一种用于中子源的靶系统

技术领域

本发明属于中子物理及中子源技术领域，具体地说涉及一种用于中子源的靶系统。

背景技术

中子源是一个极其有用的核数据测量研究工具，可以为核天体物理研究、核能开发及引用提供所需的核数据测量，在中子照相、中子治疗及中子辐照效应(例如材料辐照损伤、生物效应等)等核技术方面有着广泛的应用。基于强流的电子直线加速器是采用高流强的电子束轰击高原子序数的辐射转化靶而产生高能的γ射线，高能的γ射线再次轰击辐射转化靶而产生中子。高能的电子束在轰击辐射转化靶时，几乎全部的电子束能量被沉积在靶体上，导致靶体温度瞬间升高，因此，需要对辐射转化靶进行冷却，避免发生靶体的熔化损坏，影响装置的稳定运行。同时，中子源中的辐射转化靶需要根据加速器电子束能量段高低而选择不同厚度的靶片，或者当靶寿命达到使用年限时，需要更换靶片。但是，被高能电子束轰击后的辐射转化靶、安装辐射转化靶的靶室乃至靶室内的所有物件被中子辐照后，均有可能具有感生放射性，操作人员短时间内无法进入靶室进行维护。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种用于中子源的靶系统，既能对辐射转化靶进行有效散热，提高辐射转化靶的束流耐受能力，又能实现远程自动化更换辐射转化靶，避免操作人员近距离接触而受到辐射损伤。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种用于中子源的靶系统，包括：

辐射转化靶，其靶体由多个靶片堆叠而成，相邻靶片之间形成供冷却液流通的靶片间隙；

靶冷却单元，其内部设有冷却液流通通道，所述辐射转化靶位于所述冷却液流通通道内部；

以及换靶单元，其将冷却液流通通道内的辐射转化靶移动至定位台上，所述定位台的两侧分别设有装靶组件以及卸靶组件，所述卸靶组件用于拆卸更换前的辐射转化靶，所述装靶组件用于安装更换后的辐射转化靶。

本技术方案进一步设置为，还包括辐射屏蔽层，所述辐射转化靶以及所述靶冷却单元位于所述辐射屏蔽层的内部，所述换靶单元位于所述辐射屏蔽层的上方。

本技术方案进一步设置为，所述辐射屏蔽层上设有电子束真空管道以及中子传输孔道，所述电子束真空管道对应所述辐射转化靶的前端设置，中子传输孔道对应所述辐射转化靶的后端设置。

本技术方案进一步设置为，沿着电子束流的传递方向，多个靶片的厚度按照由薄至厚的趋势变化。

本技术方案进一步设置为，所述靶冷却单元包括间隙配合的内壳体以及外壳体，所述内壳体的内部以及所述内壳体与所述外壳体之间的间隙构成所述冷却液流通通道，所述辐射转化靶位于所述内壳体的内部。

本技术方案进一步设置为，所述内壳体的顶部设有密封盘，所述密封盘的外圆周上设有相间隔的多个第一开槽，所述外壳体上套设有密封卡环，所述密封卡环的内圆周上相间隔的设有第二开槽，相邻的第二开槽之间设有楔形块，相邻2个第一开槽的间距小于第二开槽的槽长。

本技术方案进一步设置为，所述外壳体上设有驱动所述密封卡环沿着外壳体的中轴线转动的密封气缸。

本技术方案进一步设置为，所述换靶单元还包括起吊元件，所述起吊元件与所述内壳体连接，用于提升或降下辐射转化靶。

本技术方案进一步设置为，所述装靶组件、所述卸靶组件以及所述定位台共直线的设于可移动的托盘上，且所述装靶组件与所述定位台之间设有靶仓。

本技术方案进一步设置为，所述靶仓与所述装靶组件对应的侧面以及与所述卸靶组件对应的侧面均设有仓口，所述仓口处设有与所述靶仓可相对转动的仓门。

本发明的有益效果是：

1、靶体采用多个靶片组成叠片靶结构，冷却液可从相邻的靶片之间流通，以降低靶片温度，利于靶体散热。

2、按照靶体中电子束能量沉积密度变化趋势，靶片的厚度从薄到厚依次变化，使电子束能量沉积密度高的靶片得到更好的冷却，在保证高中子产额的同时，达到保护辐射转化靶的目的。

