CN108827994B - 一种车载加速器中子源固态锂靶*** - Google Patents

一种车载加速器中子源固态锂靶*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种车载加速器中子源固态锂靶***，包括冷却部，冷却部的正面设置有第一凹槽，其中，第一凹槽的底部设置有衬底夹层，衬底夹层表面的中心位置处设置有靶材料层，其中，靶材料层的上表面覆盖有密封薄膜，冷却部内设置有流通有冷却剂的冷却流道，该***能够避免氢鼓包的产生，并且冷却能力较优，出射中子的速度及产额较好。

Description

一种车载加速器中子源固态锂靶***
技术领域
本发明属于车载加速器技术领域，涉及一种车载加速器中子源固态锂靶***。
背景技术
中子无损检测是一种优良的无损检测技术。中子不带电、穿透性强，能分辨同位素、轻元素及近邻元素，穿过被测物体后，物体结构的不同或材料的差异会对其造成不同强度的衰减。对透过的中子强度分布进行探测，即可得到物体的内部结构和材料分布等信息。加速器中子源是一种通过加速器加速带电粒子，使带电粒子轰击靶产生中子的中子产生装置，如果能将加速器中子源小型化实现车载，则可以非常方便地在所希望的工作现场开展中子无损检测工作，实现对桥梁、大坝、隧道、飞机、火箭、油气管道等内部结构的缺陷检查，管道内的流动监测以及***物的检测分析等用途。
实现车载加速器中子源的可能方法主要有：使用电子直线加速器加速电子到一定能量轰击靶材，通过光核反应产生中子；加速氘核轰击含氘或含氚靶材通过D-D或D-T反应产生中子；如专利文献(PCT国际专利公开第WO20140010704A1号)记载，加速质子轰击铍靶或者锂靶产生中子。考虑到中子产额、放射性辐射以及整个加速器中子源的体积和重量，通过低能质子直线加速器加速质子到数MeV(比如4MeV以下)轰击铍靶或者锂靶是车载加速器中子源的理想方案。靶***是车载加速器中子源的核心部分，其性能和运行寿命直接决定了整套中子源设备的使用效果和安全性。在4MeV以下的低能质子区，锂靶具有明显高于铍靶的中子产额，是车载质子直线加速器中子源最具有竞争力的靶***靶材候选。
目前国际上对于小型质子直线加速器中子源的靶***已经进行了较为广泛而深入的研究。以色列希伯来大学M.Paul等在文献(Halfon S,Paul M,Arenshtam A,etal.High-power liquid-lithium target prototype for accelerator-based boronneutron capture therapy[J].Applied Radiation&Isotopes Including DataInstrumentation&Methods for Use in Agriculture Industry&Medicine,2011,69(69):1654-6.)中就提出了通过循环***中电磁感应泵抽送实现液态锂靶的方案。在束流轰击位置以弧形锂帘形式存在的靶，其没有受热形变或熔毁的问题，但是需要加热装置使循环***内的温度在200℃以上来维持锂的液态，额外的加热装置增加了整套装置的负担，锂蒸汽的流入也会降低设备的高压电气耐久性。在文献(Rinckel T,Baxter D V,Doskow J,etal.Target Performance at the Low Energy Neutron Source[J].Physics Procedia,2012,26:168-177.)中，美国印第安纳大学T.Rinckel等采用将质子加速到13MeV轰击固态铍靶的方案，尽管之后进一步优化，减薄铍的厚度，但是仍然无法彻底解决停留在靶内的质子造成氢脆进而引起氢鼓泡的问题，靶的运行寿命只有几小时，同时过薄的靶也面临着两侧由冷却液和真空造成的压差的威胁。B.Bayanov在文献(Bayanov B,Belov V,TaskaevS.Neutron producing target for accelerator based neutron capture therapy[C]//Journal of Physics Conference Series.Journal of Physics Conference Series,2006:460-465.)中使用了固态的薄锂靶，并且在靶***中引进了铜作为衬底材料，隔绝了锂和水避免两者反应的同时也足以承担两侧的压差，但是铜的容氢能力较差，运行一段时间后在背侧仍然会出现氢鼓泡现象，对化学性质活泼的锂也没有进行任何隔绝密封的保护，锂极易被空气中的成分氧化，受热的锂也易蒸发损坏电子器件。
