RU194635U1

RU194635U1 - DEVICE FOR COOLING A TON OF A PROTON ACCELERATOR TARGET

Info

Publication number: RU194635U1
Application number: RU2019127296U
Authority: RU
Inventors: Сергей Артурович Никитин; Михаил Андреевич Маслов; Татьяна Николаевна Постнова; Николай Васильевич Сквороднев; Никита Игоревич Бычков; Андрей Сергеевич Власов
Priority date: 2019-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2019-12-18

Abstract

Полезная модель относится к устройству охлаждения мишеней для получения радиоактивных нуклидов, используемых в ядерной медицине. Устройство содержит насадку струйного обдува, выполненную в виде вертикального параллелепипеда с фланцем в нижней части. Внутри насадки струйного обдува расположены вертикальные каналы – передний, средний и задний, при этом сверху насадки струйного обдува с помощью пазового соединения и винта прикреплена мишенная камера, в которой выполнена вертикальная выемка прямоугольного сечения в горизонтальной плоскости с округлым основанием. В основании выполнены каналы, соединяющие внутренний объем мишенной камеры и каналы насадки струйного обдува, спереди в вертикальной выемке выполнено прямоугольное окошко, сверху мишенной камеры с помощью винта установлена крышка, нижняя часть которой выполнена округлой и вместе с округлым основанием выемки образует цилиндрическую поверхность, ответную по форме цилиндрической поверхности мишени, но большего диаметра. Причем средний канал сообщается с объемом вокруг цилиндрической поверхности и выводным каналом, передний канал сообщается с объемом окошка перед мишенью, а задний канал ограничен перегородками и соединяется с выводным каналом. Техническим результатом является повышение эффективности отведения тепла от мишени, упрощение конструкции устройства. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.The utility model relates to a target cooling device for producing radioactive nuclides used in nuclear medicine. The device comprises a jet nozzle made in the form of a vertical parallelepiped with a flange in the lower part. There are vertical channels inside the jet nozzle — front, middle, and rear, and a target chamber is mounted on top of the jet nozzle using a slot connection and a screw, in which a vertical recess of a rectangular section in a horizontal plane with a rounded base is made. At the base there are channels connecting the internal volume of the target chamber and the channels of the jet blower nozzle, a rectangular window is made in front of the vertical recess, a cover is installed on top of the target chamber with a screw, the lower part of which is rounded and together with the rounded base of the recess forms a cylindrical surface responding to the shape of the cylindrical surface of the target, but with a larger diameter. Moreover, the middle channel communicates with the volume around the cylindrical surface and the output channel, the front channel communicates with the volume of the window in front of the target, and the rear channel is limited by partitions and is connected to the output channel. The technical result is to increase the efficiency of heat removal from the target, simplifying the design of the device. 1 s.p. f-ly, 4 ill.

Description

Полезная модель относится к устройствам охлаждения мишеней для получения радиоактивных нуклидов, используемых в ядерной медицине. [G21G 1/00, Н05Н13/00]The utility model relates to target cooling devices for producing radioactive nuclides used in nuclear medicine. [G21G 1/00, H05H13 / 00]

Из уровня техники известен ВЫСОКОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР [US 4666651 (A), опубл. 19.05.1987 г.], содержащий источник заряженных частиц с уровнем энергии, равным по меньшей мере 15 МэВ, мишень, состоящую из двух элементов дейтерида лития, толщина которых такова, что под воздействием заряженных частиц образуются нейтроны с энергией до 15 МэВ, в основном в прямом направлении, и целевое охлаждающее устройство для циркуляции газа, который не вступает в химическую реакцию с дейтеридом лития. The prior art known high-energy neutron generator [US 4666651 (A), publ. 05/19/1987], containing a source of charged particles with an energy level of at least 15 MeV, a target consisting of two lithium deuteride elements whose thickness is such that neutrons with energies up to 15 MeV are formed under the influence of charged particles, mainly in the forward direction, and the target cooling device for circulating a gas that does not chemically react with lithium deuteride.

Недостатком данного аналога является использование воздушного охлаждения для отведения тепла от мишени, которое характеризуется небольшой удельной мощностью теплоотвода на единицу площади, что препятствует использовать известное техническое решение с источниками заряженных частиц с энергией 70 и более МэВ. The disadvantage of this analogue is the use of air cooling to remove heat from the target, which is characterized by a small specific heat sink per unit area, which prevents the use of the known technical solution with sources of charged particles with an energy of 70 or more MeV.

