CN113347776A - 一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，包括固态锂薄膜、无氧铜基底、低活化钢盲板。通过质子束轰击固态锂薄膜实现足额中子的产生；利用无氧铜基底及内部翅片通道水冷结构实现对沉积在固态锂薄膜内部及无氧铜基底表面质子束热流的有效清除，避免固态锂薄膜的熔化和无氧铜基底的损伤；在不影响中子特性的前体下，采用低活化钢制备盲板可实现材料的低活化性；通过无氧铜基底与低活化钢盲板焊接形成模块，实现锂靶模块的稳固性，避免转运过程中因晃动等因素造成固态锂薄膜及冷却结构的损伤。本发明提供了一种能长时间稳定持续产生中子的锂靶，可为基于加速器中子源系统在生产生活中的广泛应用提供良好的技术基础。

Description

一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶
技术领域
本发明涉及基于加速器中子源在医疗中应用的技术领域，尤其涉及一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶。
背景技术
硼中子俘获治疗(BNCT)是一种精准、高效的二元治疗癌症的新方法。BNCT同时需要中子源和含硼药物。利用中子与硼元素产生的核反应治疗肿瘤，肿瘤部位乏氧细胞的复活率几乎为零，术后癌症复发率极低，在大范围选择性破坏癌细胞的同时不损害正常组织。针对大范围弥散性恶性肿瘤及中晚期癌症，如颅脑肿瘤、复发性头颈部肿瘤等复发和转移肿瘤，具有特殊治疗优势。
基于加速器的中子源设备具有结构简单，安装简便、占地面积小、安全稳定等优势，适合在医院普及。基于加速器中子源的原理是利用加速器产生的离子束轰击靶材产生中子。质子束打锂具有中子产额高、中子特性好等优点被外认为是产生中子源的最佳选择。但在中子源锂靶的设计过程中也存在一定的困难，高能质子束入射锂靶时绝大部分质子会滞留在靶材中形成很高的热沉积，造成靶材损伤及靶系统的不稳定性。另外，锂是低熔点的碱金属(熔点180℃)，在质子束轰击锂靶时锂可能会熔化或脱落，因此，锂靶表面高热负荷的有效移除是靶设计中的难点。鉴于此，设计一种满足中子产额且有效清除表面热负荷的稳态运行的锂靶对于加速器中子源设备在生产生活中的广泛应用具有重要意义。
发明内容
本发明目的提供一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，能长时间稳定持续产生中子，既能满足中子产额需求，又能实现靶表面高热负荷的清除和系统的持续安全稳定运行。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，包括有固态锂薄膜、无氧铜基底、低活化钢盲板。所述的固态锂薄膜通过锂真空蒸镀于无氧铜基底上；所述的无氧铜基底为长方体位于低活化钢盲板上方，采用真空钎焊与低活化钢盲板连为一体，无氧铜基底内部设计有翅片通道水冷结构；所述的低活化钢盲板表面开有比无氧铜基底略大的坑槽，无氧铜基底四边的下部真空焊接于低活化钢盲板上的坑槽中，低活化钢盲板与无氧铜基底内部水槽中间相接处设计两个深度为低活化钢盲板厚度一半的水孔，水孔往低活化钢盲板边缘方向设计有水道b并与低活化钢水管连接。
进一步地，所述的固态锂薄膜为采用真空蒸镀技术将高纯度的锂7蒸镀在无氧铜基底上(质子束轰击锂膜产生的中子量与锂7含量呈正比)，固态锂薄膜的面积和厚度尺寸可质子束和中子参数来设定。比如：为满足2.5MeV、20mA质子束加速器系统和不低于1×1013n.s-1.cm-2中子量的需求，固态锂薄膜为Φ150mm的圆形，厚度为100μm。
