CN113556858A - 一种中子产生靶 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及产生加速器驱动的靶体技术领域，尤其涉及一种具有高效冷却功能、温度与束斑监控功能的用于加速器驱动的高功率中子产生靶；所述的中子产生靶包括顺序贴合连接的靶材层、粒子迁移层、微通道基底层和盖板层，形成一体式的多层结构靶体，靶体上设置有多组热电偶组件；所述的微通道基底层表面加工有多排肋片，相邻的肋片间形成微小散热通道；本发明解决了靶体周围的高剂量辐射环境下红外成像摄像头无法长期工作的问题；利用微小散热通道结构对中子产生靶进行冷却，有利于对于质子束斑形状的预测，实现靶材的温度监测；采用均匀分布的热电偶，其距离靶材表面的距离一致，以此形成均匀测量的温度场，有利于束斑形状预测。

Description

一种中子产生靶
技术领域
本发明涉及产生加速器驱动的靶体技术领域，尤其涉及一种具有高效冷却功能、温度与束斑监控功能的用于加速器驱动的高功率中子产生靶。
背景技术
当加速器产生的粒子或者射线轰击中子产生靶时，特别是低能量质子，高单位热流密度以及高热负荷功率等情况如硼中子俘获治疗癌症装置，其采用质子作为入射粒子，质子能量在2MeV～10MeV之间，质子束流功率高达30kW以上，同时质子在金属内的射程较短，热流密度超过100kW/cm2。由于质子射程低，质子辐照的束流测量元件时会沉积在束流测量元件中导致其烧毁，因此很难获得具体的束斑分布；此外，当质子束流功率高且分布集中时热流密度高，以低熔点材料作为靶材如锂靶等，其熔点仅180摄氏度，锂靶的热量移除问题大，故需要实时监控靶体的温度运行情况，以保证质子束斑的均匀照射，避免锂层融化造成靶体损毁。
CN106385757A专利发明提供的中子产生靶通过温度传感器检测靶体上各点的温度，包括用于检测靶体入射表面、靶体入射表面边缘、靶体与冷却座连接处附近以及腔体管路的热偶温度计，多组温度计共同完成温度与束斑监控。此外，冷却座内部为一个独立腔体，与靶体的真空腔体不连通，靶体与冷却水相互隔离，通过靶体底部冷却座中的散热片以及相连的冷却水管实现靶体冷却功能。但存在以下问题：第一、上述方案热电偶的测温线从真空侧引出，需要通过真空穿墙件引出，布置难度较高，且在多个不同位置处布置热电偶导致安装难度较大；第二、在高束流功率情况下，深入束流中心处测温元件的引线或热电偶将会被束流直接照射导致温度过高引起烧毁；第三、测温元件在真空中深入束流中心，束流直接照射测温元件而非靶体，导致中子产额降低；第四、测温元件从四周直接穿入冷却座，破坏其冷却结构降低换热效果，同时限制了测量点数量，导致无法精确的反应束斑分布。
发明内容
针对上述不足，本发明旨在提供一种中子产生靶，包括利用质子、重离子等粒子或者射线照射中子靶产生中子的设备，尤指一种具有高效冷却功能、温度与束斑监控功能的用于加速器驱动的高功率中子产生靶。
本发明所采用的技术方案是：一种中子产生靶，所述的中子产生靶包括顺序贴合连接的靶材层、粒子迁移层、微通道基底层和盖板层，形成一体式的多层结构靶体，靶体上设置有多组热电偶组件；所述的微通道基底层表面加工有多排肋片，相邻的肋片间形成微小散热通道。
所述的热电偶组件均布设置在靶体结构上，从盖板层贯穿靶体直至贴近靶材层。
所述的热电偶组件包括热电偶和套筒，套筒从盖板层贯穿靶体直至贴近靶材层，热电偶插入至对应套筒内以此尽可能接近靶材并推断靶材温度。
所述的热电偶通过贯穿靶体盖板层以及微通道基底层表面肋片深入至微通道基底层底部。
所述的盖板层底面与微通道基底层贴合连接，盖板层通过焊接或者螺纹紧固的方式封闭将微通道基底层包围于底部，并与微通道基底层构成腔体结构。
所述的腔体两端设有冷却工质的入口与出口，入口和出口与微通道结构之间具有扩充域使得流体进出每个通道的流量相等或者接近，从而实现均匀换热。
所述的微通道基底层上表面与盖板层贴合连接，下表面与粒子迁移层贴合扩散焊接或镀膜式连接。
所述的粒子迁移层和靶材层的高度尺寸低于微通道基底层中心冷却区域的尺寸。
所述的每排肋片之间等距设置，肋片采用铜或铝或镍或铁或其合金、石墨及导热石墨片等换热材料。