3、辐射转化靶位于冷却液流通通道内部，冷却液在靶片间隙中由上向下单向流动，以冷却、浸泡靶片的被轰击端面，保证对靶片进行完全冷却。

4、密封卡环在密封气缸驱动下旋转时，楔形块对密封盘施加作用力，以提高密封盘与外壳体之间的密封性，防止冷却液发生泄漏。

5、利用起吊元件、装靶组件以及卸靶组件实现远程自动化更换辐射转化靶，避免操作人员近距离接触而受到辐射损伤。

6、可适用于任何固体靶片材质的辐射转化靶，同时，也适用于多种放射性同位素药物生产靶的冷却，仅仅需要将安装孔内的辐射转化靶更换为性同位素药物生产所需的原料靶材即可，通用性强。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的整体结构纵向剖视图；

图3是本发明中辐射转化靶的示意图；

图4是本发明中靶冷却单元的示意图；

图5是图4中A-A剖视图；

图6是本发明中密封卡环的示意图；

图7是本发明中内壳体的示意图；

图8是本发明中托盘的示意图。

附图中：100-辐射转化靶、101-靶体、102-靶片、103-靶托、104-卡凸、200-靶冷却单元、201-外壳体、202-内壳体、203-密封卡环、204-密封气缸、205-进液管接头、206-出液管接头、207-冷却液注入腔、208-冷却液注入流通腔、209-冷却液输出流通腔、210-冷却液输出腔、211-第二开槽、212-上楔形块、213-下楔形块、214-密封盘、215-第一开槽、216-第一进出液密封盘、217-定位孔、218-安装孔、300-起吊元件、400-托盘、401-卸靶组件、402-装靶组件、403-定位台、404-靶仓、405-仓门、406-连接杆、407-仓门推动元件、500-辐射屏蔽层、501-电子束真空管道、502-中子传输孔道、600-起吊支架、700-换靶支架、800-屏蔽层支架。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1-图2所示，一种用于中子源的靶系统，包括辐射转化靶100、靶冷却单元200以及换靶单元，靶冷却单元200的内部设有冷却液流通通道，所述辐射转化靶100位于所述冷却液流通通道内部，所述辐射转化靶100以及所述靶冷却单元200位于辐射屏蔽层500的内部，辐射屏蔽层500位于屏蔽层支架800上方，所述换靶单元位于所述辐射屏蔽层500的上方，且换靶单元位于换靶支架700上方。

如图3所示，所述辐射转化靶100包括靶体101以及靶托103，靶体101由多个靶片102堆叠而成，相邻靶片102之间形成供冷却液流通的靶片间隙，冷却液可从相邻的靶片102之间流通，以降低靶片温度，利于靶体散热。

本技术方案进一步设置为，沿着电子束流的传递方向，多个靶片102的厚度按照由薄至厚的趋势变化。

值得说明的是，大功率的电子束轰击在靶体101上，其能量大部分都转换为热量沉积在靶体101上，仅有少部分能量通过γ射线和中子方式传递出去。根据电子束在靶体101上能量沉积密度分布规律，位于靶体101前端部分(先被电子束轰击的部分)的电子束能量沉积密度最高，位于靶体101后端部分(后被电子束轰击的部分)的电子束能量沉积密度逐渐降低，将靶体101切分为不同厚度，并依次按照从薄到厚间隙排列，目的是使靶体101中电子束能量沉积密度高的靶片102得到更好的冷却，降低靶片102工作温度，在保证高中子产额的同时，达到保护辐射转化靶100的目的。具体的，靶体101的总厚度由蒙卡计算的中子产额确定，中子产额最大时的厚度为靶体101的总厚度。单个靶片102的厚度由蒙卡计算的电子束能量沉积密度分布和热工计算的温度分布迭代优化得到。

本技术方案进一步设置为，所述靶片102的材料为钨，同时，所述靶片102的表面镀有耐腐蚀层，所述耐腐蚀层的材料为Cr-N、Cr-C或Cr-C-N。

值得说明的是，被电子束电离后的冷却液对靶片102具有一定的腐蚀性，在靶片102的外表面镀有耐腐蚀层，从而提高靶片102的耐腐蚀性以及耐磨性，提高辐射转化靶100的使用寿命。

