CN116437555A - 多束流沉积的中子靶及中子发生器 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及中子发生器技术领域，具体提供一种多束流沉积的中子靶及中子发生器，旨在解决现有中子发生器受散热因素制约导致难以提高中子源强度的问题。为此目的，本申请的多束流沉积的中子靶包括沿离子束发射方向依次连接的多层靶片，所述多层靶片的直径沿着从所述中子靶的中心径向向外的方向逐渐增大。每层所述靶片内均设置有独立的冷却腔，所述中子靶上开设有分别与至少一个所述靶片的冷却腔连通的进流通道和出流通道。本申请通过设置多层依次连接的靶片，在实现多束离子束流同时轰击中子靶的前提下，针对每层靶片进行单独冷却，进而在保证靶系统正常运行的条件下，提高了中子源强度。
Description
技术领域
本申请涉及中子发生器技术领域，具体提供一种多束流沉积的中子靶及中子发生器。
背景技术
中子发生器如今在资源勘探、公共安全、农牧业、以及无损检测等多个领域得到越来越广泛的应用。
靶系统是中子发生器的重要组成部分，离子束流在电场作用下轰击靶，从而产生中子。目前中子发生器一般采用单束流打靶的方式，通过提高束流强度以提高中子源强度，但是高强度单束流连续轰击靶的过程中产生的大量热量难以及时排出，温度过高将会导致靶系统烧毁。
因此，本领域需要一种新的中子靶来解决上述问题。
发明内容
本申请旨在解决上述技术问题，即为了解决现有中子发生器受散热因素制约导致难以提高中子源强度的问题。
第一方面，本申请提供一种多束流沉积的中子靶，所述中子靶包括沿离子束发射方向依次连接的多层靶片，多层所述靶片的直径沿着从所述中子靶的中心径向向外的方向逐渐增大。
可选地，每层所述靶片内均设置有独立的冷却腔，所述中子靶上开设有分别与至少一个所述靶片的冷却腔连通的进流通道和出流通道。
可选地，所述进流通道的开口和所述出流通道的开口位于所述中子靶的不同侧，且所述进流通道与每层所述靶片的冷却腔室均连通，所述出流通道与每层所述靶片的冷却腔室均连通。
可选地，所述中子靶为旋转靶，所述进流通道和所述出流通道均沿所述中子靶的周向设置有多个，所述进流通道的数量与所述出流通道相同。
可选地，每个所述冷却腔内均沿所述中子靶的径向设置有多条流道。
可选地，每条所述流道都具有靠近所述中子靶轴心的第一端以及与所述第一端相对的第二端；所述进流通道和所述出流通道均位于所述第一端。
可选地，所述进流通道和所述出流通道沿所述中子靶的周向交错设置。
可选地，所述冷却腔的内壁设置有多个弧面，所述弧面的数量与所述进流通道的数量相同，所述弧面靠近所述流道的第二端。
可选地，所述流道的数量由所述第一端向所述第二端逐渐增加。
第二方面，本申请提供一种中子发生器，包括第一方面中任一项所述的中子靶。
如上，在采用上述技术方案的情况下，本申请的中子靶安装在中子发生器内时，通过将冷却装置连接至进流通道的开口，离子束轰击靶片的过程中，冷却剂循环流经每层靶片的冷却腔，对每层靶片进行降温，将靶片上沉积的热量快速排出。因此，在实现多束离子束流同时轰击多层中子靶的前提下，针对每层靶片进行单独冷却，进而在保证靶系统正常运行的条件下，提高了中子源强度。
进一步地，通过在冷却腔内沿径向设置流道，流道对冷却腔内的冷却剂的流动起到导向作用，使得在沿中子靶周向的单位角度范围内，冷却剂沿扇形区域的径向循环流动并快速排出，进一步避免了因冷却剂沿中子靶周向流动而在周向上形成温差的现象，提高了中子靶表面各位置温度的均匀性，从而强化散热效果。
附图说明
下面结合附图来描述本申请的优选实施方式，附图中：
图1是本申请给出的多束流沉积的中子靶的整体结构示意图；
图2是本申请给出的多束流沉积的中子靶剖面状态的示意图；
图3是图1中的中子靶沿周向单位角度的部分结构示意图；
图4是将图3翻转至背面状态的示意图；
图5是体现靶片的冷却腔内部结构的示意图；
图中，附图标记指代如下：
1、靶片；11、冷却腔；111、流道；112、弧面；2、进流通道；3、出流通道。
具体实施方式
下面参照附图来描述本申请的优选实施方式。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申请的技术原理，并非用于限制本申请的保护范围。本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。
