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Beschreibung
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Die Erfindung betrifft eine rotierbare Targetanordnung für Teilchenbeschleuniger,
insbesondere rotierbare Tritium-Targetanordnung zum Erzeugen von Neutronenstrahlen,
mit einem im Querschnitt kreisrunden, um seine Mittelachse rotierbar gelagerten
sowie mit einem Drehantrieb verbindbaren und mittels Kühlflüssigkeit gekühlten Target.
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Rotierbare Targetanordnungen der genannten Art werden für verschiedene
Zwecke eingesetzt, wie für Werkstoffprüfungen bei Fusionsuntersuchungen und in der
Krebstherapie. Im Falle einer Tritium-Targetanordnung wird eine auf einer rotierbar
gelagerten Targetunterlage aufgedampfte Targetschicht, die beispielsweise aus Titan-Tritied
sein kann, mit Deuteronenstrahlen bombardiert, und die dabei ausgelöste Kernreaktion
T (d, n) He führt zum Freiwerden von Neutronen. Die von der Neutronenquelle nahezu
kugelsymmetrisch ausgehenden Neutronenstrahlen werden in der Krebstherapie durch
einen geeigneten Strahlenschutz abgeschirmt und können nur in Form eines möglichst
engen Neutronenstrahlenbündels durch einen Kanal in der Abschirmung austreten, um
zum Zerstören eines bösartigen Tumors auf diesen geleitet zu werden.
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In bekannter Weise werden derartige Targets in Form von in einem Targetgehäuse
rotierbar gelagerten Scheiben oder Zylindern ausgebildet. Eine aus der DE-PS 1 564
024 bekannte rotierbare Targetanordnung besitzt ein hohlzylindrisches Target, welches
stirnseitig von einer mit Kühlkanälen versehenen und mit einem Drehantrieb verbundenen
Scheibe gehalten wird. Die hohlzylindrische Targetschicht wird von außen bestrahlt,
und ein Probenhalter
kann von einer offenen Stirnseite in den Hohlzylinder
eingeführt werden. Bei dieser und anderen Targetanordnungen besteht ein erhebliches
Kühlungsproblem infolge einer großen thermischen Belastung der Targetschicht, die
insbesondere bei Fusionsuntersuchungen mit einer möglichst punktförmigen Strahlungsquelle
besondere Ausmaße annimmt. Aber auch in der Krebstherapie sind kleine Strahlquerschnitte
mit dem zwangsweisen Ergebnis einer großen thermischen Flächenbelastbarkeit erwünscht,
damit die Neutronenquelle klein wird. Diese großen thermischen Probleme sind mit
rotierbaren Targets besser zu bewältigen als mit stationären Targets, da dem Ionenstrahl
ständig neue Targetbereiche zum Erzeugen von Neutronenstrahlen zugewandt werden.
Allerdings bestehen auch bei rotierbaren Targets erhebliche Kühlungsprobleme, die
nicht mit von Kühlflüssigkeit durchströmten Kühlkanälen in einem stirnseitigen Targethalter,
wie bei der vorbekannten Anordnung aus der DE-PS 1 564 024 beschrieben, gelöst werden
können, da die an der Targetoberfläche erzeugte Wärme über die Stirnseite nur unzureichend
abgeführt werden kann.
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Ferner wurde bereits vorgeschlagen, ein hohlzylindrisches, aufrecht
stehendes, rotierbares Target dadurch zu kühlen, daß eine Kühlflüssigkeit unmittelbar
auf die Innenseite des Hohlzylinders aufgebracht wird. Das Aufbringen erfolgt an
der Oberseite des Targets, und die Kühlflüssigkeit soll längs der inneren Oberfläche
nach unten strömen, um an der Unterseite abgenommen zu werden. Dieses Vorgehen hat
sich ebenfalls als relativ unzweckmäßig erwiesen, da sich an der innenseitigen Target-Oberfläche
ein am Strömen gehinderter, angepreßter sowie gegenüber der Oberfläche im wesentlichen
stationärer, thermisch isolierender Kühlflüssigkeitsfilm ergibt, und zwar aufgrund
der beim Rotieren
des Targets auf die Kühlflüssigkeitspartikel ausgeübten
erheblichen Zentrifugalkräfte. Diese isolierende und eine wirksame Kühlung unterbindende
Störschicht kann auch durch HilfsmaBnahmen nicht abgelöst werden. Deshalb ist auch
ein derartiges Target auf eine Anwendung bei kleinen thermischen Belastungen der
Targetschicht bzw. auf große lonenstrahlquerschnitte beschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine rotierbare Targetanordnung
der im Oberbegriff genannten Art unter Vermeidung der geschilderten Nachteile und
mit einfachen Mitteln so aus zubilden, daß stets, also unabhängig von den Betriebszuständen
sowie der Baugröße, eine einwandfreie und leistungsfähige Kühlungsmöglichkeit gewährleistet
ist.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe zeichnet sich eine rotierbare Targetanordnung
der im Oberbegriff genannten Art erfindungsgemäß durch ein rotierbares Target mit
einer in Form einer Konusmantelschicht ausgebildeten, gut wärmeleitenden sowie mittels
auf ihre Innenseite aufzubringender Kühlflüssigkeit zu kühlenden Targetunterlage
und mit einer darauf befindlichen, zu bestrahlenden, äußeren Targetschicht aus.
