DE19810922A1

DE19810922A1 - Gas target window

Info

Publication number: DE19810922A1
Application number: DE1998110922
Authority: DE
Inventors: Volker Bechtold; Wilhelm Bier; Wolfgang Keller; Klaus Schubert; Dieter Seidel
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1998-03-13
Filing date: 1998-03-13
Publication date: 1999-09-30
Also published as: WO1999048344A1

Abstract

The invention relates to a gas target window and the use thereof. The aim of the invention is provide a gas target window with a means of reliably reducing the heat load produced during radiation. Said gas target window should also be constructed in such a way that the energy of the incident particle beam is reduced only slightly. To this end, the inventive gas target window is provided with at least one cooling channel through which a coolant flows. It can be used in an irradiation device for separating a beam hole from a target chamber. In said beam hole, sub-atomic particles are directed through the gas target window at a gas which is enclosed in the target chamber.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gastargetfenster gemäß Patentanspruch 1 und dessen Verwendung gemäß Patentanspruch 5.The invention relates to a gas target window according to claim 1 and its use according to claim 5.

Für die Herstellung einiger Radioisotope ist es notwendig, ein Gastarget mit subatomaren Teilchen zu bestrahlen. Als Target dient in der Regel ein zumindest weitgehend isotopenreines Gas, das unter einem hohen Druck von beispielsweise 5 bis 50 bar steht. Das Gas ist in einer Targetkammer eingeschlossen. In eine der Wände der Targetkammer ist das Gastargetfenster eingelassen. Das Gastargetfenster trennt die Targetkammer von einem Strahlrohr, mit dem ein Strahl subatomarer Teilchen durch das Gastargetfenster in die Targetkammer geleitet wird. Als subato mare Teilchen werden häufig Protonen oder Deuteronen eingesetzt; in bestimmten Fällen eignen sich jedoch auch andere elektrisch geladene Teilchen wie z. B. Elektronen oder Positronen. Im Strahlrohr herrscht üblicherweise Hochvakuum. Das Gastargetfen ster muß demzufolge einerseits die Targetkammer gasdicht gegen das Strahlrohr abgrenzen und andererseits den Strahl der subato maren Teilchen möglichst ungeschwächt passieren lassen.For the production of some radioisotopes it is necessary to use a Irradiate gas target with subatomic particles. As a target usually serves an at least largely isotope-pure gas, that under a high pressure of, for example, 5 to 50 bar stands. The gas is enclosed in a target chamber. In a the gas target window is embedded in the walls of the target chamber. The gas target window separates the target chamber from one Beam tube with which a beam of subatomic particles passes through the Gas target window is directed into the target chamber. As subato Mars particles are often used as protons or deuterons; in certain cases, however, others are also suitable electrically charged particles such as B. electrons or positrons. in the Jet pipe is usually high vacuum. The gas target ster must therefore be gas-tight against the target chamber delimit the jet pipe and on the other hand the jet of the subato Allow mars particles to pass as weakly as possible.

Da in dem üblicherweise verwendeten Energiebereich von 10 bis 30 MeV elektrisch geladene subatomare Teilchen in Materie bereits auf kurzen Wegstrecken ihre Energie teilweise verlieren, muß die Wandstärke des Gastargetfensters möglichst dünn gehalten werden. Daher sind als Gastargetfenster eine oder auch mehrere hinter einander angeordnete dünne Metallfolien, beispielsweise aus Mo lybdän, eingesetzt worden.Since in the commonly used energy range from 10 to 30 MeV already charged subatomic particles in matter partially lose their energy on short distances, the Wall thickness of the gas target window should be kept as thin as possible. Therefore, one or more are behind as the gas target window mutually arranged thin metal foils, for example made of Mo lybdenum.

Gastargetfenster aus dünnen Folien sind aus der DE 38 08 973 A1 bekannt.Gas target windows made of thin foils are from DE 38 08 973 A1 known.

