CN115499993B - 中子靶系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及中子源技术领域，具体提供一种中子靶系统，旨在解决质子沉积导致氢的聚集和起泡的问题。为此目的，本发明的中子靶系统与质子加速器连接，质子加速器用于产生质子束，中子靶系统包括冷却衬底和靶材料层；冷却衬底内设置有流通冷却介质的冷却通道，冷却衬底包括位于冷却通道两侧的第一面和第二面，第一面上设置有安装区；靶材料层通过吸附层设置在安装区上，靶材料层的厚度小于质子束在所述靶材料层的布拉格峰深度。本发明的中子靶系统中，质子束可以有效沉积在吸附层中，从而避免质子因沉积而导致的氢的聚集和起泡的问题，有效提升了中子靶系统的使用周期。

Description

中子靶系统
技术领域
本发明涉及中子源技术领域，具体提供一种中子靶系统。
背景技术
铍具有良好的中子倍增效应，是中子源的重要靶材。质子与中子的质量相似，采用质子轰击材料以将中子从原子核中轰击出来。经过加速后的质子束轰击铍时可以产生大量的高能中子，并且，经过铍倍增后，中子数量进一步提升，其中，中子通量最高可以提升到1014n/s以上。同时，通过调节质子束的能量，可以获得不同能量峰值的中子能谱，因此，可以将中子应用于硼中子俘获放射医疗、中子运输理论验证、材料中子辐照机理研究等领域。
但利用质子束轰击铍靶产生高流强中子束存在以下问题：一、质子与铍原子核作用后，大部分的质子会沉积在布拉格峰深度并发生聚集，导致铍片起泡，严重时发生脱落；二、高流强的高能质子束沉积在靶材中，若质子束的能量不被迅速带出，将会引起靶材快速升温，严重时导致烧蚀破损，甚至导致冷却衬底的损坏，进而使得高压冷却水进入质子加速器的真空腔，造成质子加速器损坏，与此同时，高密度热负载沉积在靶材料上，使得靶材料表面产生巨大的热应力，迫使靶材料开裂。
发明内容
本发明旨在解决上述技术问题，即，解决现有质子沉积导致氢的聚集和起泡的问题。
为此目的，本发明的第一方面提供了一种中子靶系统，与质子加速器连接，所述质子加速器用于产生质子束，所述中子靶系统包括冷却衬底和靶材料层：
所述冷却衬底内设置有流通冷却介质的冷却通道，所述冷却衬底包括位于所述冷却通道两侧的第一面和第二面，其中，所述第一面上设置有安装区；
所述靶材料层通过吸附层设置在所述安装区上，其中，所述靶材料层的厚度小于质子束在所述靶材料层的布拉格峰深度。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述冷却通道包括冷却部和缓冲部，所述冷却部设置于所述第一面和所述第二面之间，其用于对所述靶材料层进行冷却处理；
所述缓冲部与所述冷却部连通，且所述缓冲部环绕所述安装区设置；
其中，沿所述冷却通道的厚度方向，所述缓冲部的厚度尺寸大于所述冷却部的厚度尺寸。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述冷却衬底上设置有接线端子，所述接线端子用于与电流测量回路电连接。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述第二面上设置有散热组件，所述散热组件与所述靶材料层相对设置。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述靶材料层包括铍片，所述铍片背离所述吸附层的侧面的外边缘为倒角结构，且沿所述铍片的半径延伸方向，所述铍片的中段位置设置有环形凹槽。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述吸附层包括纯钯、纯钽、纯钨或锆合金中的一种。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述第一面通过连接组件与所述质子加速器连接。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述连接组件包括真空筒体和连接法兰；