Die erfindungsgemäße Targetanordnung ermöglicht durch die Innenkühlung der hohlkonusförmigen
Targetunterlage eine äußerst wirksame Kühlung, da die auf die Kühlflüssigkeitspartikel
einwirkenden Fliehkräfte stets eine Kraftkomponente in Längsrichtung der Konusmantelschicht
haben und dadurch eine intensive Strömung des Kühlmediums zwangsläufig herbeiführen.
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Aus diesem Grunde können sich keine thermisch isolierenden, in bezug
auf die Targetunterlage stationären Kühlmedium-Grenzschichten ausbilden, so daß
die Kühlflüssigkeit an jedem Oberflächenbereich
laufend erneuert
werden kann. Dieser kontinuierliche Kühlflüssigkeitstransport längs der innenseitigen
Oberfläche der Targetunterlage ist grundsätzlich unabhängig von der lagemäßigen
Anordnung des Targets, wobei jedoch im Falle einer von oben nach unten durch das
Target erfolgenden Strömung diese zusätzlich von dem Schwerkrafteinfluß begünstigt
wird. Während im Falle eines zylindrischen Targets die Kühlmediurnströmung und demnach
die Kühlwirksamkeit durch Ausbilden von ruhenden Grenzschichten mit zunehmender
Drehzahl und größer werdendem Radius, d. h. mit Zunahme der Fliehkraft, abnimmt,
wird bei der erfindungsgemäßen Targetanordnung die Kühlung mit zunehmenden Fliehkräften
verbessert. Dieses ist ein entscheidender Vorteil, da rotierbare Targets bei der
heutigen Bestrahlungstechnik in zunehmendem Maße mit großen Drehzahlen und erheblichen
thermischen Flächenbelastungen betrieben werden, die durch die hochwirksame erfindungsgemäße
Kühlung unproblematisch sind. Außerdem ermöglicht die vorliegende Erfindung eine
weitere Verkleinerung von Targetanordnungen, da die extrem gute Kühlwirksamkeit
eine Vergrößerung der thermischen Flächenbelastung und eine Verminderung des Strahlquerschnittes
zuläßt.
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An sich genügt es bei der erfindungsgemäßen Targetanordnung, die Kühlflüssigkeit
in irgendeiner Weise auf die Innenseite der Targetunterlage aufzubringen, beispielsweise
durch ein Besprühen derselben. Vorzugsweise zeichnet sich jedoch die Targetanordnung
durch eine Kühlflüssigkeitszufuhr zum Aufbringen der Kühlflüssigkeit auf die innenseitige
Konusoberfläche der Targetunterlage an derem querschnittsverminderten Endbereich
und durch eine Kühlflüssigkeitsableitung zum Ableiten der Kühlflüssigkeit von der
innenseitigen Konusoberfläche der Targetunterlage an derem querschnittserweiterten
Endbereich
aus. Dieses hat den Vorteil, daß die gesamte Konusoberfläche gleichmäßig von Kühlflüssigkeit
überströmt wird und einfache Mittel zum Zuführen sowie Ableiten des Kühlmediums
verwendbar sind.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus,
daß das Target in einem Targetgehäuse rotierbar sowie axial verschiebbar gelagert
und mit einem Verschiebemechanismus verbunden ist. Dadurch kann das Target dem Deuteronenstrahl
mit in Axialrichtung unterschiedlichen Oberflächenbereichen ausgesetzt werden, was
zu einer erheblichen Standzeit infolge der vergrösserten Targetoberfläche führt.
Der Verschiebemechanismus kann von Hand betätigbar ausgebildet sein, um individuell
die erwünschten Oberflächenbereiche dem Deuteronenstrahl auszusetzen.
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Der Verschiebemechanismus kann jedoch auch selbsttätig arbeitend sein
und demnach nach Auslösung automatisch arbeiten, um ein gleichförmiges Bestrahlen
der Targetoberfläche zu ermöglichen und Bedienungsfehler zu vermeiden. Dabei kann
es äußerst vorteilhaft sein, den Verschiebemechanismus mit dem Drehantrieb für das
Target zu koppeln. Dieses ist zum gleichmäßigen Ausnutzen der Targetoberfläche insbesondere
dann zwechmäBig, wenn der Drehantrieb mit unterschiedlichen Drehzahlen betrieben
wird.
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Eine bevorzugte praktische Ausführungsform zeichnet sich durch eine
mit dem Inneren des stirnseitig geschlossenen Targets strömungsmäßig verbundene,
die Kühlflüssigkeit führende, das Target rotierbar und verschiebbar lagernde hohle
Targetwelle aus. Diese kann selbst rotierbar und verschiebbar in einem Targetgehäuse
gelagert sein oder für eine auf ihr erfolgende entsprechende Lagerung des Targets
sorgen. Sie ermöglicht ein leichtes Zu- und
Abführen der zweckmäßigerweise
ständig zu erneuernden Kühlflüssigkeit.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Inneren des
Targets ein den Kühlflüssigkeitsstrom auf die innenseitigen konischen Randbereiche
der Targetunterlage begrenzender Einsatz angeordnet. Vorzugsweise ist der rotierbare
Einsatz mit dem Target und/oder der Targetwelle verbunden oder mit einem gesonderten
Rotierantrieb verbindbar. Stattdessen kann der Einsatz auch stationär sein, wozu
er mit einer durch die hohle Targetwelle geführten Einsatzachse verbunden sein kann.