所述的微通道基底层的工质出入口结合微小散热通道进行扩口设计，使得每个微小散热通道内部的流量分布相同或者接近。
所述的靶材层采用采用锂、碳、铍、铝、钨中的其中的一种作为原材料。
当靶材层采用铝作为原材料时，不产生或者较少产生中子且残余放射性元素少作为调试靶体。
本发明的有益效果是：本发明中以插入式热电偶组件取代红外成像摄像头对靶材的温度进行测量，解决了靶体周围的高剂量辐射环境下红外成像摄像头无法长期工作的问题；利用微小散热通道结构对中子产生靶进行冷却，肋片采用如铜、铝以及其合金或石墨等换热材料，热移除效率较高；利用微小散热通道结合微小散热通道的出入口进行扩口设计，使得每个微通道内部的流量分布相同或者接近，使得微通道热移除能力均匀分布，有利于对于质子束斑形状的预测；热电偶组件通过靶体盖板层以及微通道基底层表面肋片深入至微通道基底层底部，以便尽可能接近靶材层，实现靶材的温度监测，同时避免对换热结构的影响，并避免通过真空对靶材测量时粒子的直接辐照；微通道基底层中的钻孔深度一致且均匀分布，利于加工安装；采用均匀分布的热电偶，其距离靶材表面的距离一致，以此形成均匀测量的温度场，有利于束斑形状预测，可在肋片间所形成的各个换热流道中心位置处沿冷却工质流动方向均布设有凸起结构且均为等高，凸起结构可增加扰动，增强换热效果。
附图说明
图1本发明的结构示意图。
图2是本发明的分解结构示意图。
图3是本发明中侧视结构示意图。
图4是本发明中部纵向截面结构示意图。
图5是本发明中部横向截面结构示意图。
图6是本发明实施例一中微通道基底层的结构示意图。
图7是本发明实施例二中微通道基底层的结构示意图。
附图标注说明：1-靶材层，2-粒子迁移层，3-微通道基底层，4-盖板层，5-热电偶组件，31-肋片，32-出口，33-入口，34-凸起结构。
具体实施方式
以下结合说明书附图详细说明本发明的具体实施方式：
如图1-5所示，一种中子产生靶，所述的中子产生靶包括顺序贴合连接的靶材层1、粒子迁移层2、微通道基底层3和盖板层4，形成一体式的多层结构靶体，靶体上设置有多组热电偶组件5；所述的微通道基底层3表面加工有多排肋片31，相邻的肋片31间形成微小散热通道，简称微通道。
本发明中，所述的中子产生靶通过插入式热电偶组件5检测靶体上各点温度，并利用靶体层上各点的温度值推断靶材温度是否超限，从而实现温度实时监测，避免靶体运行事故。
本发明中，利用均匀分布的多个热电偶组件5温度值判断束斑形状，从而实现束斑监测功能；其中热电偶组件5中的套筒与盖板层4、微通道基底层3、粒子迁移层2以及靶材层1贯穿连接，热电偶插入至对应套筒内以此尽可能接近靶材并推断靶材温度。
本发明中，盖板层4通过焊接或者螺纹紧固的方式封闭将微通道基底层3包围在底部，并构成腔体结构，微通道基底层3表面加工有多排等距设置的肋片31，相邻的肋片31间形成微小散热通道，腔体两端设有冷却工质的入口33和出口32，入口33和出口32与微通道结构之间具有扩充域使得流体进出每个通道的流量相等或者接近形成均匀的换热，微通道基底层3与粒子迁移层2相连接，粒子迁移层2与靶材层1相连接，且粒子迁移层2和靶材层1的尺寸低于微通道基底中心冷却区域的尺寸。
当束斑辐照靶材时，在靶材中产生的中子损伤部分能量，在粒子迁移层2内损伤全部能量，同时粒子迁移层2中沉积的大量能量以导热的方式传输到微通道基底层3，因此利用紧密连接的微通道基底层3进行高效地热沉积移除；冷却工质由入口33扩充流动截面后均匀流过微通道的每个通道内，期间基底表面等距分布的散热通道结构形成对于工质的均匀分配作用，并进一步通过微通道增大换热面积，以此增大工质的换热能力；最终，各个散热通道的冷却工质汇集于另一侧出口32并排出。
此时，判断靶材表面上束斑形状的原理是：通过微通道形成均匀分布的换热结构，热电偶通过靶体后部的盖板层4进入靶体进行温度测量避免、减少或者形成一致性的温度差异；当束斑分布均匀时，由于换热结构和热阻相同对于热电偶是相同的，各热电偶温度值保持一致；而发生偏束现象时，束斑偏束会导致热电偶温度值整体迁移。当束流不均匀局部聚焦时，束流聚焦的区域温度较高。因此可通过对比靶材表面的热电偶温度值判断束流偏移方向和束流聚焦情况，同时通过检测靶材表面中心的热电偶温度值推断束斑的偏移程度聚焦程度，利用多个热电偶共同推断靶材表面束斑的实时情况。