所述真空筒体的一端与所述第一面密封连接，且所述真空筒体扣设在所述靶材料层上，所述真空筒体的另一端与所述连接法兰连接，其中，所述连接法兰用于与所述质子加速器连接。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述真空筒体的真空泄露率小于等于2×10-10Pa·m3/s。
在上述中子靶系统的优选技术方案中，所述真空筒体的内侧壁上设置有γ射线屏蔽层，所述真空筒体的外侧壁上设置有中子慢化层。
在采用上述技术方案的情况下，本发明的中子靶系统包括冷却衬底和靶材料层，其中，冷却衬底内设置有冷却通道，该冷却通道内流通有冷却介质，以及，冷却衬底包括位于冷却通道两侧的第一面和第二面，第一面设置有安装区；靶材料层通过吸附层设置在安装区上，一方面，通过冷却通道内的冷却介质对靶材料层和吸附层进行冷却，以快速带走质子束所产生的能量，避免靶材料层发生因高温产生裂片的情况；另一方面，靶材料层的厚度小于质子束在靶材料层的布拉格峰深度，使得质子束主要沉积在吸附层中，避免质子沉积后所导致的氢的聚集和起泡的问题，有效提升了中子靶系统的使用周期。
附图说明
下面结合附图来描述本发明的优选实施方式，附图中：
图1是根据一示例性实施例示出的中子靶系统的侧视方向的剖视图。
图2是根据一示例性实施例示出的中子靶系统的俯视图。
附图标记说明：
1、冷却衬底；11、冷却通道；12、第一面；13、第二面；14、接线端子；101、底座；102、盖板；111、冷却部；112、缓冲部；121、安装区；1021、冷却进口；1022、冷却出口；
2、靶材料层；
3、吸附层；
4、散热组件；
5、连接组件；51、真空筒体；52、连接法兰；
6、γ射线屏蔽层；
7、中子慢化层。
具体实施方式
下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。
下面参照附图结合实施例进一步说明本发明。
如图1和图2所示，本发明一示例性的实施例提供了一种中子靶系统100。该中子靶系统100与质子加速器(图中未示出)连接，其中，质子加速器用于产生质子束，质子加速器产生的高能质子流轰击在中子靶系统100中的靶材料层2上以产生中子。
中子靶系统100包括冷却衬底1和靶材料层2。
在冷却衬底1内设置有冷却通道11，冷却通道11内流通有冷却介质，其中，冷却介质可以包括但不限于冷却水、纯水、液态重金属合金(比如液态铅铋合金)等。
参照图1所示，在一些实施例中，冷却衬底1可以包括底座101和盖板102。底座101的一个侧面上形成有缓冲凹槽。缓冲凹槽为环形槽结构，该缓冲凹槽设置在底座101的边缘位置处。底座101上与缓冲凹槽相对的另一个侧面上设置有散热凹槽。其中，可以在散热凹槽内设置散热结构，以辅助冷却通道11中的冷却介质进行冷却，同时，还可以对靶材料层2进行辅助冷却。
在一个示例中，底座101为一体成型结构，以在提高底座101密封性能的同时，提高底座101的结构强度。
盖板102扣接在缓冲凹槽上，且盖板102与背离散热凹槽的侧壁间隔预定距离，以形成冷却流道。冷却流道中的冷却介质可以对靶材料层2进行冷却，以通过热交换带走靶材料层2上的热量。其中，冷却流道与散热凹槽相对设置，以此，可以利用散热凹槽中的散热结构对冷却流道中的冷却介质进行良好的辅助散热。
在盖板102上设置有冷却进口1021和冷却出口1022。其中，冷却进口1021的个数可以为多个，以及冷却出口1022的个数也可以为多个。在一个示例中，冷却进口1021和冷却出口1022的个数均为一个，且两者以冷却衬底1的中心对称设置。
