CN116156727A - 一种高功率束流下的同位素生产靶组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率束流下的同位素生产靶组件，包括：靶室，所述靶室由靶室前板、靶室后板、靶室上盖板、靶室下盖板及左右侧板组成，所述靶室前板和所述靶室后板上设置有若干呈阵列布置的靶窗；靶胶囊，数量若干，呈单层平面阵列排布或多层立体阵列排布，所述靶室内竖直间隔布置有若干靶室单元隔板，若干所述靶室单元隔板将所述靶室分隔成若干空腔，每个所述空腔内均布置有偶数片栅板，每个所述栅板上均开设有若干靶胶囊定位孔，每个所述靶室单元隔板上均设置有与所述栅板相对应的刻槽，若干所述靶胶囊呈阵列形式嵌入所述靶胶囊定位孔内，并通过所述刻槽进行限位固定；若干所述靶窗与束流在射入或射出端面上正对的所述靶胶囊一一对应布置。

Description

一种高功率束流下的同位素生产靶组件

技术领域

本发明涉及一种高功率束流下的同位素生产靶组件，属于同位素生产及高功率加速器终端技术领域。

背景技术

同位素生产靶系统是基于加速器的同位素生产系统的基本组成部分。同位素生产靶放置在加速器束流引出口末端，通过束流轰击靶介质，产生同位素。生产过程中靶介质中会沉积大量的束流能量，因此需要通过换热系统，将靶内的热沉积移除，保持生产靶工作在合理温度范围。国际上现有的基于加速器的同位素生产装置包括美国布鲁克海文实验室的BLIP、美国洛斯阿拉莫斯实验室的IPF、加拿大TRIUMF实验室的ISAC、南非iThembaLABS的SAIF等，这些装置的束流流强都在几百微安量级以内，功率最高几十千瓦水平。近几年随着超导加速器技术的突破，束流流强上升到毫安到十毫安水平，束流功率提高到几百千瓦甚至兆瓦，现有的加速器同位素生产靶技术在换热方面面临巨大的挑战。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种高功率束流下的同位素生产靶组件，该生产靶组件为阵列式胶囊靶，其结合束流的定点扫描技术，可以实现毫安水平甚至十毫安水平束流强度下的同位素生产。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种高功率束流下的同位素生产靶组件，包括：

靶室，所述靶室由靶室前板、靶室后板、靶室上盖板、靶室下盖板及左右侧板组成，所述靶室前板和所述靶室后板上设置有若干呈阵列布置的靶窗；

靶胶囊，数量若干，呈单层平面阵列排布或多层立体阵列排布，所述靶室内竖直间隔布置有若干靶室单元隔板，若干所述靶室单元隔板将所述靶室分隔成若干空腔，每个所述空腔内均布置有偶数片栅板，每个所述栅板上均开设有若干靶胶囊定位孔，每个所述靶室单元隔板上均设置有与所述栅板相对应的刻槽，若干所述靶胶囊呈阵列形式嵌入相邻两个所述栅板的所述靶胶囊定位孔内，并通过所述刻槽进行限位，从而夹在两个相邻的所述靶室单元隔板之间；

若干所述靶窗与束流在射入或射出端面上正对的所述靶胶囊一一对应布置。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述靶胶囊包括胶囊外壳以及包容于所述胶囊外壳内的同位素生产靶。

所述的同位素生产靶组件，优选地，束流从靶室前板射入并从所述靶室后板射出，不同深度上的所述靶胶囊内装配不同生产靶，用于产生不同的同位素。

所述的同位素生产靶组件，优选地，每个所述空腔内相邻两列所述靶胶囊之间的缝隙以及所述靶胶囊与所述靶室的前后板之间的缝隙为冷却水流道。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述靶室下盖板上开设有若干进水口，所述靶室上盖板上开设有若干出水口，所述进水口、所述出水口与所述冷却水流道一一对应布置。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述靶胶囊面向束流射入或射出方向的横截面包括圆形、椭圆形，长方形或正方形。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述胶囊外壳采用采用高导热、高熔点、高强度、延展性好、易焊接的金属材料，所述同位素生产靶材料的形态包括粉末状、片状或块状。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述金属材料包括Nb、Ta、Ti或Inconel-718。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述靶胶囊在束流方向上的厚度为几百微米到几毫米，垂直于束流的横向长度和宽度方向为几厘米。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述同位素生产靶组件结合束流的定点扫描技术，实现毫安水平甚至十毫安水平束流强度下的同位素生产。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述靶窗焊接在所述靶室上，或通过法兰与所述靶室连接在一起。