本发明中以插入式热电偶组件5取代红外成像摄像头对靶材的温度进行测量，解决了靶体周围的高剂量辐射环境下红外成像摄像头无法长期工作的问题；利用微小散热通道结构对中子产生靶进行冷却，肋片31采用如铜、铝以及其合金或石墨等换热材料，热移除效率较高；利用微小散热通道结合微小散热通道的出入口33进行扩口设计，使得每个微通道内部的流量分布相同或者接近，使得微通道热移除能力均匀分布，有利于对于质子束斑形状的预测；热电偶组件5通过靶体盖板层4以及微通道基底层3表面肋片31深入至微通道基底底部，以便尽可能接近靶材层1，实现靶材的温度监测，同时避免对换热结构的影响，并避免通过真空对靶材测量时粒子的直接辐照；微通道基底层3中的钻孔深度一致且均匀分布，利于加工安装；采用均匀分布的热电偶，其距离靶材表面的距离一致，以此形成均匀测量的温度场，有利于束斑形状预测。
实施例一：采用锂作为靶材层1，其中靶体肋片31等高，具体为3mm，间距为1mm，宽度1mm；进、出口32为直径为40mm的半圆形结构，热电偶四周间距均为20mm。
如图1-6所示，一种中子产生靶，所述的中子产生靶包括顺序贴合连接的靶材层1、粒子迁移层2、微通道基底层3和盖板层4，形成一体式的多层结构靶体，所述的盖板层4通过焊接或者螺纹紧固的方式将微通道基底层3封闭包围在底部，并构成腔体结构，腔体结构两端设置有供冷却工质流动的入口33与出口32，保证了连接机械强度。
其中，微通道基底层3用于冷却靶材层1，微通道基底层3表面加工有的多排肋片31，相邻的肋片31间形成微小散热通道，腔体结构用于容纳肋片31结构，靶体上设置有多组热电偶组件5，用以监测靶材表面温度。
其中，所述的热电偶组件5均布设置在靶体结构上，从盖板层4贯穿靶体直至贴近靶材层1，微通道基底层3以及盖板层4结构统一进行钻孔，将一端密封的套筒插入至对应的钻孔内，通过焊接或者螺纹的方式紧固，之后在各个套筒内将热电偶深入其底部，以此尽可能接近并测量靶材层1温度。其中钻孔呈方形均匀分布共计25个；套筒一端为密封式结构，保证密封冷却水不通过套筒泄漏；热电偶外部接头通过套筒的后端引出信号并进入测量系统中。
所述的盖板层4通过焊接方式或者螺纹紧固封闭包围于微通道基底层3，并构成腔体结构，微通道基底表面加工有多排等距设置的肋片31，相邻的肋片31间间距相等形成等距微小散热通道，沿着流动方向通道相同长度；腔体左、右两端设有冷却工质的入口33与出口32，其中入口33与出口32呈扩口分布并与所述腔体微通道结构相连通，微通道基底层3与粒子迁移层2底部扩散焊接连接，利用锂作为靶材时，通过镀膜与粒子迁移层2连接，粒子迁移层2与微通道结构采用扩散焊连接；其中，微通道基底层3中心冷却区域的尺寸高于质子束斑和粒子迁移层2尺寸。
本实施例中，在高功率情况下，微通道的高效冷却换热有助于降低靶体温度提高热移除能力，特别是高功率情况下采用锂靶等低熔点靶材时，通过温度及束斑的实时监控避免锂的融化，造成靶体损毁；同时采用微通道技术对粒子轰击中子产生靶体时产生的高热流密度下实现对靶体的有效冷却，及时移除靶体能量沉积；提出通过在靶体的背面盖板层4设立一个底部密封的直管穿过微通道的肋片31去测量近靶材面的温度，避免设立在通道内阻断的影响且对冷却结构影响较小；在实施过程中，通过中子产生靶背面穿过微通道的肋片31布置测温元件测量接近靶材料，更接近靶材料的真实温度；通过均匀的微通道结构和微通道内部分布均匀的冷却工质为靶材提供均匀的冷却能力，结合均匀的矩阵式测温元件布置，通过温度分布实现中子产生靶表面的束斑分布的反馈，为加速器束流调节提供参考。
实施例二、采用氧化锂作为靶材层1，其中靶体肋片31等高，具体为5mm，长度120mm，宽度2mm，各个肋片31间距为2mm。