进一步地，所述的无氧铜基底为无氧铜材质的长方体块，为实现对沉积于固态锂薄膜内部及无氧铜基底表面的质子束热流的有效清除，无氧铜基底内部设计有翅片通道水冷结构。以2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜的需求为例：无氧铜尺寸为218mm(长)×168mm(宽)×10mm(高),在距离各边缘4mm处开设有两条30mm(宽)×160mm(长)×6mm(深)的水槽，作为冷却水的进水和出水槽；在两水槽间150mm×160mm的区域内开设9道与水槽联通的尺寸为12mm(宽)×150mm(长)×6mm(深)的水道a，每个水道a间采用尺寸为5.2mm(宽)×150mm(长)×9mm(厚)的水坝分割；每个水道a内均匀分布16个距离水坝2mm的尺寸为8mm(长)×2mm(宽)×3mm(厚)的扰流柱，以增加水流阻力和增加换热面积。
进一步地，所述的低活化钢盲板为圆形，材质选用国内成熟的CLAM钢，表面开有比无氧铜基底的长和宽大约0.2mm、深度为1mm的坑槽，便于无氧铜基底与低活化钢盲板的焊接。在对应无氧铜基底内部水槽中间处开有两个深度为低活化钢盲板厚度一半的水孔作为水槽的进出水口，水孔往低活化钢盲板边缘方向开有水道b，水道b末端与低活化钢水管焊接。以2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜和无氧铜基底的需求为例：低活化钢盲板的尺寸为Φ425mm×27mm，在距离低活化钢盲板中心80mm处开设两个尺寸为Φ20mm×13.5mm的水孔，水孔往低活化钢盲板边缘方向两条水道b的尺寸为Φ17mm×122.5mm。水道b外焊接有两根内径Φ17mm的低活化钢水管，低活化钢水管与低活化钢盲板呈L型分布。
进一步地，针对于2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜和无氧铜基底，为了保证在质子束轰击固态锂薄膜产中子期间靶系统的热力学稳定性，低活化钢盲板进水孔的室温水流压力不低于0.25MPa，流量度不低于2.0kg/s。
通过质子束轰击固态锂薄膜实现足额中子的产生；利用无氧铜基底及内部翅片通道水冷结构实现对沉积在锂薄膜内部及无氧铜基底表面质子束热流的有效清除，避免锂薄膜的熔化和无氧铜基底的损伤；在不影响中子特性的前体下，采用低活化钢制备盲板可实现材料的低活化性；通过无氧铜基底与低活化钢盲板焊接形成模块，实现锂靶模块的稳固性，避免转运过程中因晃动等因素造成锂薄膜及冷却结构的损伤。
本发明的优点是：在满足中子产额的前提下能有效地解决锂靶系统运行期间的热力学不稳定性问题，保障中子源系统持续安全稳定地运行；同时兼顾在转运期间对锂靶的有效保护，为基于加速器中子源系统在生产生活中的广泛应用提供良好的技术基础。
附图说明
图1为本发明的整体剖面结构示意图；
图2为无氧铜基底内部水冷结构示意图；
图3为低活化钢盲板示意图。
图中，1固态锂薄膜；2无氧铜基底；3水槽；4水道a；5水坝；6扰流柱；7低活化钢盲板；8坑槽；9水孔；10水道b；11低活化钢水管。
具体实施方式
如图1、图3所示，一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，包括有固态锂薄膜1、无氧铜基底2、低活化钢盲板7。所述的固态锂薄膜1通过锂真空蒸镀于无氧铜基底2上；所述的无氧铜基底2为长方体位于低活化钢盲板7上方，采用真空钎焊与低活化钢盲板7连为一体，无氧铜基底2内部设计有翅片通道水冷结构；所述的低活化钢盲板7表面开有比无氧铜基底2略大的坑槽8，无氧铜基底2四边的下部真空焊接于低活化钢盲板上的坑槽8中，低活化钢盲板7与无氧铜基底2内部水槽3中间相接处设计两个深度为低活化钢盲板7厚度一半的水孔9，水孔9往低活化钢盲板7边缘方向设计有水道b10并与低活化钢水管11连接。
所述的固态锂薄膜1为采用真空蒸镀技术将高纯度的锂7蒸镀在无氧铜基底2上(质子束轰击锂膜产生的中子量与锂7含量呈正比)，固态锂薄膜1的面积和厚度尺寸可根据质子束和中子参数来设定。比如：为满足2.5MeV、20mA质子束加速器系统和不低于1×1013n.s-1.cm-2中子量的需求，固态锂薄膜1为Φ150mm的圆形，厚度为100μm。
