和铝最高温度分别达到1024K和788K，及约为751℃和515℃。参考下述表4中的不同材料的导热系数，最高温度已经完全超过导热温度，对于厚度约为0.3mm的薄膜会出现变现，导致降能器无法正常工作。所以从热仿真分析结果来看，只有金刚石材料符合这种类型的降能器材料选择。
表4不同降能器材料的导热系数
材料 铝 铜 金刚石
导热系数(W/m<sup>2</sup>/K) 237 401 2000
综上可得，从束流横向发射度与散射角变化来看，金刚石薄膜材料发射度增长最小、散射角变化最小、从热分析来看，金刚石薄膜的最大温度最小，且温度在材料可承受范围，故金刚石薄膜是本发明薄膜降能器材料最为合适的选择。

Claims (10)

1.一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：包括真空管(1)，位于所述真空管(1)内部、且内部中空的铜基座(2)，环绕安装在所述铜基座(2)内部的冷却水装置(3)，设置在铜基座(2)内部的薄膜(4)，和设置在所述真空管(1)管壁上、支撑固定所述铜基座(2)的支撑底座(5)，所述铜基座(2)与所述真空管(1)同轴设置。
2.根据权利要求1所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述冷却水装置(3)包括环绕在所述铜基座(2)壁内部的环绕水管(6)、和与所述环绕水管(6)连通的进水管(7)和出水管(8)，所述进水管(7)和出水管(8)另一端穿过所述支撑底座(5)延伸至所述真空管(1)外。
3.根据权利要求1所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述铜基座(2)中空的部分为“T”形中空结构(9)，所述“T”形中空结构(9)包括上中空结构和下中空结构，所述薄膜(4)设置在上中空结构中。
4.根据权利要求3所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述薄膜(4)通过螺套压盖(10)固定安装在所述铜基座(2)内部。
5.根据权利要求4所述的一种适用于高功率束流的薄膜(4)降能器，其特征在于：所述螺套压盖(10)包括同轴连接的上盖(11)和下盖(12)、以及贯穿所述上盖(11)和下盖(12)中心的通孔(13)。
6.根据权利要求5所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述上盖(11)半径大于上中空结构的半径，所述下盖(12)半径与上中空结构的半径相同，所述通孔(13)半径与下中空结构半径相同。
7.根据权利要求3所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述螺套压盖(10)与所述薄膜(4)之间设置有垫片，所述垫片为环形结构，且其内半径小于或等于下中空结构半径。
8.根据权利要求3所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述薄膜(4)为金刚石薄膜。
9.根据权利要求1所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述支撑底座(5)由铜或铜合金制成。
10.根据权利要求1所述的一种适用于高功率束流的薄膜降能器，其特征在于：所述真空管(1)两端连接有法兰(14)。
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