本实施例二与实施例一的区别在于，在实施例一中采用锂作为靶材，其熔点较低即使通过微通道技术进行一定程度的散热，也难免会出现靶材温度过高从而导致锂的融化。此外，实施例一中的散热技术采用常规微通道结构，当出现极端情况如束流聚集程度较高时，其散热效果可能无法达到理想效果。在如图7所示的实施例二中，采用氧化锂作为靶材层1，其中靶体肋片31等高，具体为5mm，长度120mm，宽度2mm，各个肋片31间距为2mm；在肋片31间所形成的各个换热流道中心位置处沿冷却工质流动方向设有凸起结构34，凸起结构为“叶片型”，均布在每两条肋片31之间，本实施例中采用六个等高的“叶片型”凸起结构34均布，等高可保证可装配性和密封性，凸起结构34可增加扰动，增强换热效果，具体为1mm，相邻的两个突起结构34间距为20mm。
本实施例二中，采用氧化锂作为靶材，在“AB-BNCT中子靶物理设计分析”文献中论证了该材料代替锂的可行性，其中子产额虽较锂有所减少，但降低幅度并不大且熔点自180℃升至1567℃得到了显著提升，充分提高了靶材的耐热性，保证了高温下靶体的安全运行。此外，通过在微通道中均匀地布置“叶片型”突出结构增大冷却工质的流速以及流动的湍流强度，以此进一步强化微通道整体的换热效果，满足于特殊工况下的散热需求。
本发明可针对靶材可采用锂、碳、铍、铝、钨的其中的一种，其中采用铝时，不产生或者较少产生中子且残余放射性元素少作为调试靶体；靶材与靶体微通道基底层3之间具有粒子迁移层2，其材料为钒、钽、铁中的一种。
上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种中子产生靶，其特征在于：所述的中子产生靶包括顺序贴合连接的靶材层、粒子迁移层、微通道基底层和盖板层，形成一体式的多层结构靶体，靶体上设置有多组热电偶组件；所述的微通道基底层表面加工有多排肋片，相邻的肋片间形成微小散热通道。
2.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的热电偶组件均布设置在靶体结构上，从盖板层贯穿靶体直至贴近靶材层。
3.根据权利要求1或2所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的热电偶组件包括热电偶和套筒，套筒从盖板层贯穿靶体直至贴近靶材层，热电偶插入至对应套筒内以此尽可能接近靶材并推断靶材温度。
4.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的热电偶通过贯穿靶体盖板层以及微通道基底层表面肋片深入至微通道基底层底部。
5.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的盖板层底面与微通道基底层贴合连接，盖板层通过焊接或者螺纹紧固的方式封闭将微通道基底层包围于底部，并与微通道基底层构成腔体结构。
6.根据权利要求5所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的腔体两端设有冷却工质的入口与出口，入口和出口与微通道结构之间具有扩充域使得流体进出每个通道的流量相等或者接近，从而实现均匀换热。
7.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的微通道基底层上表面与盖板层贴合连接，下表面与粒子迁移层贴合扩散焊接或镀膜式连接。
8.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的粒子迁移层和靶材层的高度尺寸低于微通道基底层中心冷却区域的尺寸。
9.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的每排肋片之间等距设置，肋片采用铜或铝或镍或铁或其合金、石墨及导热石墨片等换热材料。
10.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的微通道基底层的工质出入口结合微小散热通道进行扩口设计，使得每个微小散热通道内部的流量分布相同或者接近。
11.根据权利要求1所述的一种中子产生靶，其特征在于：所述的靶材层采用采用锂、碳、铍、铝、钨中的其中的一种作为原材料。
12.根据权利要求11所述的一种中子产生靶，其特征在于：当靶材层采用铝作为原材料时，不产生或者较少产生中子且残余放射性元素少作为调试靶体。
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