Также из уровня техники известен НЕЙТРОНОПРОДУЦИРУЮЩИЙ МИШЕННЫЙ УЗЕЛ С МИШЕНЬЮ, ПЕРЕМЕЩАЕМОЙ ОТНОСИТЕЛЬНО ПОТОКА ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ - ПРОТОНОВ, ГЕНЕРИРУЕМЫХ УСКОРИТЕЛЕМ [US 4582667 (A), опубл. 15.04.1986 г.], содержащий подвижную мишень с активным материалом, на котором производится ядерная реакция, выполненную в форме вращающегося диска, корпус для размещения мишени с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также привод мишени в движение и устройства ее охлаждения, при этом для охлаждения непосредственно в мишени выполняется разветвленная сеть охлаждающих каналов.Also known in the prior art is a NEUTRON-PRODUCING TARGET ASSEMBLY WITH A TARGET, MOVED RELATING TO THE FLOW OF CHARGED PARTICLES — PROTONS, GENERATED BY AN ACCELERATOR [US 4582667 (A), publ. 04/15/1986], containing a movable target with active material on which a nuclear reaction is performed in the form of a rotating disk, a housing for placing the target with an input window designed to enter charged particles from the accelerator, and with an output collimating window designed for neutron output, as well as driving the target into motion and its cooling devices, while for cooling directly in the target an extensive network of cooling channels is performed.

Недостатком данного аналога является то, что охлаждение ведется через тело мишени, т.е. недостаточно эффективно. Кроме того, при больших мощностях технологически достаточно сложно организовать охлаждение большой площади активного материала. The disadvantage of this analogue is that cooling is carried out through the target body, i.e. not effective enough. In addition, at high capacities it is technologically difficult to organize the cooling of a large area of the active material.

Наиболее близким по технической сущности является НЕЙТРОНОПРОДУЦИРУЮЩИЙ МИШЕННЫЙ УЗЕЛ ДЛЯ ИСТОЧНИКА НЕЙТРОНОВ НА ОСНОВЕ УСКОРИТЕЛЯ [RU 2282908 C2, опубл. 23.07.2005 г.], содержащий мишень из активного материала, на котором производится ядерная реакция, корпус для размещения мишени с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя, и с выходным коллимирующим окном, предназначенным для вывода нейтронов, а также устройство для приведения мишени во вращательное движение и средство ее охлаждения , отличающийся тем, что мишень выполнена в виде тонкостенной оболочки вращения, диаметр которой существенно больше размеров входного окна, при этом полость корпуса, в которой размещена мишень, заполнена охлаждающей средой и снабжена средством, препятствующим попаданию охлаждающей среды из полости корпуса в объем входного окна.The closest in technical essence is the NEUTRON-PRODUCING TARGET NODE FOR THE NEUTRON SOURCE BASED ON THE ACCELERATOR [RU 2282908 C2, publ. July 23, 2005], containing a target from the active material on which the nuclear reaction is carried out, a housing for placing the target with an input window designed to enter charged particles from the accelerator, and with an output collimating window designed to output neutrons, and also a device for bringing the target into rotational motion and means for cooling it, characterized in that the target is made in the form of a thin-walled shell of revolution, the diameter of which is significantly larger than the dimensions of the input window, while the cavity of the body, in which the size The target is filled with a cooling medium and equipped with a means to prevent the cooling medium from entering the body cavity into the volume of the inlet window.

Основной технической проблемой прототипа является использование специальных устройств, реализующих перемещение рабочего тела мишени и потока частиц с целью повышения эффективности отведения тепла от мишени, что обуславливает увеличение конструктивной сложности устройства и снижение надежности использования. Кроме того, вращение мишени, выполненной в виде тонкостенной оболочки вращения недостаточно эффективно позволяет устранять эффект пленочного кипения, который снижает эффективность теплопередачи от мишени к окружающей ее жидкости. The main technical problem of the prototype is the use of special devices that implement the movement of the working fluid of the target and particle flow in order to increase the efficiency of heat removal from the target, which leads to an increase in the structural complexity of the device and a decrease in reliability of use. In addition, the rotation of the target, made in the form of a thin-walled shell of revolution, does not effectively eliminate the effect of film boiling, which reduces the efficiency of heat transfer from the target to the surrounding fluid.