Der sich im Inneren des Targets befindliche Einsatz ermöglicht in einfacher Weise
und unabhängig von dem betriebszustandsabhängigen Fliehkrafteinfluß ein gezieltes
Leiten der Kühlflüssigkeit über die gesamte innere Oberfläche der Targetunterlage.
Ein dreh- bzw. rotierbarer Einsatz hat den Vorteil, daß die Kühlflüssigkeit im Bereich
der Kühlflüssigkeitszufuhr durch Zentrifugalwirkung leichter auf die Oberfläche
der Targetunterlage strömen kann. Wenn der Einsatz zusammen mit dem Target rotiert,
ergibt sich der weitere Vorteil, daß im gesamten Strömungsbereich innerhalb des
Targets eine optimale Kühlflüssigkeitsmitnahme in Umfangsrichtung erfolgt, was zu
einer besonders guten, fliehkraftbedingten Förderwirkung längs der Targetunterlage
führt. Andererseits kann ein relativ zum Target gleichsinnig oder gegenläufig rotierbarer
Einsatz oder auch ein stationärer Einsatz vorteilhaft sein, wenn dieser zusätzlich
in noch näher zu erläuternder Weise als Pumpkörper ausgebildet wird. Für diese Fälle
ermöglicht die halternde Einsatzachse einen von dem eigentlichen Target losgelösten
Betriebszustand des Einsatzes.
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Vorzugsweise besitzt das Target einen relativ hierzu rotierbaren sowie
in diesem angeordneten, die Kühlflüssigkeit von der Targetunterlage weitgehend abstreifenden
und aus dem Target herausfördernden Pumpkörper. Dieser kann bis zu einem geringen
Abstand von der Targetunterlage vorstehende Schaufeln aufweisen.
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Der Pumpkörper begünstigt die Abnahme der Kühlflüssigkeit von der
Targetunterlage sowie ein Herausfördern aus dem Target und verhindert einen sich
von der Kühlflüssigkeitsableitung rückwärts zur Kühlflüssigkeitszufuhr ausbildenden
Flüssigkeitsstau.
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Vorzugsweise ist der stationäre oder mit einem Rotierantrieb verbindbare
Pumpkörper an einer durch eine hohle Targetwelle nach außen geführten Achse gehalten.
Dadurch kann der Pumpkörper unabhängig vom Target und unter Berücksichtigung der
jeweiligen Betriebsverhältnisse bedarfsgerecht betrieben werden. Im Falle des Vorliegens
eines relativ zum Target rotierbaren Einsatzes, der beispielsweise stationär sein
kann, ist der Pumpkörper vorzugsweise als Umfangsteil dieses Einsatzes ausgebildet.
Dadurch können zusätzliche Einbauglieder vermieden werden.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist es bevorzugt, daß zur Kühlflüssigkeitszufuhr
ein im Inneren des Targets befindliches und hiermit verbundenes, die zugeführte
Kühlflüssigkeit in Richtung zur Targetunterlage nach außen zentrifugierendes Wasserleitgebilde
vorzusehen ist. In diesem Fall kann das Target im übrigen hohl und somit leicht
sein. Da die Kühlflüssigkeit allein durch den Fliehkrafteinfluß an der innenseitigen
Oberfläche der Targetunterlage verbleibt und in Längsrichtung derselben strömt,
sind grundsätzlich keine weiteren Elemente erforderlich, die die Kühlflüssigkeit
auf der inneren Konusoberfläche halten.
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Für die Fälle, bei denen keine Proben in den Innenbereich des Targets
eingebracht werden müssen, also beispielsweise in der Krebstherapie, ist es bevorzugt,
das Target mit einer von beiden geschlossenen Stirnseiten vorstehenden und hiermit
verbundenen, hohlen Targetwelle auszubilden. Dieses führt bei einfachem sowie preiswertem
Aufbau zu einem sehr stabilen und leicht zu lagernden Gebilde.
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Bei Werkstoffuntersuchungen in der Fusionsforschung ist es vielfach
erwünscht, die zu bestrahlende Probe nahe an die Neutronenquelle und folglich in
den Innenbereich des Targets einzubringen.
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Für diese Anwendungsfälle zeichnet sich eine rotierbare Targetanordnung
in weiterer Ausgestaltung vorzugsweise durch eine von der querschnittsverminderten,
geschlossenen Stirnseite des Targets vorstehende hohle Targetwelle mit zwei konzentrisch
angeordneten Hohlwellen aus, von denen die äußere mit dieser Stirnseite und die
innere mit einem kanalbildenden, dünnwandigen Konusglied verbunden ist, welches
unter geringem Abstand von der Targetunterlage verläuft und mit einer von der querschnittserweiterten
Stirnseite des Targets topfförmig eingezogenen, dünnwandigen Konuswandung einen
zur inneren Hohlwelle führenden Kühlwasser-Rücklaufkanal bildet. Die Probe kann
dann im Innenbereich der topf förmig eingezogenen Konuswandung angeordnet werden,
um von der Neutronenquelle lediglich durch die Targetunterlage, das Konusglied,
die Konuswandung und zwei Kühlwasserschichten getrennt zu sein. Damit eine hochwirksame
Bestrahlung möglich ist, sollte der Abstand zwischen der Targetschicht und der mit
Neutronen zu bestrahlenden Probe möglichst klein sein. In jedem Fall ermöglicht
diese Targetanordnung unter Beibehaltung der
hochwirksamen Kühlung
mit relativ einfachen Mitteln und auf hochwirksame Weise auch ein Bestrahlen von
in den Innenbereich einzubringenden Proben.
