CN113316304A - 一种用于中子产生的移动靶 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种用于中子产生的移动靶，该移动靶包括真空腔体以及安装于该真空腔体内的移动装置和靶体，该移动装置安装于真空腔体的顶部内壁上，该靶体通过挂钩组件可拆卸式安装于移动装置上，该移动装置可控制靶体的往复运动。本发明通过采用移动装置控制靶体左右往复运动，解决了现有静止靶的流束集中导致局部热量高的问题，有效降低了单位体积靶体的热量沉积，也降低了靶体热量集中峰值，因此对质子束流要求降低。
Description
技术领域
本发明涉及中子治疗技术领域，尤其涉及一种用于BNCT装置的中子产生移动靶。
背景技术
在癌症治疗等中，放射线治疗受到较高的评价，特别是，中子俘获疗法 (BNCT：Neutron Capture Therapy)在原理上具有细胞等级的选择性治疗的可能性而受到关注。在BNCT中，与中子具有高俘获截面的稳定同位素预先进入癌细胞中，中子与其发生核反应子产生射程较短而高LET(线状能量传递，Linear Energy Transfer)的重离子，杀死癌细胞对正常细胞影响较小，目前，作为BNCT 利用B、Gd与热中子或超热中子用于癌症治疗。
近年来，加速器将质子加速到规定能量，并照射于特定靶材来产生中子的中子产生装置由于能进入医院受到关注，基于加速器的中子产生装置设备简洁，运行成本低，是未来的发展方向。通常，作为该目的下的中子产生装置的靶材，主要为利用"Li(p、n)Be反应的锂"和利用"Be(p、n)反应的铍"，但铍本身有毒，中子产额低，需要更高的加速器能量，而由于锂的低熔点和热导率，对散热要求极高。
为解决靶材快速散热这个难度较大的问题，人们在研发过程中想出了一些解决办法，如美国专利US20100067640A1揭示的一种高能量密度锂靶，采用锥形靶体，设计功率达到了50kW，但是该专利的锥形靶体，需要采用环形束斑，需要将高斯束斑转换为环形束斑，对加速器的要求非常高，对束流损失也增加，另外，冷却介质在锥顶部分的冷却效果较差，在锥顶位置，容易形成气穴，不利于靶体的稳定运行；又如中国专利CN104429168A揭示的一种中子产生装置用的靶及其制造方法，由于其平面静止靶体，需要对需要将质子束均匀化，在一定程度上提高了加速器对质子束均匀化的要求，此外，平面靶还受限于热沉的最高峰；又如中国台湾专利TW201706008A揭示了一种旋转靶，可有效移除热量，但结构复杂，设备占用面积大。
所以，我们需要一种能将靶体内部的热量沉积分散，还能降低靶体热量的集中峰值，还要保证有效改善平面静止靶的散热局限性，因此，本发明旨在提供一种用于中子产生的移动靶。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于中子产生的移动靶，旨在解决现有技术中的铍本身有毒，并且脆，机加工性能差，以铍为靶材的中子产生靶的使用具有局限性，同时中子产额相对于锂较低，用于治疗所需的加速器能量和功率高，装置成本高的问题；也解决现有技术中的平面静止靶需要将质子束均匀化才能降低最高热流密，热量集中不易散热的问题；以及还要解决现有技术中的锥形、楔形靶体降低了单位面积上的热流密度，但对加速器的要求非常高，对束流损失也增加；另外，还要解决现有技术中的旋转靶其结构复杂，设备尺寸大，不利于与慢化器的耦合，中子利用效率不高，同时安装和运行难度较大，稳定性不高的问题。
为实现上述目的，本发明提供的一种用于中子产生的移动靶，包括真空腔体以及安装于该真空腔体内的移动装置和靶体，移动装置安装于真空腔体的顶部内壁上，靶体通过挂钩组件可拆卸式安装于移动装置上，移动装置可控制靶体的往复运动，该移动装置和靶体是竖直布置的。
进一步的优选，移动装置包括直线导轨丝杠装置和步进电机，该直线导轨丝杠装置和步进电机均设于靶体上方，直线导轨丝杠装置安装于真空腔体的顶部内壁上，直线导轨丝杠装置一端与步进电机连接，步进电机驱动丝杠的正转和反转带动靶体左右往复运动，实现分散靶体热量的沉积，适合多种质子束流。
进一步的优选，挂钩组件包括安装台和挂钩，其中，挂钩设有矩形凸起，安装台设有与矩形凸起相适配的安装槽，这样可以分担了靶体移动时对挂钩产生的应力，而安装台设于直线导轨丝杠装置的下方，挂钩设于靶体的上方，靶体通过挂钩可拆卸式安装于直线导轨丝杠装置的安装台上，易于在真空条件下拆卸及更换靶体。
