CN118102569B - 一种三段式潘宁离子源阳极腔 - Google Patents

一种三段式潘宁离子源阳极腔 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三段式潘宁离子源阳极腔，该阳极腔为三段式设计，即阳极腔上段、阳极腔中段、阳极腔下段为分体的结构；阳极腔上段装有上阴极，阳极腔下段装有下阴极和进气管道，氢气从阳极腔下段弥散在阳极腔下段、中段和上段整个空间；其特点是：在大于放电室内径的位置，分别设有面和面之间的至少一组由凸槽和凹槽组成的密封圈，该至少一组密封圈的凸槽端面和凹槽底面为紧配合、凸槽的环面和凹槽环面为松配合；在不改变阳极腔至少一组凹槽和凸槽尺寸的情况下，同一套阳极腔的上段、中段、下段的内径尺寸能够根据需求由小到大变化；以此实现用同一套阳极腔得出不同尺寸下产生的负氢离子，从中优选出负氢离子流强最高的三者内径最优配合尺寸。

Description

一种三段式潘宁离子源阳极腔
技术领域
本发明属于离子源技术领域，尤其涉及一种三段式潘宁离子源阳极腔。
背景技术
医用回旋加速器作为高端核医学设备，既可以生产同位素用于癌症早期诊断，也可以直接用于癌症治疗，具有十分重要的医疗价值。
将冷阴极潘宁离子源设计为内源，即离子源位于回旋加速器的中心区，在满足该类型加速器的束流强度要求的同时，降本增效，极大地提升了国产回旋加速器的取代欧美日垄断技术，甚至走向国际市场的几率。
内源的结构整体相对简单，带有引出缝的阳极腔、阴极、供气系统、电源系统、冷却系统以及必要的连接、支撑和密封系统即可。但是内源的阳极腔结构设计、密封问题是决定其束流产生和引出能力的关键，
国内一体式的阳极腔如图2-1所示，在阳极腔上下两端的侧面进行密封，上下两个孔径1-1和3-1的直径小于阳极腔2-1的内径(即上下窄中间宽)，整体是一个“大肚子”的结构，如果上下窄中间宽制成一体化的结构，加工难度系数极高，加工周期长，成品率极低，由于无法保证放电室内径的尺寸，加工完成后也无法精准测量，对后期实验、物理分析带来极大的困扰。
美国电气公司采用一件式设计和限制环的结构，如图2-2所示。该结构在某种程度上解决了“上下窄中间宽一体化设计”难度系数高、加工周期长、成品率低的问题，但是该设计前期需要大量的实验和理论计算来确定影响束流的几何参数，若设计不合理，则加工件的可利用率几乎为零。
前期对现有结构的阳极腔进行了大量实验和理论计算，内源的性能往往需要多套尺寸结构的阳极腔，每一套结构对应一种尺寸，对每种结构的上下窄、中间宽的内径比例不断改进和试验，最终得到一套能够产生负氢离子最大流强的阳极腔上、中、下三部分尺寸。之所以前期进行不同结构尺寸的阳极腔大量实验的需求在于：有可能需要阳极腔的下端进气，但是当气量不够时也有可能需要阳极腔上、下两端均作为进气口，这样，阳极腔的上端口和下端口就会随着是否作为进气口而改变尺寸；当阳极腔内径和上、下端口的比例固定时，为了提高负氢的产额，也有可能需要同比例放大或者缩小；当阳极腔的下端口作为进气口时，阳极腔的上端口、下端口、阳极腔三者的比例究竟是怎样才能使得负氢离子的产量最高或者流强最大，也需要反复测试，虽然理论计算能够预知这些参数，但是理论计算和实际测量总是存在差距，所以理论计算的同时，还需要按照理论计算的尺寸进行不同尺寸结构的阳极腔实验才能得到验证。
进行上述理论验证，如果采用图2-1的国内一体化设计方法，显然加工难度太大，无法实现；如果采用图2-2的美国电气公司的固定尺寸的阳极腔结构，虽然在某种程度上解决了一体化阳极腔的上下窄中间宽的加工难度问题，但其仍然是一个固定尺寸的最终产品，解决不了实验过程中通过一套阳极腔进行多个尺寸的试验、从而降低实验成本的问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的问题，提出一种三段式潘宁离子源阳极腔，第一目的在于解决加工难度系数高、加工周期长、成品率低的问题；第二目的在于解决只需要通过一套阳极腔，对不同尺寸的阳极腔进行实验，从中选出最佳能结构，极大地降低了生产成本。
本发明为解决其技术问题提出以下技术方案：
一种三段式潘宁离子源阳极腔，该阳极腔为三段式设计，即阳极腔上段、阳极腔中段、阳极腔下段为分体的结构；阳极腔上段装有上阴极，阳极腔下段装有下阴极和进气管道，氢气从阳极腔下段弥散在阳极腔下段、中段和上段整个空间。上、下阴极发射电子并在电场的作用下进入到阳极腔中段，与弥散在整个空间的氢气进行碰撞，形成等离子体。，产生的负氢离子通过阳极腔中段的引出缝引出。阳极腔上段、中段、下段分别设有螺纹孔，通过螺钉贯穿上段、中段、下段上的螺纹孔，实现阳极腔上段、中段、下段的面与面之间的紧配合固定连接；