需要说明的是，在本申请的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示相关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申请的限制。此外，序数词“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，还需要说明的是，在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应作广义理解，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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
中子发生器的中子源强度受到束流强度、靶散热能力等多方面因素的影响。为了提高中子发生器的中子源强度，相关技术中通过增加离子束流的数量以提升束流强度，然而在多束离子束流连续轰击靶的过程中，靶片上沉积热量的速度也越来越快，若无法将沉积的热量快速排出，将会导致靶系统烧毁，造成严重损失。
参照图1和图2，为本申请实施例公开的一种多束流沉积的中子靶，其包括沿离子束发射方向依次连接的多层靶片1。本申请附图中以两层靶片1为例进行展示，实际应用中可以根据需求设置更多层，本申请不作具体限制。靶片1可采用铜合金材料制成，以利于散热，相邻的靶片1之间可通过焊接等方式固定。
每层靶片1的形状均为圆盘状，多层靶片1的直径沿着从中子靶的中心径向向外的方向逐渐增大，因此中子靶的其中一侧表面呈阶梯状，另一侧表面为平面。可以理解的是，中子靶安装在中子发生器上时，呈阶梯状的一侧表面朝向离子束，为方便表述，本申请将该侧表面称为中子靶的正面，另一侧表面称为中子靶的背面。
当本申请的中子靶应用在中子发生器内时，通过离子源产生多束并行的离子束，离子束的数量与靶片1的层数相同，且多束离子束与多层靶片1一一对应。离子束同时轰击中子靶的各层靶片1，以产生更多有效中子，进而提高中子源强度，同时各层靶片1分别独立散热，以满足散热需求。
参照图1和图2，作为本申请一种可能的实现方式，每层靶片1内均设置有独立的冷却腔11，中子靶上开设有分别与至少一个靶片1的冷却腔11连通的进流通道2和出流通道3。应当理解的是，每层靶片1可以单独对应一组进流通道2和出流通道3，也可以使单个进流通道2同时连通多层靶片1，单个出流通道3同时连通多层靶片1。
通过将冷却装置连接至进流通道2的开口，离子束轰击靶片1的过程中，冷却剂循环流经每层靶片1的冷却腔11，对每层靶片1进行降温，将靶片1上沉积的热量快速排出。因此，在实现多束离子束流同时轰击多层中子靶的前提下，针对每层靶片1进行单独冷却，进而在保证靶系统正常运行的条件下，提高了中子源强度。
参照图3和图4，作为本申请一种可能的实现方式，进流通道2和出流通道3的开口位于中子靶的不同侧。示例性地，本申请附图进流通道2的开口位于中子靶的正面，出流通道3的开口位于中子靶的背面，当然实际应用中，并不局限于此。进流通道2由其开口向内贯穿并连通至每层靶片1的冷却腔11，同样地，出流通道3由其开口向内贯穿并连通至每层靶片1的冷却腔11。如此，冷却剂可通过进流通道2进入各层靶片1的冷却腔11内，而各层靶片1内的冷却剂完成热交换后又可通过出流通道3向外汇流排出，从而简化了通道结构。
参照图1、图3和图4，作为本申请一种可能的实现方式，中子靶为旋转靶，其可转动连接于中子发生器内，并通过驱动器控制其旋转。进流通道2和出流通道3均沿中子靶的周向设置有多个，进流通道2的数量与出流通道3的数量相同，且一一对应。
由于离子束轰击中子靶的过程中，中子靶始终处在旋转状态，因此通过在中子靶的周向上分布多组进流通道2和出流通道3，使得在沿中子靶周向的单位角度范围内，持续有冷切剂的通入，且冷却剂的温度始终在较低范围内，多组进流通道2和出流通道3的配合使冷却剂在每层靶片1的冷却腔11内完成快速循环，避免在沿中子靶的周向上，冷却剂存在过大温差，进而更有利于快速散热。
参照图5，作为本申请一种可能的实现方式，每层靶片1的冷却腔11内均沿中子靶的径向加工形成有多条流道111，以对冷却腔11内的冷却剂的流动起到导向作用，使得在沿中子靶周向的单位角度范围内，冷却剂沿扇形区域的径向循环流动并快速排出，进一步避免了因冷却剂沿中子靶周向流动而在周向上形成温差的现象，提高了中子靶表面各位置温度的均匀性，从而强化散热效果。
为了方便表述，将每条流道111靠近中子靶轴心的一端称为第一端，与第一端相对的一端称为第二端。进流通道2和出流通道3均位于流道111的第一端，且进流通道2和出流通道3沿中子靶的周向交错设置。冷却剂由进流通道2进入冷却腔11内之后，先沿着中子靶的径向向外流动至流道111的第二端，然后折返，沿着中子靶的径向向内流动至流道111的第一端，从出流通道3排出。如此进行上述过程，冷却剂进入冷却腔11内之后，能够在径向方向上实现一个往返流动的过程，以充分换热。