如图1、图2所示，所述的无氧铜基底2为无氧铜材质的长方体块，为实现对沉积于固态锂薄膜1内部及无氧铜基底2表面的质子束热流的有效清除，无氧铜基底2内部设计有翅片通道水冷结构。以2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜1的需求为例：无氧铜基底2尺寸为218mm(长)×168mm(宽)×10mm(高)，在距离各边缘4mm处开设有两条30mm(宽)×160mm(长)×6mm(深)的水槽3，作为冷却水的进水和出水槽；在两水槽3间150mm×160mm的区域内开设9道与水槽3连通的尺寸为12mm(宽)×150mm(长)×6mm(深)的水道a4，每个水道a4间采用尺寸为5.2mm(宽)×150mm(长)×9mm(厚)的水坝5分割；每个水道a4内均匀分布16个距离水坝52mm的尺寸为8mm(长)×2mm(宽)×3mm(厚)的扰流柱6，以增加水流阻力和增加换热面积。
如图1和3所示，所述的低活化钢盲板7为圆形，材质选用国内成熟的CLAM钢，表面开有比无氧铜基底2的长和宽大约0.2mm、深度为1mm的坑槽8，便于无氧铜基底2与低活化钢盲板7的焊接。在对应无氧铜基底2内部水槽3中间处开有两个深度为低活化钢盲板7厚度一半的水孔9作为水槽3的进出水口，水孔9往低活化钢盲板7边缘方向开有水道b10，水道b10末端与低活化钢水管11焊接。以2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜和无氧铜基底的需求为例：低活化钢盲板7的尺寸为Φ425mm×27mm，在距离低活化钢盲板7中心80mm处开设两个尺寸为Φ20mm×13.5mm的水孔9，水孔9往低活化钢盲板7边缘方向两条水道b10的尺寸为Φ17mm×122.5mm。水道b10外焊接有两根内径Φ17mm的低活化钢水管11，低活化钢水管11与低活化钢盲板7呈L型分布。
以下结合附图对本发明作进一步的说明：
①在惰性氩气保护将水冷固态锂靶的低活化钢盲板7与质子加速器的真空腔室相连(锂靶面向质子束入射方向)，在完成密封后通过质子加速器的真空泵对真空腔室抽真空，真空度处于10E-4Pa量级即可。
②将低活化钢水管11与质子加速器的冷却水回路相连，调节水回路参数使低活化盲板7内水孔9入水口处的流量达到2kg/s，水压达到0.25MPa，水回路持续供水。
③质子加速器系统开始工作，入射2.5MeV、20mA、Φ150mm的质子束斑轰击Φ150mm、100μm厚的固态锂薄膜产生中子。
④采用红外相测温系统，实时监测固态锂靶表面的温度，通过调节冷却水参数，严格控制固态锂薄膜1的表面的温度在170℃以内(当温度高于180℃时，固态锂薄膜会熔化)。
⑤当中子产额满足要求后，首先停止质子束入射，然后关闭质子加速系统，最后停止冷却水供应。
⑥如水冷固态锂靶需要更换，首先将无氧铜基底2内部翅片通道水冷结构、低活化钢盲板7内水道b10、低活化钢水管11内的冷却水排出，然后在氩气保护下将低活化钢盲板7与质子加速器系统断开连接，最后按照步骤①完成新水冷固态锂靶的更换，按照步骤②-⑤继续产生中子。