Техническим результатом полезной модели является повышение эффективности отведения тепла от мишени, упрощение конструкции устройства. The technical result of the utility model is to increase the efficiency of heat removal from the target, simplifying the design of the device.

Указанный технический результат полезной модели достигается за счет того, что устройство для охлаждения мишени протонного ускорителя, содержащее мишенную камеру с входным окном, предназначенным для ввода заряженных частиц от ускорителя и устройство жидкостного охлаждения, отличающееся тем, что дополнительно содержит насадку струйного обдува, выполненную в виде вертикального параллелепипеда с фланцем в нижней части, внутри насадки струйного обдува расположены вертикальные каналы – передний, средний и задний, при этом сверху насадки струйного обдува с помощью пазового соединения и винта прикреплена мишенная камера, в которой выполнена вертикальная выемка прямоугольного сечения в горизонтальной плоскости с округлым основанием, в котором выполнены каналы, соединяющие внутренний объем мишенной камеры и каналы насадки струйного обдува, спереди в вертикальной выемке выполнено прямоугольное окошко, сверху мишенной камеры с помощью винта установлена крышка, нижняя часть которой выполнена округлой и вместе с округлым основанием выемки образует цилиндрическую поверхность, ответную по форме цилиндрической поверхности мишени, но большего диаметра, при этом средний канал сообщается с объемом вокруг цилиндрической поверхности и выводным каналом, передний канал сообщается с объемом окошка перед мишенью, а задний канал ограничен перегородками и соединяется с выводным каналом. The specified technical result of the utility model is achieved due to the fact that the device for cooling the target of the proton accelerator, containing the target chamber with an input window designed to enter charged particles from the accelerator and a liquid cooling device, characterized in that it further comprises a jet nozzle made in the form a vertical parallelepiped with a flange in the lower part, inside the jet nozzle there are vertical channels - front, middle and rear, while on top of the nozzle with the help of a slotting connection and a screw, a target chamber is attached in which a vertical recess of a rectangular section in the horizontal plane with a rounded base is made, in which channels are made connecting the internal volume of the target chamber and the channels of the jet blower nozzle, a rectangular window is made in front of the vertical recess, on top of the target chamber, a screw is installed with a screw, the lower part of which is rounded and together with the rounded base of the recess forms a cylindrical surface a response corresponding to the shape of the cylindrical surface of the target, but of a larger diameter, with the middle channel communicating with the volume around the cylindrical surface and the output channel, the front channel communicating with the volume of the window in front of the target, and the rear channel is bounded by partitions and connected to the output channel.

В частности, мишень выполнена в виде таблетки.In particular, the target is in the form of a tablet.

Осуществление полезной модели.Implementation of a utility model.

Краткое описание чертежей. A brief description of the drawings.

На фиг.1 показан вид сбоку в разрезе устройства для охлаждения мишени протонного ускорителя.Figure 1 shows a side view in section of a device for cooling a target of a proton accelerator.

На фиг.2 показан разрез А-А устройства для охлаждения мишени протонного ускорителя.Figure 2 shows a section aa of the device for cooling the target of the proton accelerator.

На фиг.3 показан разрез Б-Б устройства для охлаждения мишени протонного ускорителя.Figure 3 shows a section BB of the device for cooling the target of the proton accelerator.

На фиг.4 показан разрез В-В устройства для охлаждения мишени протонного ускорителя.Figure 4 shows a section BB of a device for cooling a target of a proton accelerator.