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Vorzugsweise ist hierbei die innere Hohlwelle stationär oder zur äußeren
Hohlwelle gegenläufig rotierbar ausgebildet. Außerdem ist bevorzugt, daß das Konusglied
in seinem der querschnittserweiterten Target-Stirnseite gegenüberliegenden Bereich
als ein die Kühlflüssigkeit von der Targetunterlage abstreifender und aus dem Target
fördernder Pumpkörper ausgebildet ist. Hierdurch können die Kühlflüssigkeit in dem
Kühlwasser-Rücklaufkanal sicher aus dem Target gefördert und eine Staubildung im
Bereich zwischen der Targetunterlage sowie dem Konusglied vermieden werden. Da die
innere Hohlwelle von der äußeren Hohlwelle unabhängig antreibbar ist, kann der Betriebszustand
des Pumpkörpers den jeweiligen Betriebsverhältnissen angepaßt werden.
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In weiterer Ausgestaltung ist hierbei ein radial innerhalb der topfförmig
eingezogenen Konuswandung befindlicher, mit einem in diesem Bereich ebenfalls topfförmig
eingezogenen Targetgehäuse verbundener, radial verstellbar ausgebildeter Probenhalter
vorgesehen. Dieser ermöglicht insbesondere in Verbindung mit einem axial verschiebbaren
Target, daß der Abstand zwischen der Neutronenquelle und der zu bestrahlenden Probe
stets auf einem Minimum gehalten werden kann, was wegen der konischen Ausbildung
des Targets bei dessen axialer Verschiebung im Falle eines stationären Probenhalters
nicht der Fall wäre. Bei einer einfachen praktischen Ausführungsform ist hierbei
ein von Hand betätigbarer Verstellmechanismus für den Probenhalter vorgesehen. Um
jedoch einen hierfür erforderlichen Bedienungsaufwand und ferner
gegebenenfalls
zu Schäden führende Bedienungsfehler zu vermeiden, ist es bevorzugt, einen mit dem
Verschiebemechanismus für das axiale Verstellen des Targets gekoppelten und einen
minimalen Abstand zwischen der Konuswandung sowie dem Probenhalter aufrechterhaltenden
Verstellmechanismus vorzusehen. Dieser gewährleistet bedienungsunabhängig stets
optimale und gleichbleibende Bestrahlungsverhältnisse.
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Um beispielsweise für die Krebstherapie günstige Bestrahlungsverhältnisse
des Tumorbereiches zu erzielen und vermeidbare Neutronenabsorptionen in dem konischen
Target zu vermeiden, ist es günstig, das Target in dem Targetgehäuse gegenüber dem
Deuteronenstrahl bzw. einem Anschlußflansch zum Verbinden mit einer Deuteronenstrahl-Quelle
schwenkbar auszubilden. Zu diesem Zweck ist es bevorzugt, das Targetgehäuse über
ein Federrohr mit einem Anschlußflansch flexibel zu verbinden. Dadurch kann das
Targetgehäuse unabhängig von der Deuteronenstrahl-Quelle im erforderlichen Ausmaß
geschwenkt werden.
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Besonders günstige bauliche Verhältnisse ergeben sich auch dadurch,
daß in weiterer Ausgestaltung die Stirnseiten des Targets vorzugsweise mittig eingebuchtet
ausgebildet sind. Damit kann zumindest ein Teil des freien Innenraums des Targets
beispielsweise für Lagerungszwecke ausgenutzt werden, um eine möglichst kleine Bauform
zu erzielen. Zu diesem Zweck ist es ferner bevorzugt, vom Targetgehäuse in das Innere
desselben vorstehende Lager für die Targetwelle vorzusehen. Unabhängig davon, ob
das Target axial festgelegt oder axial verstellbar ist, können die Lager zumindest
in den Grenzlagen in die Einbuchtungen eingreifen, so daß sich das Targetgehäuse
um die Lagerlänge verkürzen
läßt. Die kompakte Bauform führt überdies
zu einem stabileren Aufbau.
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Eine weitere Ausgestaltung zeichnet sich ferner vorzugsweise durch
an der äußeren Oberfläche der Targetunterlage verteilt ausgebildete, oberflächenvergrößernde
Vertiefungen oder Erhöhungen aus. Diese können beispielsweise in Form von Verzahnungen,
Nuten, Rippen, Riffelungen oder dergleichen in Längs- und/oder in Umfangsrichtung
ausgebildet sein. Durch die Oberflächenvergrößerung der Targetunterlage ergibt sich
auch eine Vergrößerung der aufzudampfenden Targetschicht. Dieses führt in Verbindung
mit der hochwirksamen erfindungsgemäßen Kühlung zu einer wesentlich größeren Standzeit
des Targets.
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Insgesamt ergibt sich nach der vorliegenden Erfindung ein Target,
das unter Vermeidung jeglicher Kühlungsprobleme ein Ausweiten der bisher möglichen
Betriebsverhältnisse ermöglicht, wie größere Drehzahlen sowie Targetradien und stärkere
thermische Flächenbelastungen. Die Kühlung ist im wesentlichen unabhängig von der
Schwerkraft, weshalb das Target in praktisch beliebiger Lage eingesetzt werden kann.