其特点是：在大于放电室内径的位置，也就是大于阳极腔上段孔径、大于阳极腔中段内径、大于阳极腔下段孔径的位置，分别设有面和面之间的至少一组由凸槽和凹槽组成的密封圈，该至少一组密封圈的凸槽端面和凹槽底面为紧配合、凸槽的环面和凹槽环面为松配合；在不改变当前阳极腔至少一组凹槽和凸槽尺寸的情况下，同一套阳极腔的上段、中段、下段的内径尺寸能够根据需求由小到大变化、且中段和上段端口的内径比例、中段和下段端口的内径比例也能够根据需求的变化而变化，以此实现：在实验阶段用同一套阳极腔得出不同尺寸下产生的负氢离子，从中优选出负氢离子流强最高的三者内径最优配合尺寸。
进一步地，所述在它们相互对接的端面上，还分别设有凸台和凹槽，具体为：在阳极腔中段的两个端面的大于其自身最大内径不小于2mm的圆周上布设凸台，凸台的高度为1.5到2mm；在阳极腔上段、下段的两个端面的大于其自身最大内径不小于2mm的圆周上布设凹槽，凹槽的宽度大于凸台的宽度，以实现和凸台的松配合；凹槽的高度和凸台的高度相匹配。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔上段端口直径的比例变化由小到大在1.5到3之间。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔下段端口直径的比例变化由小到大在:1.8到3之间。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔上段端口直径的尺寸可同比例变化。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔下段端口直径的尺寸可同比例变化。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔上段和阳极腔下段的端口内径尺寸能够相同或者不相同，当阳极腔上段和阳极腔下段的内径尺寸不相同时，阳极腔上段的端口内径尺寸小于阳极腔下段的端口内径尺寸。
进一步地，阳极腔中段的最大直径为9mm，上段或下段的最大直径为6mm。
进一步地，所述至少一组由凸槽和凹槽组成的密封圈，即是在大于阳极腔中段内径的允许范围内，设置沿着半径方向的多组由凸槽和凹槽组成的密封圈，每一组密封圈对应的直径不同。
进一步地，所述由小到大变化，就是阳极腔中段、上段、下端，在改变内径尺寸时，必须由小直径到大直径变化，而不能相反从大直径到小直径变化。
本发明的优点效果
1、与现有技术相比，本发明三段式阳极腔不仅解决了加工难度系数高、加工周期长、成品率低的问题，而且能够实现后期实验过程中阳极腔尺寸的精准测量以及可直观观察到阳极腔内表面发生的物理变化，对后续的实验和物理分析有至关重要的作用。
2、与现有技术相比，本发明三段式阳极腔不仅解决了加工难度系数高、加工周期长、成品率低的问题，还采用“双保险、多保险”的手段解决了密封问题：用螺钉贯穿阳极腔的中段、前段、后段，使得它们的面与面之间紧配合，从而实现第一层保险；在面与面之间，再分别至少开设一个凸槽，一个凹槽，使得凸槽的顶面和凹槽的底面紧配合，由于凸槽和凹槽的直径均大于它们各自的内径，即使是凸槽和凹槽在各自的环面上松配合，也不会漏气，何况凹槽的底部和凸槽的顶部面与面通过螺钉的挤压实现紧配合，这是第二层保险；当一组凹槽和凸槽还不能满足密封要求时，还可以在阳极腔中段、上段、下段各自端面的径向开设多个凹槽和多个凸槽组成多组密封圈，从而实现多保险。
附图说明
图1-1为本发明三段式阳极腔爆炸图；
图1-2为本发明三段式阳极腔和上阴极、下阴极连接关系剖面图；
图2-1为现有技术一体式阳极腔剖面图；
图2-2为现有技术固定尺寸的阳极腔三维图；
1：阳极腔上段；1-1：阳极腔上段端口；1-2：阳极腔上段凹槽；2：阳极腔中段；2-1：阳极腔中段内径；2-2：阳极腔中段上凸槽；2-3：阳极腔中段下凸槽；3：阳极腔下段；3-1：阳极腔下段端口；3-2：阳极腔下段凹槽；4-1：上阴极，4-2：下阴极；4-3：进气管道；5-1：上段陶瓷焊接件；5-2：下段陶瓷焊接件。
具体实施方式
本发明设计原理
1、三段式阳极腔设计难点：第一个难点，三段分体式设计的难点在于如何实现真空密封，因为阳极腔的中段、上段、下段远离水冷管而均处于几千度的高温环境，在几千度的高温环境下采用密封胶圈，胶圈被融化就会破坏密封效果，因此，改为三段式以后，采用什么方法代替现有的密封圈密封是一个难点。第二个难点，既要保证密封效果，还要便于拆卸，这又是一对矛盾。一般而言，实现紧配合以后就不便于拆卸，而本发明的难点在于，既要实现紧配合，还要便于拆卸。因为只有便于拆卸才能共用同一套阳极腔进行不同尺寸的试验。