Wegen der Wechselwirkung der subatomaren Teilchen mit dem Mate rial des Gastargetfensters entsteht Wärme, die bei den bekannten Gastargetfenstern hauptsächlich durch Wärmestrahlung und - in geringerem Umfang - durch Wärmeleitung vom Gastargetfenster zur Wand des Strahlrohres abgeleitet wird. Dennoch heizt sich das Gastargetfenster auf Temperaturen bis zu 800°C auf. Diese hohe thermische Beanspruchung verbunden mit der Strahlenbelastung führen dazu, daß die mittlere Lebensdauer solcher Metallfolien etwa aus Molybdän bei der Produktion von Jod-123 an einem Proto nen-Zyklotron bei limitierter Teilchenstromstärke auf ca. 100 Betriebsstunden begrenzt ist. Danach muß das Gastargetfenster gewechselt werden, wobei Kosten und Stillstandszeiten der Pro duktionseinrichtung in Kauf genommen werden müssen.Because of the interaction of the subatomic particles with the mate rial of the gas target window, heat is generated that in the known Gas target windows mainly through heat radiation and - in to a lesser extent - through heat conduction from the gas target window to Wall of the jet pipe is derived. Nevertheless, it heats up Gas target window to temperatures up to 800 ° C. This high thermal stress associated with radiation exposure cause the average lifespan of such metal foils for example from molybdenum in the production of iodine-123 on a proto NEN cyclotron with limited particle current strength to approx. 100 Operating hours is limited. Then the gas target window be changed, with costs and downtimes of the Pro production facility must be accepted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gastargetfenster und dessen Verwendung vorzuschlagen, bei dem die entstehende Wärmebelastung zuverlässig vermindert werden kann und das sich so konstruieren läßt, daß nur eine geringe Reduktion der Energie des einfallenden Teilchenstrahls auftritt.The invention has for its object a gas target window and to propose its use in which the resulting Heat load can be reliably reduced and that can be constructed so that only a slight reduction in energy of the incident particle beam occurs.

Die Aufgabe wird durch das in Patentanspruch 1 beschriebene Gastargetfenster und durch dessen Verwendung gemäß Patentan spruch 5 gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind bevorzugte Aus gestaltungen des Gastargetfensters angegeben.The object is achieved by that described in claim 1 Gas target window and through its use according to Patentan saying 5 solved. In the further claims are preferred Aus designs of the gas target window specified.

Erfindungsgemäß wird ein Gastargetfenster vorgeschlagen, das mit mindestens einem Kühlkanal versehen ist. Wenn ein einziger Kühl kanal vorgesehen ist, wird dieser Kühlkanal im Gastargetfenster vorzugsweise mäanderförmig gestaltet. Hierfür kann beispiels weise eine Folie mit einer mäanderförmigen Nut dicht auf eine zweite Folie aufgesetzt werden. Aus thermohydraulischen Gründen werden jedoch mehrere vorzugsweise parallele, gerade verlau fende, durchgehende Kühlkanäle bevorzugt. Derartige Gastarget fenster lassen sich aus zwei Folien aufbauen, wobei eine der beiden Folien mit mindestens einer, vorzugsweise jedoch mit meh reren Nuten versehen ist. Die zweite Folie wird in der Weise auf die mit Nuten versehene Seite der anderen Folie aufgesetzt, daß dadurch Kühlkanäle für das gewählte Kühlmedium entstehen. Statt der mit Nuten versehenen Folie könnte alternativ eine gewellte Folie eingesetzt werden. Eine solche Folie könnte auf beiden Seiten mit einer planaren Folie abgedeckt werden. Die Enden der parallelen Kühlkanäle werden in beiden Fällen dicht mit einer Kühlmittelzulauf- und mit einer Kühlmittelablaufleitung verbun den.According to the invention, a gas target window is proposed which is associated with at least one cooling channel is provided. If a single cooling channel is provided, this cooling channel in the gas target window preferably meandering. For example show a film with a meandering groove close to one second film are placed. For thermohydraulic reasons however, several, preferably parallel, are just left fende, continuous cooling channels preferred. Such a gas target windows can be constructed from two foils, one of which two films with at least one, but preferably with meh reren grooves is provided. The second slide is on in the way the grooved side of the other film put on that this creates cooling channels for the selected cooling medium. Instead of the grooved film could alternatively be a corrugated one Foil can be used. Such a slide could be on both Sides are covered with a planar film. The ends of the parallel cooling ducts become tight with one in both cases Coolant inlet and connected to a coolant drain line the.

Da das Gastargetfenster möglichst dünn gehalten werden soll, werden vorzugsweise Folien mit Dicken von 0,05 bis 0,5 mm einge setzt. Der hydraulische Durchmesser der Kühlkanäle kann im Be reich von 0,05 mm bis 0,5 mm liegen. Der hydraulische Durchmes ser ist das vierfache Verhältnis von Querschnittsfläche zu Quer schnittsumfang. Die Querschnittsform der Kühlkanäle ist von un tergeordneter Bedeutung und wird entsprechend dem gewählten Fertigungsverfahren gestaltet.Since the gas target window should be kept as thin as possible, foils with thicknesses of 0.05 to 0.5 mm are preferably inserted puts. The hydraulic diameter of the cooling channels can be in the loading range from 0.05 mm to 0.5 mm. The hydraulic diameter This is the fourfold ratio of cross-sectional area to cross cutting circumference. The cross-sectional shape of the cooling channels is un of secondary importance and is chosen according to the Manufacturing process designed.