所述的同位素生产靶组件，优选地，所述靶室后板上装配有束流阻挡器。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明技术方案的核心是采用高导热、高熔点、高强度、延展性好、易焊接的金属材料，对用于同位素产生的靶材料进行完全包容密封，得到包容性良好的靶胶囊，利用靶室内冷却水与胶囊之间的强制对流换热，实现高功率产生靶的热移除，同时结合束流定点扫描和阵列式胶囊布置，实现超高束流功率密度下的同位素高效生产。

2、本发明的技术方案能够显著增大束流横向照射面积，提高同位素靶组件可承受的束流功率，实现毫安甚至十毫安水平束流强度下的同位素生产。通过降低单个靶窗及胶囊的横向尺寸，以降低单个靶窗及胶囊密封体的强度要求。相应地，靶窗及胶囊密封体可以做得更薄，其上的束流能量损失及冷却难度更低。同时，较小的靶胶囊尺寸，有利于降低靶的生产难度和后处理难度。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的高功率束流下的同位素生产靶的示意图，其中图1a为主视图，图1b为图1a的A-A向剖视图，图1c为图1a的B-B向剖视图，图1d为栅板的示意图；

图2为冷却水进出和束流定点扫描的示意图，图2a为主视图，图2b为图1a的A-A向束流方向及冷却水进出示意图，图2c为图1a的B-B向束流方向示意图；

图中各标记如下：

1-靶胶囊；2-栅板；3-靶胶囊定位孔；4-靶室单元隔板；5-冷却水流道；6-进水口；7-出水口；8-靶室上盖板；9-靶室下盖板；10-靶室前板；11-靶室后板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明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，本领域普通人员在没有做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。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”、“第三”、“第四”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

现有技术之一公开了一种用于医用同位素生产靶的水冷机构，其通过多块与靶体一体成型的热交换板，将热量传递给热交换板之间的冷却剂，实现高效的换热。该方案可以采用较大的横向面积，一定程度上降低靶上功率密度。

该技术方案存在以下缺陷：由于该方案要求冷却剂直接与靶材料接触进行换热，而靶材料由所要生产的目标同位素决定，其热导率、熔点、强度、可塑性及等重要物性参数无法选择，因此该方案适用性非常有限；此外，该方案仅在束流背面进行水冷，面向束流一侧温度较高，从而限制了其功率水平。

另一现有技术则采用靶面结构附着靶材料的方法，通过接触传热，将热量传递给靶基，然后通过冷却水，移除靶基上的热量。

该技术方案存在以下缺陷：由于该方案需要通过接触换热将热量从靶材料中传递到靶基，再对靶基进行水冷，相比第一种方案，热阻更大，靶材料面向束流一侧温度较高，一定程度上限制了其所能达到的功率水平。

美国洛斯阿拉莫斯实验室的IPF装置采用的水冷胶囊靶，利用金属材料作为胶囊对靶材料进行包容密封，同时，在束流方向上，排列多个胶囊，并在靶室流道内通冷却水，对胶囊靶进行强制对流冷却。从而实现30千瓦束流功率下的同位素生产。

该技术方案的不足之处在于：其胶囊仅沿束流方向排布，其束流仅在单靶点面积内进行照射。由于材料强度限制，胶囊靶及靶窗的横向尺寸只能做到几个厘米的水平。当横向尺寸继续增加时，胶囊封装壳体及窗体的厚度需要随之增大，从而壳体及窗上的束流损失及热沉积接近等比例升高，浪费了更多的束流能量，同时也会部分甚至全部抵消增大照射面积带来的好处，也即更低的束流密度。因此，该种靶构型不具备立体阵列式构型设计，无法将束流功率分布到更大的区域内，也无法进行大面积的强制对流冷却，从而无法满足毫安级别束流强度的要求。

本发明针对现有的同位素生产靶方案无法在毫安甚至十毫安水平束流强度下工作，现有技术方案要么受到材料及冷却方式的限制，要么受到靶的横向尺寸及靶窗应力的限制的问题，而提出一种高束流功率下的同位素生产靶，该生产靶技术方案的核心是采用高导热、高熔点、高强度、延展性好、易焊接的金属材料，对用于同位素产生的靶材料进行完全包容密封，得到包容性良好的靶胶囊，利用靶室内冷却水与胶囊之间的强制对流换热，实现高功率产生靶的热移除。结合束流定点扫描和阵列式胶囊布置，实现超高束流功率密度下的同位素高效生产。