2、本发明解决方案：①首要的问题就是如何保证原来的密封效果。如果只是只是通过螺钉将阳极腔中段、上段、下端三个部分的面和面接触进行紧配合密封，其密封效果和原先的一体化相比还有差距。本发明采用的方法就是在阳极腔的中段、上段、下段的内径以外，再分别增加至少一圈的紧配合的密封，所述增加至少一圈的紧配合的密封，也就是阳极腔中段的凸槽端面和阳极腔上段、下段凹槽的底面进行紧配合密封，而阳极腔中段凸槽的环面和阳极腔上段、下段凹槽的环面是松配合，松配合的目的在于便于拆卸。②松配合并不影响密封效果，因为松配合之处是在阳极腔中段、上段、下段各自的最大内径之外，阳极腔的放电室的直径小于凸槽和凹槽的直径，即使漏气，也不会漏到阳极腔的放电室内部。③所述增加至少一圈的紧配合的密封，也就是不限于一组凸槽和凹槽，只要是大于阳极腔放电室的直径范围还可以再设置多组由凸槽和凹槽组成的密封圈，这样，通过多次由凸槽和凹槽组成的密封圈就可以还原一体化设计的真空密封的效果。
3、本发明创新点在于：发明了一种新型的由凹槽和凸槽组成的、松配合的、且可以是多对一的组合状的密封圈。所述多对一的组合状的密封圈就是该密封圈可以由多个凸槽和多个凹槽组成；通过多对一的组合状密封圈，抵消每一组由凹槽和凸槽组成的密封圈只是在端面上紧配合、但是在环面上松配合带来的不足；同时，又利用了每一组由凹槽和凸槽组成的密封圈在环面上的松配合，实现阳极腔的可拆卸，进一步地，利用阳极腔的可拆卸实现一套阳极腔进行多种尺寸的实验，从而降低了实验成本。
下面结合附图对本发明做出进一步的解释：
一种三段式潘宁离子源阳极腔如图1-1、1-2所示，该阳极腔为三段式设计，即阳极腔上段1、阳极腔中段2、阳极腔下段3为分体的结构；阳极腔上段1装有上阴极4-1，阳极腔下段3装有下阴极4-2和进气管道4-3，氢气从阳极腔下段3弥散在阳极腔下段3、中段和上段整个空间。上、下阴极发射电子并在电场的作用下进入到阳极腔中段2，与弥散在整个空间的氢气进行碰撞，形成等离子体；产生的负氢离子通过阳极腔中段2的引出缝引出；阳极腔上段、中段、下段分别设有螺纹孔，通过螺钉贯穿上段、中段、下段上的螺纹孔，实现阳极腔上段、中段、下段的面与面之间的紧配合固定连接；
其特点是：在大于放电室内径的位置，也就是大于阳极腔上段孔径、大于阳极腔中段孔径、大于阳极腔下段孔径的位置，分别设有面和面之间的至少一组由凸槽和凹槽组成的密封圈，该至少一组密封圈的凸槽端面和凹槽底面为紧配合、凸槽的环面和凹槽环面为松配合；在不改变当前阳极腔至少一组凹槽和凸槽尺寸的情况下，同一套阳极腔的上段、中段、下段的内径尺寸能够根据需求由小到大变化、且中段和上段端口的内径比例、中段和下段端口的内径比例也能够根据需求的变化而变化，以此实现：在实验阶段用同一套阳极腔得出不同尺寸下产生的负氢离子，从中优选出负氢离子流强最高的三者内径最优配合尺寸。
进一步地，所述在它们相互对接的端面上，还分别设有凸台和凹槽，具体为：在阳极腔中段2的两个端面的大于其自身最大内径不小于2mm的圆周上布设凸台2-2、2-3，凸台的高度为1.5到2mm；在阳极腔上段1、下段3的两个端面的大于其自身最大内径不小于2mm的圆周上布设凹槽1-2、3-2，凹槽的宽度大于凸台的宽度，以实现和凸台的松配合；凹槽的高度和凸台的高度相匹配。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段2的内径尺寸和阳极腔上段1端口直径的比例变化由小到大在1.5到3之间。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段2的内径尺寸和阳极腔下段3端口直径的比例变化由小到大在:1.8到3之间。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段2的内径尺寸和阳极腔上段端口直径的尺寸可同比例变化。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段2的内径尺寸和阳极腔下段3端口直径的尺寸可同比例变化。
进一步地，在同一套阳极腔的凹槽和凸槽尺寸无需改变的情况下，阳极腔上段1和阳极腔下段3的端口内径尺寸能够相同或者不相同，当阳极腔上段1和阳极腔下段3的内径尺寸不相同时，阳极腔上段1的端口内径尺寸小于阳极腔下段3的端口内径尺寸。
进一步地，阳极腔中段2的最大直径为9mm，上段或下段的最大直径为6mm。
进一步地，所述至少一组由凸槽和凹槽组成的密封圈，即是在大于阳极腔中段2内径的允许范围内，设置沿着半径方向的多组由凸槽和凹槽组成的密封圈，每一组密封圈对应的直径不同。