⑦将废弃的水冷固态锂靶送到热室处理。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：包括有固态锂薄膜(1)、无氧铜基底(2)、低活化钢盲板(7)；所述的固态锂薄膜(1)通过锂真空蒸镀于无氧铜基底(2)上；所述的无氧铜基底(2)为长方体位于低活化钢盲板(7)上方，采用真空钎焊与低活化钢盲板(7)连为一体，无氧铜基底(2)内部设计有翅片通道水冷结构；所述的低活化钢盲板(7)表面开有比无氧铜基底(2)大的坑槽，无氧铜基底(2)四边的下部真空焊接于低活化钢盲板上的坑槽(8)中，低活化钢盲板(7)与无氧铜基底(2)内部水槽中间相接处设计两个深度为低活化钢盲板厚度一半的水孔(9)，水孔(9)往低活化钢盲板(7)边缘方向设计有水道b(10)并与低活化钢水管(11)连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：所述的固态锂薄膜(1)为采用真空蒸镀技术将高纯度的锂7蒸镀在无氧铜基底(2)上(质子束轰击锂膜产生的中子量与锂7含量呈正比)，固态锂薄膜(1)的面积和厚度尺寸可根据质子束和中子参数来设定。
3.根据权利要求2所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：为满足2.5MeV、20mA质子束加速器系统和不低于1×1013n.s-1.cm-2中子量的需求，固态锂薄膜为Φ150mm的圆形，厚度为100μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：所述的无氧铜基底(2)为无氧铜材质的长方体块，为实现对沉积于固态锂薄膜(1)内部及无氧铜基底(2)表面的质子束热流的清除，无氧铜基底(2)内部设计有翅片通道水冷结构。
5.根据权利要求1所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜(1)的需求为：无氧铜基底(2)尺寸为218mm(长)×168mm(宽)×10mm(高),在距离各边缘4mm处开设有两条30mm(宽)×160mm(长)×6mm(深)的水槽(3)，作为冷却水的进水和出水槽；在两水槽(3)间150mm×160mm的区域内开设9道与水槽(3)连通的尺寸为12mm(宽)×150mm(长)×6mm(深)的水道a(4)，每个水道a(4)间采用尺寸为5.2mm(宽)×150mm(长)×9mm(厚)的水坝(5)分割；每个水道a(4)内均匀分布16个距离水坝(5)2mm的尺寸为8mm(长)×2mm(宽)×3mm(厚)的扰流柱(6)，以增加水流阻力和增加换热面积。
6.根据权利要求1所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：所述的低活化钢盲板(7)为圆形，材质选用CLAM钢，表面开有比无氧铜基底(2)的长和宽大约0.2mm、深度为1mm的坑槽(8)，便于无氧铜基底(2)与低活化钢盲板(7)的焊接；在对应无氧铜基底(2)内部水槽(3)中间处开有两个深度为低活化钢盲板(7)厚度一半的水孔(9)作为水槽(3)的进出水口，水孔(9)往低活化钢盲板(7)边缘方向开有水道b(10)，水道b(10)末端与低活化钢水管(11)焊接。
7.根据权利要求1所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜(1)和无氧铜基底(2)的需求为：低活化钢盲板(7)的尺寸为Φ425mm×27mm，在距离低活化钢盲板(7)中心80mm处开设两个尺寸为Φ20mm×13.5mm的水孔(9)，水孔(9)往低活化钢盲板(7)边缘方向两条水道b(10)的尺寸为Φ17mm×122.5mm；水道b(10)外焊接有两根内径Φ17mm的低活化钢水管(11)，低活化钢水管(11)与低活化钢盲板(7)呈L型分布。
8.根据权利要求1所述的一种用于基于加速器中子源系统的水冷固态锂靶，其特征在于：针对于2.5MeV、20mA质子束加速器系统和Φ150mm×100μm固态锂薄膜(1)和无氧铜基底(2)，为了保证在质子束轰击固态锂薄膜(1)产中子期间靶系统的热力学稳定性，低活化钢盲板(7)进水孔的室温水流压力不低于0.25MPa，流量度不低于2.0kg/s。
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