在文献(Yamagata Y,Hirota K,Wang S,et al.Development of a neutrongenerating target for compact neutron sources using low energy proton beams[J].Journal of Radioanalytical&Nuclear Chemistry,2015,305(3):1-8.)中日本理化学研究所的Y.Yamagata针对7MeV能量的质子直线加速器设计了固态铍靶、衬底材料和冷却剂的三层结构，其中薄片形态的铍加上钒制成的衬底材料，不仅可以提供足量中子，避免了质子减速到反应阈能以下的部分跟靶中铍原子之间非弹性碰撞产生的这部分γ射线辐射，也防止了氢鼓泡的发生，保证了靶在运行期间的安全和稳定，但是该靶***的冷却结构设计相对简单，冷却能力不足，无法在短时间内带走大量的热，不能运用于锂靶***；日本株式会社八神制作所的T.Kazuki在专利文献(PCT国际专利公开第WO20140010704A1号)中用铍等金属做成的薄膜将锂靶密封在铁或钽构成的基板上的凹部中，基板背侧的槽部作为冷却液的流道，这样理论上既保证了产额，又使锂无论是否熔化都被密封在凹部中不会流出，但是～10μm量级的薄膜的存在会一定程度上减速入射的质子束并降低中子产额，能否安全密封熔化的靶材有待检验，并行的冷却液流道对冷却剂利用效率也较低。同时，现有方案中在靶***背部中子出射方向上设置的水等冷却剂对中子有较大相互作用截面，对出射中子速度和产额都有较大影响。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种车载加速器中子源固态锂靶***，该***能够避免氢鼓包的产生，并且冷却能力较优，出射中子的速度及产额较好。
为达到上述目的，本发明所述的车载加速器中子源固态锂靶***包括冷却部，冷却部的正面设置有第一凹槽，其中，第一凹槽的底部设置有衬底夹层，衬底夹层表面的中心位置处设置有靶材料层，其中，靶材料层的上表面覆盖有密封薄膜，冷却部内设置有流通有冷却剂的冷却流道。
所述冷却流道包括环形通道以及与环形通道相连通的冷却剂流入通道及冷却剂流出通道，其中，第一凹槽位于环形通道的中间位置处。
冷却部的背面设置有第二凹槽，其中，第二凹槽正对所述第一凹槽。
冷却部上设置有若干用于连接外部设备的螺栓孔。
密封薄膜由纯铝制备而成，且密封薄膜的厚度小于等于1μm。
靶材料层的材质为纯固态锂。
衬底夹层的材质为钒，衬底夹层的厚度为200μm。
冷却部的材质为无氧铜。
冷却剂为纯水。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的车载加速器中子源固态锂靶***在具体操作时，通过密封薄膜实现靶材料层与外部空气的隔绝，避免加工和运输过程中靶材料与空气接触反应变质；通过衬底夹层减速并阻止未与靶材料反应的质子，避免质子入射到冷却部中产生氢鼓泡而导致冷却部损毁。同时，本发明中冷却流道位于冷却部内，避开前冲中子的出射路径，避免冷却剂对中子数量及速度的衰减作用，同时需要说明的是，本发明通过冷却剂对靶材料层进行降温，保证靶材料处于合理的温度区间内，从而可以获取高品质的中子，确保在安全运行的同时满足工程应用的需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面图；
图3为本发明中靶材料层2表面的最大温度曲线图。
其中，1为密封薄膜、2为靶材料层、3为衬底夹层、4为冷却部、41为环形通道、42为冷却剂流入通道、43为冷却剂流出通道。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的车载加速器中子源固态锂靶***包括冷却部4，冷却部4的正面设置有第一凹槽，其中，第一凹槽的底部设置有衬底夹层3，衬底夹层3表面的中心位置处设置有靶材料层2，其中，靶材料层2的上表面覆盖有密封薄膜1，冷却部4内设置有流通有冷却剂的冷却流道；冷却部4上设置有若干用于连接外部设备的螺栓孔。