На фигурах обозначено: 1 – насадка струйного обдува, 2 – фланец, 3 – вертикальные каналы в насадке струйного обдува, 4 – пазовое соединение между насадкой струйного обдува и мишенной камерой, 5 – винты, 6 – мишенная камера, 7 – вертикальная выемка в мишенной камере, 8 – округлое основание в вертикальной выемке, 9 – каналы в основании выемки мишенной камеры, 10 – прямоугольное окошко в вертикальной выемке, 11 – крышка, 12 – мишень, 13 – спиральный канал в таблетке мишени, 14 – теплоотводной канал, 15 – дополнительная труба в крышке, 16 – перегородки в канале насадки струйного обдува, 17 – выводной канал. The figures indicate: 1 — jet blower nozzle, 2 — flange, 3 — vertical channels in the jet blower nozzle, 4 — groove connection between the jet blower nozzle and the target chamber, 5 — screws, 6 — target chamber, 7 — vertical recess in the target chamber, 8 — a rounded base in a vertical recess, 9 — channels at the base of the recess of the target chamber, 10 — a rectangular window in a vertical recess, 11 — a cover, 12 — a target, 13 — a spiral channel in a target tablet, 14 — heat removal channel, 15 — additional pipe in the cover, 16 - partitions in k the jet nozzle; 17 - outlet channel.

Устройство для охлаждения мишени протонного ускорителя содержит насадку струйного обдува 1, выполненную в виде вертикального параллелепипеда с фланцем 2 в нижней части. Внутри насадки струйного обдува 1 расположены 3 вертикальных канала 3 – передний, средний и задний, при этом сверху насадки струйного обдува 1 с помощью пазового соединения 4 и винта 5 прикреплена мишенная камера 6, в которой выполнена вертикальная выемка 7 прямоугольного сечения в горизонтальной плоскости с округлым основанием 8, в котором выполнены каналы 9, сообщающие внутренний объем мишенной камеры 6 и каналы 3 насадки струйного обдува 1. Спереди в вертикальной выемке 6 выполнено прямоугольное окошко 10. Сверху мишенной камеры с помощью винта 5 установлена крышка 11, нижняя часть которой выполнена округлой и вместе с округлым основанием 8 выемки 7 образует цилиндрическую поверхность, ответную по форме цилиндрической поверхности мишени 12, но большего диаметра. A device for cooling a target of a proton accelerator comprises a jet blower nozzle 1 made in the form of a vertical parallelepiped with a flange 2 in the lower part. Inside the nozzle of the jet blower 1, there are 3 vertical channels 3 — front, middle and rear, with a target chamber 6 attached to the top of the nozzle of the jet blower 1 by means of a groove connection 4 and screw 5, in which a vertical recess 7 of a rectangular cross section is made in a horizontal plane with a rounded a base 8, in which channels 9 are made, communicating the internal volume of the target chamber 6 and channels 3 of the nozzle of the jet blower 1. In front of the vertical recess 6 there is a rectangular window 10. On top of the target chamber using wines 5 and the cover 11 is installed, the lower portion of which is formed with a rounded and rounded base 8 of the recess 7 forms a cylindrical surface, cylindrical surfaces mating in shape of the target 12, but of larger diameter.

Мишень 12 может быть выполнена в виде таблетки, при этом внутри таблетки мишени 12 может дополнительно иметь спиральный канал 13 и теплоотводной канал 14. Мишень 12 может быть выполнена, например, в виде прессованных таблеток из RbCl или электролитически нанесенного на медную подложку металлического таллия. После облучения мишень 12 извлекается.The target 12 can be made in the form of a tablet, while inside the tablet, the target 12 can additionally have a spiral channel 13 and a heat sink channel 14. The target 12 can be made, for example, in the form of pressed RbCl tablets or metal thallium deposited on a copper substrate. After irradiation, target 12 is removed.

Средний канал 9 также сообщается с объемом вокруг цилиндрической поверхности мишени 12 и выводными каналами 17.The middle channel 9 also communicates with the volume around the cylindrical surface of the target 12 and the output channels 17.

Передний канал 3 сообщается с объемом окошка 10 перед мишенью 12 (см. Фиг.1 и Фиг.2). The front channel 3 communicates with the volume of the window 10 in front of the target 12 (see Figure 1 and Figure 2).

Задний канал 3 ограничен перегородками 16, которые ограждают его от выводных полостей 17 (см. Фиг.4). The rear channel 3 is limited by partitions 16, which protect it from the output cavities 17 (see Figure 4).

Устройство для охлаждения мишени протонного ускорителя работает следующим образом. A device for cooling a target of a proton accelerator operates as follows.

Перед использованием насадку струйного обдува 1 через фланец 2 устанавливают на коллекторе подвода воды винтами в корпусе мишенной станции (на чертежах не указаны). Before use, the jet nozzle 1 through the flange 2 is installed on the water supply manifold with screws in the body of the target station (not shown in the drawings).