本技术方案进一步设置为，所述靶托103的内部设有用于装载靶体101的容纳腔，沿着电子束流的传递方向，所述靶托103的前端以及后端设有与所述容纳腔相连通的贯通孔，保证电子束不会被靶托103所阻挡。

本技术方案进一步设置为，所述容纳腔的腔壁上设有多个凸出其表面的卡凸104，相邻的卡凸104之间形成容纳靶片102的卡槽。同时，所述靶托103的顶部设有安装口，所述靶托103的底部设有冷却液流通缝隙，所述冷却液流通缝隙与所述靶片间隙相连通。

也就是说，靶托103的前后贯通、上下贯通且左右封闭，冷却液在靶片间隙中由上向下单向流动，以冷却、浸泡靶片102的被轰击端面，保证对靶片102进行完全冷却，流经靶片102被轰击端面的冷却液经冷却液流通缝隙排出靶托103。

如图1和图2所示，所述辐射屏蔽层500上设有电子束真空管道501以及中子传输孔道502，所述电子束真空管道501对应所述辐射转化靶100的前端设置，保证对电子束无阻挡，中子传输孔道502对应所述辐射转化靶100的后端设置。

具体的，辐射屏蔽层500主要有γ射线屏蔽与中子屏蔽，γ射线屏蔽层主要采用铸铁和铅进行防护，中子屏蔽采用含硼聚乙烯吸收多余的中子，整个辐射屏蔽层500外形呈现六方形，几何中心掏孔以安装靶冷却单元200。

实施例二：

如图1、图4至图7所示，所述靶冷却单元200包括间隙配合的内壳体202以及外壳体201，所述内壳体202的内部以及所述内壳体202与所述外壳体201之间的间隙构成所述冷却液流通通道，所述辐射转化靶100位于所述内壳体202的内部。

具体的，所述外壳体201与所述内壳体202间隙配合以形成冷却液注入腔207、冷却液输出腔210以及冷却液输出流通腔209，内壳体202的顶部与冷却液注入腔207连通，其内部为冷却液注入流通腔208，辐射转化靶100位于冷却液注入流通腔208的底部。同时，所述冷却液注入腔207与所述冷却液输出腔210分隔设置，所述冷却液输出腔210通过所述冷却液输出流通腔209与所述冷却液注入流通腔208连通。也就是说，冷却液注入腔207、冷却液注入流通腔208、冷却液输出流通腔209以及冷却液输出腔210构成所述冷却液流通通道。

本技术方案进一步设置为，所述内壳体202为顶部封闭且底部敞口结构，其侧壁上开设有与所述冷却液注入腔207连通的进液孔，其底部开设用于放置所述辐射转化靶100的安装孔218。相对应的，所述外壳体201为顶部敞口且底部封闭结构，所述外壳体201的侧壁上设有正对所述安装孔218的电子束透过窗。此外，所述外壳体201上设有与所述冷却液注入腔207连通的进液管接头205以及与所述冷却液输出腔210连通的出液管接头206。

本技术方案进一步设置为，所述内壳体202的顶部设有密封盘214，所述密封盘214的外圆周上设有相间隔的多个第一开槽215，所述外壳体201上套设有密封卡环203，所述密封卡环203的内圆周上相间隔的设有第二开槽211，相邻的第二开槽211之间设有楔形块，具体的，楔形块包括上楔形块212以及下楔形块213，相邻2个第一开槽215的间距小于第二开槽211的槽长。

本技术方案进一步设置为，所述外壳体201上设有驱动所述密封卡环203沿着外壳体201的中轴线转动的密封气缸204。

值得说明的是，密封卡环203在密封气缸204驱动下旋转时，上楔形块212以及下楔形块213在密封卡环203的带动下旋转并对密封盘214施加作用力，以提高密封盘214与外壳体201之间的密封性，防止冷却液发生泄漏，达到水路密封的目的。