在一个示例中，在盖板102上设置有接线端子14。接线端子14的个数为两个，两个接线端子14以冷却衬底1的中心对称设置。其中，两个接线端子14和盖板102上的冷却进口1021、冷却出口1022呈圆周阵列排布，并且，如图2中所示，两个接线端子14沿水平方向设置，冷却进口1021和冷却出口1022沿垂直方向设置。需要说明的是，两个接线端子14可以与电流测量回路电性连接，以利用电流测量回路实时监测质子束加速器中的束流大小。
盖板102与底座101之间可以通过扩散焊或钎焊进行密封连接，以提高冷却衬底1的密封性能，有效保证了冷却衬底1的安全可靠性。
参照图1所示，冷却衬底1包括位于冷却通道11两侧的第一面12和第二面13。第一面12上设置有安装区121。其中，冷却流道与安装区121分别设置在盖板102的两侧面上，也就是说，第一面12为盖板102背离底座101的侧面。
以平行于第一面12的平面为横截面，冷却衬底1的横截面形状可以包括但不限于圆形或椭圆形等。其中，冷却衬底1的材质可以包括但不限于铜合金、铝合金或钛合金等，上述材质所制成的冷却衬底1可以降低中子对靶材料层2的活化，同时降低靶材料层2退役更换时的放射性水平。
靶材料层2通过吸附层3设置在安装区121上。其中，靶材料层2通过扩散焊与吸附层3密封连接，吸附层3通过扩散焊与安装区121密封连接，以有效提高各部件之间的整体连接强度和密封性能，保证各部件使用的安全可靠性。
其中，为了使质子能够沉积在吸附层3内，并保证90％以上的中子产额，同时使得质子束的布拉格峰位于吸附层3内，本示例中靶材料层2的厚度小于质子束在靶材料层2的布拉格峰深度。其中，在一个示例中，靶材料层2的厚度设定为质子束在靶材料层2的布拉格峰深度的80％～96％。
本示例中，冷却衬底1内设置有冷却通道11，该冷却通道11内流通有冷却介质，以及，冷却衬底1包括位于冷却通道11两侧的第一面12和第二面13，第一面12设置有安装区121；靶材料层2通过吸附层3设置在安装区121上，一方面，通过冷却通道11内的冷却介质对靶材料层2和吸附层3进行冷却，以快速带走质子束所产生的能量，避免靶材料层2发生因高温产生裂片的情况；另一方面，靶材料层2的厚度小于质子束在靶材料层2的布拉格峰深度，使得质子束主要沉积在吸附层3中，避免质子沉积后所导致的氢的聚集和起泡的问题，有效提升了中子靶系统的使用周期。
参照图1所示，在一些实施例中，冷却通道11包括冷却部111和缓冲部112。冷却部111设置于第一面12和第二面13之间，用于对靶材料层2和吸附层3进行冷却处理。其中，在中子产生的过程中，质子加速器产生的高能质子流轰击在靶材料层2上以产生中子，同时，质子束大部分沉积在吸附层3中，质子沉积产生的热能通过冷却部111中的冷却介质带走，避免发生靶材料层2因温度过高而损坏的情况，有效提升了靶材料层2的使用周期。
继续参照图1所示，缓冲部112与冷却部111连通，并且，缓冲部112环绕安装区121设置。其中，沿冷却通道11的厚度方向，缓冲部112的厚度尺寸大于冷却部111的厚度尺寸。在该示例中，冷却进口1021和冷却出口1022均正对缓冲部112设置，由于缓冲部112的厚度尺寸大于冷却部111的厚度尺寸，冷却介质从冷却进口1021中进入缓冲部112后，冷却介质在流动过程中，先在缓冲部112中进行缓冲，以避免冷却介质的流速过快，而导致进入冷却部111中的冷却介质的冷却效果降低。经过缓冲112缓冲后的冷却介质以预设流速进入冷却部111中，从而对靶材料层2和吸附层3进行持续且稳定的冷却，进而保证中子靶系统良好的冷却效果。
需要说明的是，本示例中的缓冲部112可以理解为上述实施例中的缓冲凹槽，冷却部112可以理解为上述实施例中的冷却流道。也就是说，缓冲凹槽和冷却流道共同构成了冷却通道11。
参照图1所示，在一些实施例中，在第二面13上设置有散热组件4。散热组件4可以包括多个间隔设置的散热片。其中，多个间隔设置的散热片设置在散热凹槽内，以在增加靶材料层2和吸附层3的散热性能的同时，降低中子靶系统的质量。