所述冷却流道包括环形通道41以及与环形通道41相连通的冷却剂流入通道42及冷却剂流出通道43，其中，第一凹槽位于环形通道41的中间位置处；冷却部4的背面设置有第二凹槽，其中，第二凹槽正对所述第一凹槽。
密封薄膜1由纯铝制备而成，且密封薄膜1的厚度小于等于1μm；靶材料层2的材质为纯固态锂，靶材料层2的厚度为几十至数百μm；衬底夹层3的材质为钒，衬底夹层3的厚度为200μm；冷却部4的材质为无氧铜；冷却剂为纯水。
本发明的工作原理为：
低能高通量密度的质子束流穿过密封薄膜1冲击靶材料层2，并与靶材料层2中的纯锂发生反应生成大量的中子，在此过程中产生的大量热量沉积在靶材料层2中，并及时通过衬底夹层3及冷却部4传递到冷却剂中，最后通过冷却剂带动，从而保证靶材料处于合理的温度区间内，其中，未参与反应的部分质子穿过靶材料层2进入到衬底夹层3中减速并停止，最后通过扩散作用在衬底夹层3与真空接触的表面或与冷却部4接触的表面逸出，产生的中子穿过衬底夹层3及冷却部4上第一凹槽及第二凹槽的底部发射出去。
本发明中的冷却部4通过无氧铜一体成型加工而成，避免焊接工艺导致的热阻，导热效率高，能够及时将热量传递给冷却剂，避免热量聚集，从而将锂靶维持在适合温度并保持固态。以总功率250W，质子束在靶材料表面的束斑内均匀分布，束斑半径0.5cm为例，此时热流密度高达5MW/m2，以纯水为冷却剂，靶材料表面的最高温度如图3所示。输入水流量为2L/min时，靶材料表面的最高温度为101.1℃，远低于纯锂的熔点182℃。即使质子束在束斑内呈类高斯分布，中心局部位置峰值热流密度高达10MW/m2，输入水流量为2L/min时，靶材料表面最高温度为132.2℃，也低于纯锂的熔点。同时随着输入水流量的提高，靶材料表面最高温度会进一步下降。
在实际操作时，本发明用于在户外环境下对基础设施、油气管道及飞机火箭等其他户外对象进行无损检测，可以在质子束流密度在5MW/m2的情况下保证冷却效果及较高的中子品质。

Claims (8)

1.一种车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，包括冷却部(4)，冷却部(4)的正面设置有第一凹槽，其中，第一凹槽的底部设置有衬底夹层(3)，衬底夹层(3)表面的中心位置处设置有靶材料层(2)，其中，靶材料层(2)的上表面覆盖有密封薄膜(1)，冷却部(4)内设置有流通有冷却剂的冷却流道；
所述冷却流道包括环形通道(41)以及与环形通道(41)相连通的冷却剂流入通道(42)及冷却剂流出通道(43)，其中，第一凹槽位于环形通道(41)的中间位置处。
2.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，冷却部(4)的背面设置有第二凹槽，其中，第二凹槽正对所述第一凹槽。
3.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，冷却部(4)上设置有若干用于连接外部设备的螺栓孔。
4.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，密封薄膜(1)由纯铝制备而成，且密封薄膜(1)的厚度小于等于1μm。
5.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，靶材料层(2)的材质为纯固态锂。
6.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，衬底夹层(3)的材质为钒，衬底夹层(3)的厚度为200μm。
7.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，冷却部(4)的材质为无氧铜。
8.根据权利要求1所述的车载加速器中子源固态锂靶***，其特征在于，冷却剂为纯水。
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