进一步的优选，靶体包括金属基板和靶体外壳，挂钩设于靶体外壳的上方，靶体外壳通过挂钩可拆卸式安装于直线导轨丝杠装置的安装台上，可以直接通过挂钩的操作完成对靶体的更换。
进一步的优选，金属基板的正面设有靶材填充凹槽，正面为面向质子束流的一面，而背面则为背向质子束流的一面，该靶材填充凹槽用于填充靶材和密封金属薄膜，其长宽深为120mm*60mm*1mm，金属基板的背面与靶体外壳的正面之间的空隙形成串行水冷换热通道，用于冷却靶材所沉积的热量。
进一步的优选，金属基板的背面设有若干导流板，该导流板高度为5mm，靶体外壳的正面设有与导流板高度相适配的空隙凹槽，导流板与空隙凹槽形成串行水冷换热通道，提高了流动稳定性。
进一步的优选，靶体外壳的背面设有用于输送冷却工质的工质入口和工质出口，该工质入口和工质出口均连接有波纹管，易于靶体的移动，工质入口和工质出口与串行水冷换热通道连通。
进一步的优选，工质入口处设有具有流体进口段的第一凹坑，避免了流体对金属基板的射流冲击导致的局部流量不均的问题，工质出口处设有具有流体集液段的第二凹坑，防止出口处的回流现象，保证流场稳定，第一凹坑和第二凹坑与串行水冷换热通道连通，这种相比并行流道，不会发生流场不均匀的现象，提高了冷却的可靠性。
进一步的优选，靶材密封于靶材填充凹槽内。
进一步的优选，靶材通过密封金属薄膜采用热等静压接合密封于靶材填充凹槽内。
进一步的优选，金属基板与靶体外壳通过螺栓穿过安装孔装配连接，靶体外壳为304不锈钢或核用不锈钢，而且，靶体外壳与金属基板之间设有橡胶垫片。
本发明提供的一种用于中子产生的移动靶，主要是用于BNCT装置的中子产生移动靶，其有益效果是：
1、通过采用移动装置控制靶体左右往复运动，解决了现有静止靶的流束集中导致局部热量高的问题，有效降低了单位体积靶体的热量沉积，也降低了靶体热量集中峰值，因此对质子束流要求降低；
2、通过采用移动装置控制靶体左右往复运动，增加了靶体的换热面积，有效改善靶体的散热局限性，使换热强化，降低靶体融化危险，提高了设备运行的稳定性；
3、由于靶体与移动装置通过挂钩组件直接连接，安装简单易于拆卸，因此降低更换靶体的成本；
4、可适应不同质子束斑，束流损失少，对加速器要求低；
5、通过采用单相水冷串行流道，流动均匀、换热稳定性高、可靠性强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
需要说明的是，正面为面向质子束流的一面，而背面则为背向质子束流的一面；
图1为本发明的正面立体结构示意图；
图2为本发明的正面立体透视结构示意图，本领域技术人员容易理解得到的是：移动装置是安装于真空腔体的顶部内壁上；
图3为本发明的移动装置、挂钩组件和靶体的正面连接结构示意图；
图4为本发明的移动装置、挂钩组件和靶体的背面连接结构示意图；
图5为本发明的挂钩组件和靶体的正面分解结构示意图；
图6为本发明的安装台的结构示意图。
其中，图中各附图标记：
1、移动靶；2、真空腔体；
3、移动装置；31、直线导轨丝杠装置；32、步进电机；
4、靶体；41、金属基板；411、靶材填充凹槽；412、安装孔；42、靶体外壳；421、工质入口；422、工质出口；423、第一凹坑；424、第二凹坑；
5、挂钩组件；51、安装台；511、安装槽；52、挂钩；521、矩形凸起；
6、串行水冷换热通道；61、导流板；62、空隙凹槽。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的实施例，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明实施例的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明的一个实施例中，如图1至3所示，提供一种用于中子产生的移动靶1，包括真空腔体2以及安装于该真空腔体2内的移动装置3和靶体4，移动装置3安装于真空腔体2的顶部内壁上，靶体4通过挂钩组件5可拆卸式安装于移动装置3上，移动装置3可控制靶体4的往复运动，该移动装置3和靶体4是竖直布置的。
进一步的参考图3至4，移动装置3包括直线导轨丝杠装置31和步进电机 32，该直线导轨丝杠装置31和步进电机32均设于靶体4上方，直线导轨丝杠装置31安装于真空腔体2的顶部内壁上，直线导轨丝杠装置31一端与步进电机32连接，步进电机32驱动直线导轨丝杠的正转和反转带动靶体4左右往复运动，实现分散靶体4热量的沉积，适合多种质子束流。