参照图1和图2所示，在一些实施例中，靶材料层2可以包括但不限于铍片。铍片具有良好的中子倍增效应，可以有效提升中子靶系统在使用过程中的中子数量。
其中，铍片背离吸附层3的侧面的外边缘为倒角结构，以及吸附层3背离安装区121的侧面的外边缘也为倒角结构。同时，根据质子束流的能量分布情况，沿铍片的半径延伸方向，在铍片的中段位置处设置有环形凹槽(图中未示出)。
需要说明的是，铍片外边缘的倒角结构中倒角的角度为15°～80°之间，以及，吸附层3外边缘的倒角结构中倒角的角度为15°～80°之间。其中，铍片上的倒角结构和吸附层3上的倒角结构的角度可以相同或不同。在一个具体示例中，铍片上的倒角结构和吸附层3上的倒角结构的角度相同，从而便于铍片和吸附层3上倒角的快速加工。
本示例中，通过上述倒角结构的设置，以及根据质子束流的能量分布情况在铍片的热梯度高的位置(即铍片的中段位置)设置环形凹槽，可以有效缓解在温度升高过程中铍片边缘上的应力，避免铍片发生崩裂、起翘、变形或开裂等情况。
需要说明的是，环形凹槽可以利用加工设备直接在铍片上进行加工，并在铍片的中段位置处进行环切，从而在铍片上加工出环形凹槽。
在一个示例中，吸附层3可以包括但不限于纯钯、纯钽、纯钨或锆合金等其中的任意一种，纯钯、纯钽、纯钨或锆合金具有强吸氢能力。在高能中子获得过程中，质子沉积在吸附层3中，并利用具有强吸氢能力的纯钯、纯钽、纯钨或锆合金将质子沉积过程中产生的氢进行有效吸收，从而避免因质子沉积而导致的氢的聚集和起泡的问题，有效提升了靶材料层2的使用周期。需要说明的是，吸附层3还可以是其他具有强吸氢能力的材料制成，比如纯钛、纯钒、纯铌等，或者，吸附层3还可以是上述多种金属的复合层等。
参照图1所示，在一些实施例中，第一面12通过连接组件5与质子加速器连接。其中，连接组件5包括真空筒体51和连接法兰52。
真空筒体51的一端与第一面12密封连接，且真空筒体51扣设在靶材料层2上，以有效提高各部件之间的整体连接强度和密封性能，保证各部件使用的安全可靠性。其中，在一个示例中，真空筒体51的该端通过氩弧焊与第一面12(即冷却衬底1)连接和密封，以使得真空筒体51的真空泄漏率小于等于2×10-10Pa·m3/s，从而满足设备的使用要求。
真空筒体51的另一端与连接法兰52密封连接，真空筒体51的该端可以通过氩弧焊与连接法兰52连接，以保证真空筒体51和连接法兰52之间的密封性能能够达到设备的使用要求。其中，连接法兰52用于与质子加速器连接。
参照图1所示，在一些实施例中，在真空筒体51的内侧壁上设置有γ射线屏蔽层6，在真空筒体51的外侧壁上设置有中子慢化层7，以有效降低中子靶系统对周围环境的放射性影响。
其中，真空筒体51和连接法兰52的材质可以包括但不限于铜合金、铝合金或钛合金等，上述材质所制成的连接组件5可以降低中子对靶材料层2的活化，同时降低靶材料层2退役更换时的放射性水平。
参照图1和图2所示，在一个具体实施例中，与中子靶系统100连接的质子加速器产生的质子的能量为30MeV，质子束流大小为1.5mA。经过计算，该质子束在铍片中的布拉格峰深度5.8mm，铍片的厚度为5.6mm，吸附层3为纯钯，纯钯的厚度为0.4mm。
冷却衬底1、真空筒体51、连接法兰52的材质为铬锆铜。冷却衬底1的底座101和盖板102之间通过单轴压力扩散焊的焊接方式进行密封连接，铍片和吸附层3之间通过热等静压扩散焊的焊接方式与冷却衬底1中的安装区121进行连接，铍片的外边缘倒角结构的倒角角度和吸附层3的外边缘倒角结构的倒角的角度为45°。同时，沿铍片的半径延伸方向，在铍片热梯度最大的位置(中段位置处)的外侧加工一个环形凹槽，其中，环形凹槽的切槽深度7mm，切槽宽度0.35mm。
冷却衬底1与真空筒体41之间采取K型坡口通过氩弧焊进行连接，以及，真空筒体51和连接法兰52之间采取X型坡口通过氩弧焊进行连接，以使真空筒体51的真空泄漏率达到1.0×10-10Pa·m3/s。