Es ist äußerst vielseitig einsetzbar und bezüglich des Herstellungsaufwandes mit
bekannten Anordnungen vergleichbar. Hinsichtlich der Kühlungserfordernisse liegt
sogar ein im Vergleich zu bekannten Anordnungen verminderter Aufwand in Verbindung
mit einem besseren Kühlungsergebnis vor.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Hinweis auf zeichnerisch dargestellte
Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 - eine erste Ausführungsform
einer rotierbaren Targetanordnung nach der vorliegenden Erfindung mit einem sich
im Inneren befindlichen Einsatz,
Figur 2 - eine zweite Ausführungsform
einer rotierbaren Targetanordnung nach der vorliegenden Erfindung mit einem sich
im Inneren befindlichen Wasserleitgebilde sowie einem Pumpkörper und Figur 3 - eine
dritte Ausführungsform einer rotierbaren Targetanordnung nach der vorliegenden Erfindung
mit einer einseitigen Targetwelle und einer innenseitigen Bestrahlungsmöglichkeit.
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Gemäß Figur 1 besitzt eine rotierbare Targetanordnung 10 ein im vorliegenden
Fall kegelstumpfförmiges Target 12 mit einer ringförmig konischen Targetunterlage
14 und einer darauf außen aufgedampften Targetschicht 16. Die Targetunterlage 14
soll gut wärmeleitend sein und besteht im allgemeinen aus Kupfer. Im Hinblick auf
eine gute Wärmeleitung ist sie zweckmäßigerweise relativ dünnwandig. Bei der vorliegenden
Ausführungsform befinden sich am querschnittsverminderten Endbereich der Targetunterlage
14 eine innenseitige Kühlflüssigkeitszufuhr 18 und am querscnnittserweiterten Endbereich
der Targetunterlage 14 eine innenseitige Kühlflüssigkeitsableitung 20. Die Kühlflüssigkeit
wird von einem im Inneren des Targets 12 befindlichen Einsatz 22 auf einen an die
innenseitige Oberfläche der Targetunterlage 14 angrenzenden konischen Ringkanal
24 beschränkt. Der Einsatz 22 ist über nicht näher bezeichnete Stege mit dem Target
12 verbunden. Dieses besitzt an der Eintrittsseite der Kühlflüssigkeit eine stirnseitig
vorstehende und mit der geschlossenen, vorzugsweise eingebuchtet ausgebildeten Stirnseite
verbundene, hohle Targetwelle 26. An der Austrittsseite des Targets 12 ist dieses
mit einer stirnseitig vorstehenden, hohlen Targetwelle 32 ausgebildet, die mit der
vorzugsweise eingebuchteten Stirnseite strömungsmäßig verbunden ist.
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Die hohlen Targetwellen 26, 32 sind in einem das Target 12 umgebenden
Targetgehäuse 34 zumindest rotierbar, vorzugsweise zusätzlich auch axial verschiebbar
gelagert, und zwar mittels eines Lagers 36 im Bereich der Targetwelle 26 und eines
Lagers 38 im Bereich der Targetwelle 32. Im vorliegenden Fall sorgen diese Lager
36, 38 für ein rotierbares und axial verschiebbares Halten des Targets 12.
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Die Kühlflüssigkeit gelangt durch die eintrittsseitige Targetwelle
26, bei einer aufrechtstehenden Anordnung unter dem Einfluß der Schwerkraft und
des Flüssigkeitsdrucks, in einen sich anschließenden,konusförmigen Zuflußkanal 28
zwischen der Stirnseite des Targets 12 und der angepaßten Stirnseite des Einsatzes
22. In diesem Zuflußkanal 28 wird die Kühlflüssigkeit zentrifugierend nach außen
gedrückt, und zwar insbesondere dann, wenn der Einsatz 22 wie im vorliegenden Fall
mit dem Target 12 rotiert. Dadurch gelangt die Kühlflüssigkeit zu der Kühlflüssigkeitszufuhr
18 im Bereich des querschnittsverminderten Endbereichs der Targetunterlage 14. Von
dort strömt die Kühlflüssigkeit in dem Ringkanal 24 in Richtung zur Kühlflüssigkeitsableitung
20, und zwar ausschließlich oder zumindest zusätzlich unter dem Einfluß der auf
die Kühlflüssigkeit einwirkenden Zentrifugalkraft, die stets eine Kraftkomponente
in Längsrichtung des Ringkanals 24 hat. Im Bereich der Kühlflüssigkeitsableitung
20 wird die Kühlflüssigkeit mittels eines Pumpkörpers und/oder durch Absaugen durch
einen konusförmigen Abflußkanal 30 zwischen der an dieser Stelle befindlichen Stirnseite
des Targets 12 und der angepaßt geformten Stirnseite des Einsatzes 22 in die auslaßseitige
Targetwelle 32 gefördert.
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Das Targetgehäuse 34 ist im Bereich seiner Lager 36 und 38 stirnseitig
eingebuchtet ausgebildet, so daß die Lager in den axialen Grenzlagen des in Doppelpfeilrichtung
verschiebbaren Targets 12 in dessen stirnseitigen Einbuchtungen zu liegen kommen.
Dadurch ergibt sich eine verminderte Baulänge der Targetanordnung 10.