Als Kühlmedium für die Gastargetfenster können Flüssigkeiten, z. B. Wasser oder auch flüssiger Stickstoff, eingesetzt werden.Liquids, e.g. B. Water or liquid nitrogen can be used.

Außerdem eignen sich Gase wie Stickstoff oder Helium als Kühlme dium.Gases such as nitrogen or helium are also suitable as cooling media dium.

Als Werkstoffe für das Gastargetfenster stehen mehrere Materia lien zur Verfügung. Das Gastargetfenster kann beispielsweise aus Nickel, Palladium, Edelstahl oder Molybdän gefertigt werden. Als Herstellungsverfahren eignet sich für Folien aus einem zerspan baren Material beispielsweise das in der DE 37 09 278 A1 be schriebene Verfahren, bei dem zur Herstellung von Nuten ein Formdiamant eingesetzt wird. Alternativ können die Nuten durch Funkenerodieren oder Ätzen hergestellt werden. Mit Nuten verse hene Folien aus Nickel lassen sich auch durch UV-Lithographie oder das sogenannte LIGA-Verfahren herstellen, wobei ein gegen UV- oder Röntgenstrahlen empfindlicher Kunststoff, der auf einem elektrisch leitenden Substrat aufgetragen ist, über eine Maske mit parallelen Schlitzen bestrahlt wird, wonach die bestrahlen streifenförmigen Bereiche durch Lösen mit einem geeigneten Ent wickler entfernt werden und die dadurch freigelegten Bereiche mit dem Substrat als Kathode mit Nickel aufgefüllt und überdeckt werden. Several materials are available as materials for the gas target window available. The gas target window can, for example, be off Nickel, palladium, stainless steel or molybdenum can be manufactured. As Manufacturing process is suitable for films from a machinable Bare material, for example, be in DE 37 09 278 A1 written method in which to produce grooves Shape diamond is used. Alternatively, the grooves can pass through Spark eroding or etching can be produced. With grooves verse foils made of nickel can also be removed by UV lithography or produce the so-called LIGA process, one against Plastic that is sensitive to UV or X-rays on a electrically conductive substrate is applied over a mask is irradiated with parallel slits, after which the irradiate strip-shaped areas by loosening with a suitable Ent winder and the areas exposed as a result filled with the substrate as a cathode with nickel and covered become.

Die Folien lassen sich durch Diffusionsschweißen oder Löten mit einander verbinden. Auf diese Weise lassen sich Gastargetfenster mit Kühlkanälen herstellen, die einem hohen Druck des Kühlmedi ums standhalten.The foils can be made by diffusion welding or soldering connect each other. In this way, gas target windows can be created with cooling channels that create a high pressure of the cooling medium to withstand.

Die Erfindung bietet gegenüber den konventionellen Gastargetfen stern eine Reihe von Vorteilen. Das Gastargetfenster weist im Betrieb je nach Durchflußmenge und Art des Kühlmediums eine ge ringere Temperaturerhöhung auf, woraus sich bei gleichem Teil chenstrom eine deutlich erhöhte Standzeit ergibt. Der Teilchen strom läßt sich andererseits bei Bedarf stark erhöhen, wodurch sich eine höhere Ausbeute bei der Radioisotopenherstellung er gibt. Wegen des geringeren Temperaturniveaus stehen andererseits Werkstoffe wie z. B. Edelstahl für das Gastargetfenster zur Verfügung, die sich bei konventionellen Gastargetfenstern nicht einsetzen lassen.The invention offers compared to conventional gas targets stern a number of advantages. The gas target window points in Operation depending on the flow rate and type of cooling medium ge lower temperature increase, which results in the same part chenstrom results in a significantly longer service life. The particle On the other hand, current can be greatly increased if necessary, whereby higher yield in radioisotope production gives. On the other hand, because of the lower temperature level Materials such as B. stainless steel for the gas target window That are not available with conventional gas target windows let insert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von drei Figuren näher erläutert. Es zeigenThe invention is illustrated below with the aid of three figures explained. Show it

Fig. 1 einen Folienstapel; Fig. 1 shows a sheet stack;

Fig. 2 den zwischen zwei Fassungsringe eingelöteten Foliensta pel; Fig. 2 pel soldered between two socket rings;

Fig. 3 eine vollständige Ausführungsform des Gastargetfensters in zwei Schnittdarstellungen. Fig. 3 shows a complete embodiment of the gas target window in two sectional views.