进一步地，所述由小到大变化，就是阳极腔中段、上段、下端，在改变内径尺寸时，必须由小直径到大直径变化，而不能相反从大直径到小直径变化。
需要强调的是，上述具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对上述实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种三段式潘宁离子源阳极腔，该阳极腔为三段式设计，即阳极腔上段、阳极腔中段、阳极腔下段为分体的结构；阳极腔上段装有上阴极，阳极腔下段装有下阴极和进气管道，氢气从阳极腔下段弥散在阳极腔下段、中段和上段整个空间；上、下阴极发射电子并在电场的作用下进入到阳极腔中段，与弥散在整个空间的氢气进行碰撞，形成等离子体；产生的负氢离子通过阳极腔中段的引出缝引出；阳极腔上段、中段、下段分别设有螺纹孔，通过螺钉贯穿上段、中段、下段上的螺纹孔，实现阳极腔上段、中段、下段的面与面之间的紧配合固定连接；
其特征是：在大于放电室内径的位置，也就是大于阳极腔上段孔径、大于阳极腔中段内径、大于阳极腔下段孔径的位置，分别设有面和面之间的至少一组由凸台和凹槽组成的密封圈，该至少一组密封圈的凸台端面和凹槽底面为紧配合、凸台的环面和凹槽环面为松配合；在不改变当前阳极腔至少一组凹槽和凸台尺寸的情况下，同一套阳极腔的上段、中段、下段的内径尺寸能够根据需求由小到大变化、且中段和上段端口的内径比例、中段和下段端口的内径比例也能够根据需求的变化而变化，以此实现：在实验阶段用同一套阳极腔得出不同尺寸下产生的负氢离子，从中优选出负氢离子流强最高的三者内径最优配合尺寸。
2.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：所述在相互对接的端面上，还分别设有凸台和凹槽，具体为：在阳极腔中段的两个端面的大于其自身最大内径不小于2mm的圆周上布设凸台，凸台的高度为1.5到2mm；在阳极腔上段、下段的两个端面的大于其自身最大内径不小于2mm的圆周上布设凹槽，凹槽的宽度大于凸台的宽度，以实现和凸台的松配合；凹槽的高度和凸台的高度相匹配。
3.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：在同一套阳极腔的凹槽和凸台尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔上段端口直径的比例变化由小到大在1.5到3之间。
4.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：在同一套阳极腔的凹槽和凸台尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔下段端口直径的比例变化由小到大在:1.8到3之间。
5.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：在同一套阳极腔的凹槽和凸台尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔上段端口直径的尺寸可同比例变化。
6.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：在同一套阳极腔的凹槽和凸台尺寸无需改变的情况下，阳极腔中段的内径尺寸和阳极腔下段端口直径的尺寸可同比例变化。
7.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：在同一套阳极腔的凹槽和凸台尺寸无需改变的情况下，阳极腔上段和阳极腔下段的端口内径尺寸能够相同或者不相同，当阳极腔上段和阳极腔下段的内径尺寸不相同时，阳极腔上段的端口内径尺寸小于阳极腔下段的端口内径尺寸。
8.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：进一步地，阳极腔中段的最大直径为9mm，上段或下段的最大直径为6mm。
9.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：所述至少一组由凸台和凹槽组成的密封圈，即是在大于阳极腔中段内径的允许范围内，设置沿着半径方向的多组由凸台和凹槽组成的密封圈，每一组密封圈对应的直径不同。
10.根据权利要求1所述一种三段式潘宁离子源阳极腔，其特征在于：所述由小到大变化，就是阳极腔中段、上段、下端，在改变内径尺寸时，必须由小直径到大直径变化，而不能相反从大直径到小直径变化。
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