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Das Targetgehäuse 34 ist ferner über ein flexibles Federrohr 40, wie
ein Wellrohr, mit einem Flansch 42 verbunden, der zum Anschließen der Targetanordnung
10 beispielsweise an eine Deuteronenstrahl-Quelle dient. Diese erzeugt Deuteronenstrahlen
Z, welche auf die Targetschicht 16 auftreffen und an diesen Bereichen Neutronenstrahlen
erzeugen.
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Die Targetanordnung 10 ist im vorliegenden Fall im Bereich der einlaßseitigen
Targetwelle 26 mit einem an das Targetgehäuse 34 angeflanschten Rotierantrieb 44
versehen, der ein rotierendes Antreiben des Targets 12 unter Beibehaltung seiner
axialen Verschiebbarkeit ermöglicht. Bei der dargestellten Ausführungsform wird
die Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser, in Pfeilrichtung A über einen Kühlflüssigkeitszulauf
46 sowie den Rotierantrieb 44 in die hohle Targetwelle 26 geleitet.
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An der anderen Stirnseite des Targetgehäuses 34 ist im Bereich der
Targetwelle 32 ein Verschiebemechanismus 48 vorgesehen, der im vorliegenden Fall
von Hand betätigbar und mit einer Handkurbel 50 versehen ist. Bei der dargestellten
Ausführungsform gelangt die Kühlflüssigkeit aus der hohlen Targetwelle 32 über diesen
Verschiebemechanismus 48 und einen hieran angeschlossenen Kühlflüssigkeitsablauf
52 in Pfeilrichtung B nach außen. Wenn es erwünscht ist, kann die Targetanordnung
10 auch mit einem automatisch arbeitenden Verschiebemechanismus versehen werden,
der
überdies mit dem Rotierantrieb zusammenarbeiten und an derselben
Targetstirnseite wie dieser angeordnet sein kann. Die Kühlflüssigkeit kann unter
Druck oder weitgehend drucklos durch das Target 12 geleitet werden, wobei im letztgenannten
Fall dafür zu sorgen ist, daß die Kühlflüssigkeit von der Kühlflüssigkeitsableitung
20 zum Auslaß gefördert wird.
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Gemäß Figur 2 besitzt eine der Ausführungsform aus Figur 1 weitgehend
entsprechende rotierbare Targetanordnung 60 ein rotierbar sowie axial verschiebbar
gelagertes, kegelstumpfförmiges Target 62 mit einer ringförmig konischen Targetunterlage
14 mit einer darauf außen aufgedampften Targetschicht 16. Wie bei der Ausführungsform'aus
Figur 1 sind eine Kühlflüssigkeitszufuhr 18 im querschnittsverminderten Endbereich
und eine Kühlflüssigkeitsableitung 20 im querschnittserweiterten Endbereich der
Targetunterlage 14 vorgesehen. Im Unterschied zu der ersten Ausführungsform fehlt
bei der Ausführungsform aus Figur 2 ein Einsatz und ein hierdurch begrenzter Ringkanal
im Bereich der inneren Oberfläche der Targetunterlage 14.
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Wie bei der Ausführungsform aus Figur 1 sind bei der Ausführungsform
aus Figur 2 einlaß- und auslaßseitige hohle Targetwellen 26 und 32 vorhanden, die
mit den eingebuchteten Stirnseiten des Targets 62 strömungsmäßig verbunden sind.
Die Targetwelle 26 führt zu einem konusförmigen Zuflußkanal 28 zwischen der engeren
Stirnseite des Targets 62 und einem mit dem Target 62 mitdrehbar verbundenen Wasserleitgebilde
66, welches ähnlich wie die querschnittsverminderte Stirnseite des Einsatzes 22
aus Figur 1 dafür sorgt, daß die Kühlflüssigkeit durch den Zuflußkanal 28 in Richtung
zur Targetunterlage 14 nach außen zentrifugiert wird. Nach
dem
Auftreffen auf die Targetunterlage wird die Kühlflüssigkeit durch die Zentrifugalwirkung
dazu gezwungen, axial zur Targetunterlage 14 zu strömen. Infolge der Zentrifugalwirkung
muß für die Kühlflüssigkeit keine innenseitige Begrenzung durch den ringförmigen
Strömungsraum längs der Targetunterlage 14 vorgesehen werden. Wenn die Kühlflüssigkeit
die Kühlflüssigkeitsableitung 20 am Ende der Targetunterlage 14 erreicht, wird sie
durch einen konusförmigen Abflußkanal 30 in das Innere der ausgangsseitigen Targetwelle
32 gepumpt, um dann nach außen abzufließen. Diesen Pumpvorgang bewirkt eine an eine
zum Target 62 relativ rotierbaren konischen Scheibe 68 umfangsmäßig angebrachter
Pumpkörper 70, der beispielsweise bis in den unmittelbaren Oberflächenbereich der
Targetunterlage 14 vorstehende Schaufeln haben kann.