Fig. 1 zeigt eine strukturierten Edelstahlfolie 1, die auf einer Seite mit parallel verlaufenden Nuten mit rechteckigem Quer schnitt versehen ist, und einer darüber liegenden, unstruktu rierten, 0,05 mm dicken Deckfolie 2 aus Edelstahl. Für die Ver wendung von Wasser als Kühlmedium wurden in eine 0,2 mm dicke Folie Nuten mit einer Breite von 0,2 mm und einer Tiefe von 0,14 mm eingebracht. Die verbleibende Wandstärke am Nutgrund und zwi schen den Nuten beträgt 0,06 mm. Die beiden Folien werden durch Diffusionsschweißen zu einem Folienstapel 4 verbunden. Die so erzeugten rechteckigen, parallel angeordneten, zu den Stirnsei ten hin offenen Kanäle dienen als Kühlwasserkanäle 3. Fig. 1 shows a structured stainless steel sheet 1 , which is provided on one side with parallel grooves with a rectangular cross-section, and an overlying, unstructured, 0.05 mm thick cover sheet 2 made of stainless steel. For the use of water as a cooling medium, grooves with a width of 0.2 mm and a depth of 0.14 mm were made in a 0.2 mm thick film. The remaining wall thickness at the base of the groove and between the grooves is 0.06 mm. The two foils are connected by diffusion welding to form a foil stack 4 . The rectangular, parallel, thus generated channels open towards the front sides serve as cooling water channels 3 .

In einem weiteren Arbeitsschritt wird der diffusionsgeschweißte Folienstapel 4 zwischen zwei Fassungsringe 5a und 5b gelegt und mit diesen durch Löten verbunden. Fig. 2 zeigt den mit den Fas sungsringen 5a und 5b verlöteten Folienstapel nach der spanenden Bearbeitung der Zylindermantelflächen 6a und 6b der beiden Fas sungsringe 5a und 5b.In a further step, the diffusion-welded film stack 4 is placed between two mounting rings 5 a and 5 b and connected to them by soldering. Fig. 2 shows the with the Fas solution rings 5 a and 5 b soldered film stack after machining the cylinder jacket surfaces 6 a and 6 b of the two Fas solution rings 5 a and 5 b.

Das fertiggestellte Gastargetfenster ist in Fig. 3 dargestellt. Für den Einbau in eine Bestrahlungseinrichtung wird der Folien stapel 4 mit den Fassungsringen 5a und 5b in einen Flansch 7 eingebaut, in dem die Kühlwasserzu- und -ableitungen 8, 9 inte griert sind. In der Figur sind zwei Schnittdarstellungen ge zeigt. Der Flansch 7 dient als Aufnahme für den mit den Fas sungsringen 5a und 5b verlöteten Folienstapel 4 und verfügt über Bohrungen für die Kühlwasserzuführung 8 und die Kühlwasserablei tung 9, sowie über Hohlräume 10 für die Verteilung des Kühlwas sers am Eintritt in die Kühlwasserkanäle 3 und für die Sammlung des Kühlwassers 11 am Austritt aus den Kühlwasserkanälen 3. Für den dichten Abschluß der Kühlwasserhohlräume 10, 11 nach außen sorgen die Schweißnähte 12 an den Stirnseiten des Flansches 7.The completed gas target window is shown in Fig. 3. For installation in an irradiation device, the film stack 4 with the mounting rings 5 a and 5 b is installed in a flange 7 in which the cooling water supply and discharge lines 8 , 9 are integrated. In the figure, two sectional views are shown. The flange 7 serves as a receptacle for the stack of foils 5 a and 5 b soldered foil stack 4 and has holes for the cooling water supply 8 and the Kühlwasserabli device 9 , and cavities 10 for the distribution of the Kühlwas sers at the entrance to the cooling water channels 3rd and for the collection of the cooling water 11 at the outlet from the cooling water channels 3 . The weld seams 12 on the end faces of the flange 7 ensure that the cooling water cavities 10 , 11 are sealed off from the outside.

Claims

1. Gas target window that is provided with at least one cooling channel is that can be flowed through with a cooling medium.

2. gas target window according to claim 1 consisting of a first, verse on one side with at least one continuous groove the foil on the side with the groove second film is placed sealing.

3. Gas target window according to claim 1 or 2 with cooling channels whose hydraulic diameter in the range of 0.05 mm to 0.5 mm lies.

4. gas target window according to claim 2 or 3 with foils whose Thickness is in the range of 0.05 to 0.5 mm.

5. Use of the gas target window according to one of claims 1 to 4 in an irradiation device for separating a Jet tube from a target chamber, being in the jet tube subatomic particles through the gas target window a gas enclosed in the target chamber can be passed.