下面结合具体实例对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1a所示，本发明所涉及的高功率束流下的同位素生产靶组件，包括：

靶室，靶室由靶室前板10、靶室后板11、靶室上盖板8、靶室下盖板9及左右侧板组成，靶室前板10和靶室后板11上设置有若干呈阵列布置的靶窗；

靶胶囊1，数量若干，呈单层平面阵列排布或多层立体阵列排布，靶室内竖直间隔布置有若干靶室单元隔板4，若干靶室单元隔板4将靶室分隔成若干空腔，每个空腔内均布置有偶数片栅板2，每个栅板2上均开设有若干靶胶囊定位孔3，每个靶室单元隔板4上均设置有与栅板2相对应的刻槽，若干靶胶囊1呈阵列形式嵌入相邻两个栅板2的靶胶囊定位孔3内，并通过刻槽进行限位，从而夹在两个靶室单元隔板4之间；若干靶窗与束流在射入或射出端面上正对的靶胶囊1一一对应布置。

在本发明一些优选的实施方案中，靶胶囊1面向束流方向的横截面可以为圆形、椭圆形，长方形或正方形。根据实际生产需求，靶胶囊1在束流方向上的厚度为几百微米到几毫米，垂直于束流的横向长度和宽度方向为几厘米。靶胶囊1内同位素生产靶材料的形态可以为粉末状、片状或块状。靶材料与胶囊壳之间接触良好，具备良好的导热条件。靶胶囊1的强度可以承受设计温度下内部产生的气体引起的压力。

进一步地，靶胶囊1在靶室中，按照单层进行平面阵列排布或按照多层进行立体阵列排布，每排(或列)具有单独的流道(每个空腔内相邻两列靶胶囊1之间的缝隙以及靶胶囊1与靶室的前后板之间的缝隙为冷却水流道5，栅板2对冷却水具有导流功能，便于冷却水从胶囊片长度方向的两个侧面通过，提高了靶胶囊1的强制对流冷却效率)，加压冷却水进入流道后，依次对该排(或列)中的靶胶囊1进行冷却，最后经出水口7流出，进入换热器，降温后返回流道入口开始新的循环。

在本发明一些具体的实施例中，阵列胶囊靶包含5个相互隔离的靶室单元，每个靶室单元在束流入射方向上包含3层胶囊片，每一层胶囊片包含4个靶胶囊1和两个栅板2，两片栅板2夹住4个靶胶囊，通过两个或以上的卡扣预紧，并形成垂直的排列及流道。靶胶囊1在厚度方向的截面为类椭圆，以便嵌入靶胶囊定位孔3。每个靶胶囊片的限位固定，则依赖于靶室单元隔板4以及隔板上的刻槽。当3×5共15个靶胶囊片分别自上而下沿着刻槽装入后，即可盖上靶室上盖板8，完成胶囊阵列的最终固定。当束流照射完成，打开上盖板8，所有15个胶囊片取出通道开放，可按顺序依次拔出胶囊片。每个胶囊片拔出后，解除两个栅板之间的卡扣，即可取出4个胶囊，开展后续的同位素提取流程。

靶室中面向束流一侧为靶室前板10。根据平面阵列中的靶点数，靶室前板10配备相应数量的金属靶窗，通过焊接或法兰与靶室连接。靶窗一侧面向入射束流，另一侧为靶室内冷却水。束流通过靶窗后，穿过靶窗与靶胶囊1之间的冷却水层，到达靶胶囊1，穿透后又轰击到另一侧冷却水。如果为多层胶囊靶设计，则束流将继续依次穿过靶胶囊1及冷却水，直至最后一层靶胶囊1或冷却水层。总之，靶窗与靶胶囊1一样，直接接触流道内的冷却水，进行强制对流换热。区别在于，靶窗为单面冷却，靶胶囊为双面强制对流水冷。

靶室可选用316L等常用的核用材料，靶窗选用高强度、抗辐照、抗腐蚀、抗氧化、易加工及易焊接的金属或者合金材料，例如Inconel-718、T91等。靶胶囊外壳采用高导热、高熔点、高强度、延展性好、易焊接的金属材料或者合金材料，例如Nb、Ta、Ti、Inconel-718等。