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Im vorliegenden Fall ist die konische Scheibe 68 mit einer Achse 69
verbunden, die durch die auslaßseitige Targetwelle 32 geführt und in nicht dargestellter
Weise außen stationär festgelegt oder passend angetrieben ist. Der Pumpkörper 70,
der auch bei der Ausführungsform aus Figur 1 am Umfang des dortigen Einsatzes 22
angebracht sein kann, sorgt dafür, daß kein sich von der Kühlflüssigkeitsableitung
her aufbauender Rückstau in dem Target 62 entstehen kann und ein ständiger Kühlflüssigkeitsdurchlauf
gewährleistet ist. Die Targetwellen 26 bzw. 32 sind wie bei der Ausführungsform
aus Figur 1 in Lagern 36 bzw. 38 des Targetgehäuses 34 rotierbar und axial verschiebbar
gelagert. Im Bereich dieser Lager 36 und 38 ist das Targetgehäuse 34 stirnseitig
eingebuchtet, so daß die stirnseitigen Einbuchtungen des Targets 62 in den Grenzlagen
desselben die Lager 36, 38 raumsparend umfassen. Auch hier ist das Targetgehäuse
34 über ein flexibles Federrohr 40, wie ein Wellrohr, schwenkbar mit einem Flansch
42 verbunden, der
zum Anschließen der Targetanordnung 60 an eine
Deuteronenstrahl-Quelle dient.
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Wie bei Figur 1 dient auch bei Figur 2 ein der Targetwelle 26 zugeordneter
Rotierantrieb 44 zum rotierbaren Antreiben des Targets 62, während ein der Targetwelle
32 zugeordneter Verschiebemechanismus 48 mit einer Handkurbel 50 zum axialen Verschieben
des Targets 62 bestimmt'ist. Die Kühlflüssigkeit wird in Pfeilrichtung A über den
Kühlflüssigkeitszulauf 46 sowie den Rotierantrieb 44 durch das Target 62 geleitet
und über den Verschiebemechanismus 48 sowie den Kühlflüssigkeitsablauf 52 in Pfeilrichtung
B abgeführt.
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Im Unterschied zur Ausführungsform aus Figur 1 ist der Verschiebemechanismus
48 gemäß Figur 2 mit einem Verschiebeantrieb 64 verbunden, der dafür sorgt, daß
das axiale Verschieben des Targets 62 nach Einschalten automatisch erfolgt. Im vorliegenden
Fall kann beim Schließen eines Schalters S über eine Verbindungsleitung a eine Kopplung
zwischen dem Rotierantrieb 44 und dem Verschiebeantrieb 64 hergestellt werden, um
die Verschiebegeschwindigkeit des Targets 62 von seiner Drehzahl abhängig zu machen.
Ohne eine derartige Kopplung könnte es sein, daß bei einer Fehlbedienung und einer
verminderten Drehzahl eine zu große Verschiebegeschwindigkeit mit dem Ergebnis vorliegt,
daß die Targetschicht 16 nicht optimal abgetastet wird. Bei der Ausführungsform
aus Figur 2 kann insbesondere im Falle einer aufrechten Anordnung des Targets 62
ein druckloses Hindurchleiten von Kühlflüssigkeit erfolgen, da nach dem Durchströmen
der Targetwelle 26 bis zur Kühlflüssigkeitsableitung 20 ein fliehkraftbedingter
Zwangsströmungsvorgang vorliegt und anschließend ein
Abpumpen mittels
des Pumpkörpers 70 erfolgt. Auch hierbei können der Verschiebemechanismus 48 und
der Verschiebeantrieb 64 unmittelbar mit dem Rotierantrieb 44 gekoppelt und an einer
Stirnseite des Targetgehäuses 34 angeordnet sein.
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Die Ausführungsform aus Figur 3 dient zum Bestrahlen von in den Innenbereich
einer Targetanordnung 80 einzubringenden Proben P.
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Bei dieser Ausführungsform besitzt ein in Form eines hohlen Kegelstumpfes
ausgebildetes Target 82 eine ringförmig konische Targetunterlage 84 mit einer darauf
außen aufgebrachten Targetschicht 86. Die Targetunterlage 84 ist über eine querschnittsverminderte
Stirnseite (nicht bezeichnet) mit einer äußeren Hohlwelle 88 einer konzentrischen
Targetwellenanordnung verbunden.
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Eine die äußere Targetwelle 88 konzentrisch durchsetzende innere Targetwelle
90 ist mit einem kanalbildenden Konusglied 104 verbunden, welches sich innerhalb
der Targetunterlage 84 unter Abstand hiervon und parallel hierzu erstreckt. Das
Konusglied 104 ist möglichst dünnwandig ausgebildet und trägt an seinem der Kühlflüssigkeitsableitung
20 benachbarten Ende einen Pumpkörper 106, der wie bei Figur 2 bis nahezu zur Targetunterlage
84 vorstehende Schaufeln haben kann. Die Kühlflüssigkeit strömt aus der äußeren
Hohlwelle 88 durch den konusförmigen Zuflußkanal 28 zwischen der engeren Stirnseite
des Targets 82 und einer Stirnseite des Konusgliedes 104 in einen wie bei Figur
1 ringförmig begrenzten Kühlflüssigkeit-Ringkanal 24 unter der Targetunterlage 84,
um am Ende des Ringkanals 24 von dem Pumpkörper 106 abgepumpt zu werden.
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Das Target 86 besitzt im Unterschied zu den Ausführungsformen aus
den Figuren 1 und 2 eine von der querschnittserweiterten
Stirnseite
ausgehende, topf förmig sehr stark eingezogene Konuswandung 108, die an einer inneren
Begrenzungswand 112 endet. Die Konuswandung 108 verläuft etwa parallel zur Targetunterlage
84 und in möglichst geringem Abstand hiervon. Zwischen dem Konusglied 104 und der
Konuswandung 108 befindet sich ein Rücklaufkanal 110, in den die Kühlflüssigkeit
von dem Pumpkörper 106 über den Abflußkanal 30 gefördert wird. Der Rücklaufkanal
110 befindet sich über einen scheibenförmigen Verbindungskanal im Bereich der Begrenzungswand
112 mit dem Inneren der Hohlwelle 90 in Strömungsverbindung. Demnach strömt die
Kühlflüssigkeit unter der Targetunterlage 84 zur Kühlflüssigkeitsableitung 20, um
von dort durch den Rücklaufkanal 110 und die innere Hohlwelle 90 zurückgepumpt zu
werden.