参照图5，作为本申请一种可能的实现方式，冷却腔11的内壁设置有多个弧面112，弧面112的数量与进流通道2的数量相同。弧面112靠近流道111的第二端，且朝向进流通道2和出流通道3。冷却剂沿流道111流动至第二端后，能够贴着弧面112流动，在弧面112的导流作用下完成转向，从而可避免冷却剂在流道111的第二端附近形成漩涡，保证了冷却剂循环流动过程中的稳定性。
还应说明的是，在本申请的一些实现方式中，每个弧面112对应一个单位区域，每个进流通道2通入的冷却剂进入相邻的两个单位区域内，冷却剂在每个单位区域内完成一个循环后，进入出流通道3并排出。
作为本申请一种可能的实现方式，流道111的数量由其第一端向第二端逐渐增加。由于沿着从第一端向第二端的方向上，靶片1的半径逐渐增大，因此增加流道111的数量使得在沿靶片1的径向方向上各流道111的宽度基本保持相同，以使冷却剂能够在冷却腔11内沿着中子靶的径向向外逐渐扩散，保证冷却剂在冷却腔11内分布的均匀性，避免形成盲区。
本申请实施例还公开了一种中子发生器，其包括上述任意实施例中的中子靶100。
作为本申请一种可能的实现方式，中子发生器包括壳体、束流管道、驱动装置和冷却装置。壳体作为中子发生器的载体，其内部形成有真空腔室。束流管道设置于壳体上，用于供离子源产生的离子束流穿过，束流管道朝向真空腔室。壳体上转动设置有主轴，中子靶安装在主轴上。中子靶的正面朝向束流管道，用于接收离子束流轰击，从而产生中子。驱动装置的输出端与主轴相连，用于驱动主轴转动，从而带动中子靶绕其自身轴线转动。主轴内部设置有冷却剂通道，冷却装置的输入端与主轴内的冷却剂通道连通，，用于向冷却腔内输入冷却剂，以对中子靶进行冷却，应当理解的是，本申请所述的冷却剂可以为冷却液，也可以为冷却气体。
离子束流轰击中子靶的同时冷却装置500向中子靶100的冷却腔11内通入冷却剂，并通过外接排水管将热交换完成的冷却剂及时排出，实现冷却剂的循环，以对中子靶100进行散热。在保证散热能力的前提下提高单束离子束流的强度，进而可以进一步提高中子源强度。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本申请的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本申请的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本申请的原理的前提下，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申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多束流沉积的中子靶，其特征在于，所述中子靶包括沿离子束发射方向依次连接的多层靶片，多层所述靶片的直径沿着从所述中子靶的中心径向向外的方向逐渐增大。
2.根据权利要求1所述的中子靶，其特征在于，每层所述靶片内均设置有独立的冷却腔，所述中子靶上开设有分别与至少一个所述靶片的冷却腔连通的进流通道和出流通道。
3.根据权利要求2所述的中子靶，其特征在于，所述进流通道的开口和所述出流通道的开口位于所述中子靶的不同侧，且所述进流通道与每层所述靶片的冷却腔均连通，所述出流通道与每层所述靶片的冷却腔均连通。
4.根据权利要求3所述的中子靶，其特征在于，所述中子靶为旋转靶，所述进流通道和所述出流通道均沿所述中子靶的周向设置有多个，所述进流通道的数量与所述出流通道相同。
5.根据权利要求4所述的中子靶，其特征在于，每个所述冷却腔内均沿所述中子靶的径向设置有多条流道。
6.根据权利要求5所述的中子靶，其特征在于，每条所述流道都具有靠近所述中子靶轴心的第一端以及与所述第一端相对的第二端；
所述进流通道和所述出流通道均位于所述第一端。
7.根据权利要求6所述的中子靶，其特征在于，所述进流通道和所述出流通道沿所述中子靶的周向交错设置。
8.根据权利要求6所述的中子靶，其特征在于，所述冷却腔的内壁设置有多个弧面，所述弧面的数量与所述进流通道的数量相同，所述弧面靠近所述流道的第二端。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的中子靶，其特征在于，所述流道的数量由所述第一端向所述第二端逐渐增加。
10.一种中子发生器，其特征在于，包括权利要求2至9中任一项所述的中子靶。
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