После этого в вертикальной выемке 7 устанавливают мишень 12, закрывают крышку 11 и фиксируют ее винтом 5. Мишень 12 устанавливают таким образом, чтобы средний канал 3 насадки струйного обдува сообщался с выводным каналом 17.After that, the target 12 is mounted in the vertical recess 7, the lid 11 is closed and fixed with a screw 5. The target 12 is mounted so that the middle channel 3 of the jet blower nozzle communicates with the output channel 17.

Затем мишенную станцию заполняют водой. Then the target station is filled with water.

Перед облучением мишени 12 через коллектор в каналы 3 насадки струйного обдува 1 начинают подавать поток воды. Before irradiating the target 12 through the collector into the channels 3 of the nozzle of the jet blower 1 begin to supply a stream of water.

Во время облучения мишень 12 начинает интенсивно выделять тепло, которое отводят раздельными потоками воды (на чертежах указаны линиями со стрелками):During the irradiation, the target 12 begins to intensively generate heat, which is removed by separate streams of water (indicated in the drawings by lines with arrows):

- через передний канал 3 насадки струйного обдува 1 отводят тепло от передней поверхности мишени 12 (см. Фиг.2);- through the front channel 3 of the jet nozzle 1, heat is removed from the front surface of the target 12 (see Figure 2);

- через средний канал 3 насадки струйного обдува 1 отводят тепло от цилиндрической поверхности мишени 12 (см. Фиг.3);- through the middle channel 3 nozzles of the jet blower 1 remove heat from the cylindrical surface of the target 12 (see Figure 3);

- через задний канал 3 насадки струйного обдува 1 отводят тепло от задней поверхности мишени 12 (см. Фиг.4). - through the rear channel 3 nozzles of the jet blower 1 remove heat from the rear surface of the target 12 (see Figure 4).

При наличии в таблетке мишени 12 спирального канала 13, через теплоотводной канал 14 также выводят внутреннее тепло мишени через трубу 15, дополнительно выполненную в крышке.If the target 12 of the spiral channel 13 is present in the tablet, the internal heat of the target is also removed through the heat sink channel 14 through the pipe 15, additionally made in the lid.

Интенсивный нагрев мишени 12 при ее нагреве приводит к образованию пузырьков на ее поверхности, которые снимаются указанными выше принудительными потоками воды, что обеспечивает устойчивый режим пузырькового кипения и высокую эффективность отведения тепла.Intensive heating of the target 12 during its heating leads to the formation of bubbles on its surface, which are removed by the above forced flows of water, which ensures a stable regime of bubble boiling and high efficiency of heat removal.

Указанный технический результат достигается за счет принудительного омывания/обдува охлаждающей жидкостью передней, задней и цилиндрической поверхностей мишени 12, что обеспечивает высокоэффективный теплоотвод и препятствует образованию пленочного кипения. При этом конструкция заявленного технического решения не содержит вращающихся частей и является достаточно простой. The specified technical result is achieved due to forced washing / blowing with coolant of the front, rear and cylindrical surfaces of the target 12, which provides highly efficient heat dissipation and prevents the formation of film boiling. Moreover, the design of the claimed technical solution does not contain rotating parts and is quite simple.

Claims

1. A device for cooling a target of a proton accelerator, comprising a target chamber with an input window for inputting charged particles from the accelerator and a liquid cooling device, characterized in that it further comprises a jet blower nozzle made in the form of a vertical parallelepiped with a flange in the lower part, inside vertical channels — front, middle, and rear — are located on the jet nozzle, with the target attached to the top of the jet nozzle using a slot connection and screw a chamber in which a vertical recess of rectangular cross section is made in a horizontal plane with a rounded base in which channels connecting the internal volume of the target chamber and the nozzles of the jet blower are made, a rectangular window is made in front of the vertical recess, a cover is installed on top of the target chamber with a screw, the bottom part of which is made round and together with the round base of the recess forms a cylindrical surface that is responsive in shape to the cylindrical surface of the target, but with a larger diameter and, wherein the average volume of the channel communicates with the cylindrical surface and around the excretory duct, the front passage communicates with the volume before the target window, and the rear channel is defined by the partitions and is connected to the excretory duct.

2. The device according to claim 1, characterized in that the target is made in the form of a tablet.