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Das Target 82 befindet sich im Inneren eines Targetgehäuses 92, welches
an seiner einen Stirn seite ein Lager 36 zum rotierbaren und verschiebbaren Lagern
des Targets 82 bzw. seiner äußeren Hohlwelle 88 besitzt. Die innere Hohlwelle 90
ist in nicht dargestellter Weise ebenfalls gelagert, und zwar so, daß sie relativ
zur äußeren Hohlwelle 88 rotierbar ist und aber keine Axialverschiebung relativ
zur äußeren Hohlwelle 88 ausführen kann.
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Diese Lagerung der inneren Hohlwelle 90 kann in einem stirnseitig
an das Targetgehäuse 62 angeflanschten Rotierantrieb 94 erfolgen, welcher dafür
sorgt, daß die äußere Hohlwelle 88 rotiert oder stationär gehalten wird. Bei der
vorliegenden Ausführungsform erfolgt ferner die Kühlflüssigkeitsleitung über den
Rotierantrieb 94, und zwar in Pfeilrichtung A über einen Kühlflüssigkeitszulauf
96 in die äußere Hohlwelle -88 und aus der inneren Hohlwelle 90 über einen Kühlflüssigkeitsablauf
98 in Pfeilrichtung B.
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Das Targetgehäuse 92 ist wie bei den Ausführungsformen aus den Figuren
1 und 2 über ein flexibles Federrohr 40, wie ein Wellrohr, schwenkbar mit einem
Flansch 42 verbunde der zum Anschließen der Targetanordnung 80 an eine Deuteronenstrahl-Quelle
dient. Außerdem besitzt das Targetgehäuse 92 im Unterschied zu den Figuren 1 und
2 an seiner dem Rotierantrieb 94 abgewandten Stirnseite eine konusförmige Einbuchtung
114, über die die zu bestrahlende Probe P möglichst nahe an die Neutronenquelle
herangebracht werden kann. Hierzu dient ein Probenhalter 116, der über ein längenverstellbares
bzw. dehnbares Federrohr, wie ein Wellrohr, mit der Einbuchtung 114 verbunden ist.
Ein von Hand zu betätigender oder wie im vorliegenden Fall automatischer Verstellantrieb
120 ermöglicht ein radiales Verstellen der Lage des Probenhalters 116. Daher kann
zwischen der Neutronenquelle und der Probe P stets ein minimaler Abstand aufrecht
erhalten werden, und zwar auch dann, wenn beispielsweise das dargestellte Target
82 aus der dargestellten Position mittels eines Verschiebemechanismus 100 nach oben
verstellt wird. Dieser Verschiebemechanismus 100 besitzt gemäß Darstellung eine
Handkurbel 102 und kann bei Einschalten des mit dem Rotierantrieb 94 gekoppelten
Schalters S1 auch selbsttätig in Abhängigkeit von der Drehzahl des Rotierantriebes
94 arbeiten, wie es bereits im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben wurde. Beim
axialen Verschieben des Targets 82 ist es aber erforderlich, den Probenhalter 116
nachzuführen und möglichst nahe an die Konuswandung 108 zu bringen. Zu diesem Zweck
ist der Verstellantrieb 120 über eine Leitung b und einen Schalter S2 mit dem Verschiebemechanismus
100 verbunden, also betriebsmäßig gekoppelt. Beim Betrieb dieser Targetanordnung
können somit die Verschiebungsvorgänge des Targets 82 und die Verstellvorgänge
des
Probenhalters 116 wahlweise automatisch und in Abhängigkeit von der Funktion des
Rotierantriebs 94 durchgeführt werden.
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Die verschiedenen konischen Targets nach der vorliegenden Erfindung
können beispielsweise einen mittleren Radius von etwa 50 mm sowie eine Konizität
(Winkel zwischen Mittellinie bzw. Rotierachse und Konusmantellinie) von wenigstens
etwa 3 bis 50 haben und mit einer Drehzahl von etwa 1000 Umdrehungen pro Minute
betrieben werden.
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Die dargestellten Ausführungsformen sind beispielhaft, und es können
im Rahmen der vorliegenden Erfindung zahlreiche Detailänderungen vorgenommen werden.
Wichtig ist jedoch in allen Fällen, daß die konische Targetunterlage und damit die
Targetschicht in optimaler Weise gekühlt werden, da sich in Längsrichtung der Targetunterlage
eine fliehkraftbedingte Zwangs strömung der Kühlflüssigkeit, beispielsweise Wasser,
ergibt. Es können sich an der innenseitigen Oberfläche der Targetunterlage keine
thermisch isolierenden, anhaftenden Kühlflüssigkeitsgrenzschichten bilden, da die
fliehkraftbedingte Zwangsströmung ein Aufbauen derartiger Grenzschichten verhindert.
Damit läßt sich die erfindungsgemäße Targetanordnung auch für sehr große thermische
Belastungen und hohe Drehzahlen anwenden.