参照图1和图2所示，在另一个具体实施例中，与中子靶系统100连接的质子加速器产生的质子的能量为8MeV，质子束流大小为4mA。经过计算，该质子束在铍片中的布拉格峰深度0.5mm，铍片的厚度为0.48mm，吸附层3为纯钯，纯钯的厚度为0.2mm。
冷却衬底1、真空筒体51、连接法兰52的材质为T7075铝合金。冷却衬底1的底座101和盖板102之间通过钎焊进行密封连接，铍片和吸附层3之间通过热等静压扩散焊的焊接方式与冷却衬底1中的安装区121进行连接，铍片的外边缘倒角结构的倒角角度和吸附层3的外边缘倒角结构的倒角的角度为45°。同时，沿铍片的半径延伸方向，在铍片热梯度最大的位置(中段位置处)的外侧加工一个环形凹槽，其中，环形凹槽的切槽深度1.5mm，切槽宽度0.4mm。
冷却衬底1与真空筒体41之间采取K型坡口通过氩弧焊进行连接，以及，真空筒体51和连接法兰52之间采取X型坡口通过氩弧焊进行连接，以使真空筒体51的真空泄漏率达到1.5×10-10Pa·m3/s。
在上述两个具体实施例中，靶材料层2的厚度小于质子束在靶材料层2的布拉格峰深度，以使质子能够沉积在吸附层3中，并保证90％以上的中子产额，同时，使的质子束的布拉格峰位于吸附层3内，能够有效的避免质子沉积后聚集和起泡的问题。同时，通过冷却衬底1对靶材料层2和吸附层3进行快速冷却，以快速带走质子束所产生的能量，避免靶材料层2发生因高温产生裂片的情况。最后，通过对铍片进行倒角和切槽等优化设计，有效缓解了铍片在使用过程中的热应力，避免铍片发生崩裂、起翘、变形或开裂等情况，提高了铍片的使用周期。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种中子靶系统，与质子加速器连接，所述质子加速器用于产生质子束，其特征在于，所述中子靶系统包括冷却衬底和靶材料层；
所述冷却衬底内设置有流通冷却介质的冷却通道，所述冷却衬底包括位于所述冷却通道两侧的第一面和第二面，其中，所述第一面上设置有安装区，所述第二面上设置有散热组件，所述散热组件与所述靶材料层相对设置，所述冷却通道包括冷却部和缓冲部，所述冷却部设置于所述第一面和所述第二面之间，其用于对所述靶材料层进行冷却处理；
所述缓冲部与所述冷却部连通，且所述缓冲部环绕所述安装区设置；
其中，沿所述冷却通道的厚度方向，所述缓冲部的厚度尺寸大于所述冷却部的厚度尺寸；
所述靶材料层通过吸附层设置在所述安装区上，其中，所述靶材料层的厚度小于质子束在所述靶材料层的布拉格峰深度；所述靶材料层包括铍片，所述铍片背离所述吸附层的侧面的外边缘为倒角结构，以使所述铍片的横截面呈梯形，所述吸附层背离所述安装区的侧面的外边缘为倒角结构，其中，所述铍片和所述吸附层的倒角结构的角度均在15°～80°之间，且沿所述铍片的半径延伸方向，所述铍片的中段位置设置有环形凹槽；
所述第一面通过连接组件与所述质子加速器连接；
所述连接组件包括真空筒体和连接法兰；
所述真空筒体的内侧壁上设置有γ射线屏蔽层，所述真空筒体的外侧壁上设置有中子慢化层。
2.根据权利要求1所述的中子靶系统，其特征在于，所述冷却衬底上设置有接线端子，所述接线端子用于与电流测量回路电连接。
3.根据权利要求1所述的中子靶系统，其特征在于，所述吸附层包括纯钯、纯钽、纯钨或锆合金中的一种。
4.根据权利要求1所述的中子靶系统，其特征在于，所述真空筒体的一端与所述第一面密封连接，且所述真空筒体扣设在所述靶材料层上，所述真空筒体的另一端与所述连接法兰连接，其中，所述连接法兰用于与所述质子加速器连接。
5.根据权利要求4所述的中子靶系统，其特征在于，所述真空筒体的真空泄露率小于等于2×10-10Pa·m3/s。
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