本技术方案进一步设置为，所述内壳体202上还设有第一进出液密封盘216，且所述第一进出液密封盘216位于所述进液孔的下方，所述第一进出液密封盘216上设有定位孔217。相对应的，所述外壳体201的内壁上设有用于承托所述第一进出液密封盘216的第二进出液密封盘，所述第二进出液密封盘上设有嵌入所述定位孔217的定位销。也就是说，第一进出液密封盘216与第二进出液密封盘相配合，以分隔冷却液注入腔207与冷却液输出腔210。

使用时，将内壳体202从外壳体201的顶部同轴地向下穿入，当定位销嵌入定位孔217时，使得内壳体202被精确定位在外壳体201的轴线上。启动密封气缸204，在密封气缸204的驱动下，密封卡环203发生旋转，从而实现进水水路的密封。同时，经过进液管接头205的冷却液注入冷却液注入腔207，透过进液孔流入到冷却液注入流通腔208，冷却液注入流通腔208内的冷却液被挤入靶片间隙内，辐射转化靶100上所沉积的热量在冷却液的作用下，被冷却液带走。从靶片间隙流出的冷却液射入到外壳体201内，然后经过冷却液输出流通腔209流入冷却液输出腔210，并流出出液管接头206，从而形成辐射转化靶100的冷却水路。

实施例三：

如图1、图5以及图8所示，所述换靶单元将冷却液流通通道内的辐射转化靶100移动至定位台403上，所述定位台403的两侧分别设有装靶组件402以及卸靶组件401，所述卸靶组件401用于拆卸更换前的辐射转化靶，所述装靶组件402用于安装更换后的辐射转化靶。

本技术方案进一步设置为，所述换靶单元还包括起吊元件300，所述起吊元件300与所述内壳体202连接，用于提升或降下辐射转化靶100。同时，起吊元件300架设于起吊支架600上，起吊支架600架设于换靶支架700上。

本技术方案进一步设置为，所述装靶组件402、所述卸靶组件401以及所述定位台403共直线的设于可移动的托盘400上，具体的，换靶支架700上设有移动导轨，托盘400在移动气缸的驱动下沿着移动导轨移动。优选的，所述装靶组件402、所述卸靶组件401以及所述定位台403均设有多个。

本技术方案进一步设置为，所述装靶组件402与所述定位台403之间设有靶仓404，所述靶仓404与所述装靶组件402对应的侧面以及与所述卸靶组件401对应的侧面均设有仓口，所述仓口处设有与所述靶仓404可相对转动的仓门405。

值得说明的是，卸靶组件401采用卸靶气缸，卸靶气缸伸长时，能够将更换前的辐射转化靶自安装孔218推移至靶仓404内部。相对应的，装靶组件402采用装靶气缸，装靶气缸伸长时，能够将更换后的辐射转化靶从另一靶仓404内部推移至安装孔218。

本技术方案进一步设置为，所述托盘400上还设有仓门推动元件407，所述仓门推动元件407通过连接杆406与所述仓门405传动连接。

值得说明的是，仓门推动元件407采用仓门推动气缸，仓门推动气缸的缸体端与托盘400连接，其活塞端通过连接件与连接杆406连接，所述连接杆406沿着托盘400移动的方向延伸，同时，连接杆406上开设U型安装口，仓门405通过提手安装于U型安装口内。具体的，所述仓门405、所述仓门405与所述靶仓404的连接点以及所述连接杆406与所述仓门405的连接点构成杠杆结构，且仓门405与所述靶仓404的连接点作为所述杠杆结构的支点。

使用时，启动起吊元件300以提升内壳体202，启动仓门推动元件407以打开仓门405。移动托盘400，将安装孔218内的辐射转化靶100对齐处于闲置状态的靶仓404，启动卸靶组件401，将更换前的辐射转化靶推移至该靶仓404内，卸靶组件401复位。再次移动托盘400，将安装孔218对齐放置有更换后的辐射转化靶的靶仓404，启动装靶组件402，将更换后的辐射转化靶推移至安装孔218内，装靶组件402复位。托盘400复位，起吊元件300将内壳体202以及更换后的辐射转化靶吊运至原始位置，然后安装至外壳体201的内部。启动仓门推动元件407，关闭仓门405，则完成了整个换靶动作。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。