如图2b或2c所示，束流沿着垂直于靶室前板10的方向入射，经过靶室前板10上的靶窗，依此经过冷却水及靶胶囊1，直至在靶室内沉积全部能量或穿过靶室后板11上的靶窗，进入束流阻挡器。束流在某一个靶点驻停一定的时间后，沿着如图2a所示路线(束流定点扫描，具体参见申请号为202111570196.4的中国专利)，移至下一个靶点。转移过程中，加速器前端斩波器将束流在低能段吸收，从而避免束流轰击到靶点以外区域(同理参见上述专利)。在整个过程中，加压冷却水沿着靶室下盖板9的进水口6，自下而上流经每个靶胶囊1，对前后两面进行强制对流冷却，然后通过靶室上盖板8的出水口7进入循环水路，然后经过换热器，完成热交换后开始新的冷却循环。

束流按照一定的路线，在靶胶囊1平面阵列中移动，每个靶点停留一定的时间后，转入相邻的下一个靶点，最后返回初始靶点，开始新一轮的定点扫描。扫描路线选择根据行列的靶点数，按照冷却水流道5方向上的靶点之间照射时间间隔尽量长的原则进行规划。

在束流方向上，束流能量逐步降低。不同深度上的靶胶囊1可以装填不同的靶材料，用于生产不同的同位素。根据束流到达靶室后板11时能量是否为零，可以分为全能量沉积及部分能量沉积。对于部分能量沉积的情况，靶室后板11配置束流阻挡器，用于吸收束流剩余的能量。同时，靶室后板11上配备与靶室前板10相同数量的靶窗，以满足接受束流轰击的要求。

本发明的技术方案能够显著增大束流横向照射面积，提高同位素靶组件可承受的束流功率，实现毫安甚至十毫安水平束流强度下的同位素生产。通过降低单个靶窗及胶囊的横向尺寸，以降低单个靶窗及胶囊密封体的强度要求。相应地，靶窗及胶囊密封壳体可以做得更薄，其上的束流能量损失及冷却难度更低。同时，较小的靶胶囊尺寸，有利于降低靶的生产难度和后处理难度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种高功率束流下的同位素生产靶组件，其特征在于，包括：

靶室，所述靶室由靶室前板(10)、靶室后板(11)、靶室上盖板(8)、靶室下盖板(9)及左右侧板组成，所述靶室前板(10)和所述靶室后板(11)上设置有若干呈阵列布置的靶窗；

靶胶囊(1)，数量若干，呈单层平面阵列排布或多层立体阵列排布，所述靶室内竖直间隔布置有若干靶室单元隔板(4)，若干所述靶室单元隔板(4)将所述靶室分隔成若干空腔，每个所述空腔内均布置有偶数片栅板(2)，每个所述栅板(2)上均开设有若干靶胶囊定位孔(3)，每个所述靶室单元隔板(4)上均设置有与所述栅板(2)相对应的刻槽，若干所述靶胶囊(1)呈阵列形式嵌入相邻两个所述栅板(2)的所述靶胶囊定位孔(3)内，并通过所述刻槽进行限位，从而夹在左右两个单元隔板(4)之间；

若干所述靶窗与束流在射入或射出端面上正对的所述靶胶囊(1)一一对应布置。

2.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述靶胶囊(1)包括胶囊外壳以及包容于所述胶囊外壳内的同位素生产靶。

3.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，束流从靶室前板(10)射入并从所述靶室后板(11)射出，不同深度上的所述靶胶囊(1)内装配不同生产靶，用于产生不同的同位素。

4.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，每个所述空腔内相邻两列所述靶胶囊(1)之间的缝隙以及所述靶胶囊(1)与所述靶室的前后板之间的缝隙为冷却水流道(5)。

5.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述靶室下盖板(9)上开设有若干进水口(6)，所述靶室上盖板(8)上开设有若干出水口(7)，所述进水口(6)、所述出水口(7)与所述冷却水流道(5)一一对应布置。

6.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述靶胶囊(1)面向束流射入或射出方向的横截面包括圆形、椭圆形，长方形或正方形。

7.根据权利要求2所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述胶囊外壳采用高导热、高熔点、高强度、延展性好、易焊接的金属材料，所述同位素生产靶材料的形态包括粉末状、片状或块状。

8.根据权利要求7所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述金属材料包括Nb、Ta、Ti或Inconel-718。

9.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述靶胶囊(1)在束流方向上的厚度为几百微米到几毫米，垂直于束流的横向长度和宽度方向为几厘米。

10.根据权利要求1所述的同位素生产靶组件，其特征在于，所述同位素生产靶组件结合束流的定点扫描技术，实现毫安水平甚至十毫安水平束流强度下的同位素生产。

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