挂钩组件5包括安装台51和挂钩52，安装台51设于直线导轨丝杠装置31 的下方，挂钩52设于靶体4的上方，靶体4通过挂钩52可拆卸式安装于直线导轨丝杠装置31的安装台51上，易于在真空条件下拆卸及更换靶体4；
靶体4包括金属基板41和靶体外壳42，挂钩52设于靶体外壳42的上方，靶体外壳42通过挂钩52可拆卸式安装于直线导轨丝杠装置31的安装台51上，可以直接通过操作挂钩52完成对靶体4的更换。
其中，在图5中所示的挂钩52设有矩形凸起521，在图6中所示的安装台 51设有与矩形凸起521相适配的安装槽511，这样可以分担了靶体4移动时对挂钩52产生的应力。
进一步的参考图5，需要说明的是，正面为面向质子束流的一面，而背面则为背向质子束流的一面。
本领域技术人员容易理解的是，金属基板41的正面设有靶材填充凹槽411，该靶材填充凹槽411用于填充靶材和密封金属薄膜，其长宽深为 120mm*60mm*1mm，金属基板41的背面与靶体外壳42的正面之间的空隙形成串行水冷换热通道6，用于冷却靶材所沉积的热量。
同样，金属基板41的背面设有若干导流板61，该导流板61高度为5mm，靶体外壳42的正面设有与导流板61高度相适配的空隙凹槽62，导流板61与空隙凹槽62形成串行水冷换热通道6，提高了流动稳定性。
接着，靶体外壳42背面的下部两侧分别设有用于输送冷却工质的工质入口 421和工质出口422，该工质入口421和工质出口422均连接有波纹管，易于靶体4的移动，工质入口421和工质出口422与串行水冷换热通道连通6。
然后，工质入口421处设有具有流体进口段的第一凹坑423，避免了流体对金属基板的射流冲击导致的局部流量不均的问题，工质出口422处设有具有流体集液段的第二凹坑424，第一凹坑423和第二凹坑424与串行水冷换热通道连通，防止出口处的回流现象，保证流场稳定，这种相比并行流道，不会发生流场不均匀的现象，提高了冷却的可靠性。
另外，靶材密封于靶材填充凹槽411内。
而且，靶材通过密封金属薄膜采用热等静压接合密封于靶材填充凹槽411 内。
最后，金属基板41与靶体外壳42通过螺栓穿过安装孔412装配连接，靶体外壳42为304不锈钢或核用不锈钢，以及，靶体外壳42与金属基,41之间设有橡胶垫片。
本发明的第二个实施例，与第一实施例不同的是，该串行水冷换热通道中的空隙凹槽不限于设置在靶体外壳的正面上，也可以设置在金属基板的背面，只需要在金属基板的背面开设一个与导流板高度相适配的空隙凹槽即可，该空隙凹槽与靶材填充槽之间设计的壁厚，与第一实施例中的靶材填充槽与空隙凹槽之间的壁厚是一样的，也能保证流动稳定性、冷却可靠性的串行水冷换热通道。
本发明的第三实施，与第一实施例和第二实施例不同的是，该移动装置和直线导轨丝杠装置的连接方式不限于安装台与挂钩之间的可拆卸式连接，也可以是其它能相互可拆卸式的连接结构，例如可以采用卡扣连接结构或者销孔装配连接，也可以采用安装孔装配连接等等。
工作原理：
运行BNCT装置，启动步进电机32，因为靶体4是通过挂钩组件5可拆卸式安装于移动装置3上的，所以步进电机32驱动丝杠的正转和反转带动靶体4左右往复运动，接着，流体从工质入口421流入到第一凹坑423，经串行水冷换热通道6最后流到第二凹坑424进行集液，并通过工质出口422流出，提高了流体对金属基板41的射流冲击的局部流量均匀性，保证了流场稳定性和冷却可靠性，而且，工质入口421和工质出口422是与波纹管连接的，更易于靶体4的移动，当需要更换靶体4时，关闭BNCT装置和步进电机32，只需要将靶体4上的挂钩52从安装台51上取下，即可在真空条件下将整个靶体4拆下来，接着，把靶体4拿出真空腔体2外之后，将工质入口421和工质出口422的波纹管取下，防止残余的流体滴落到真空腔体2内，然后，将工质入口421和工质出口 422的波纹管接到新的靶体4上，再将新的靶体4通过挂钩52安装到安装台51 上，实现了在真空条件下的拆卸与安装，随即重复上述的操作，操作非常方便，降低了劳动强度和减少了劳动工时。
本发明提供的一种用于中子产生的移动靶，主要是用于BNCT装置的中子产生移动靶，其有益效果是：
1、通过采用移动装置控制靶体左右往复运动，解决了现有静止靶的流束集中导致局部热量高的问题，有效降低了单位体积靶体的热量沉积，也降低了靶体热量集中峰值，因此对质子束流要求降低；
2、通过采用移动装置控制靶体左右往复运动，增加了靶体的换热面积，有效改善靶体的散热局限性，使换热强化，降低靶体融化危险，提高了设备运行的稳定性；
3、由于靶体与移动装置通过挂钩组件直接连接，安装简单易于拆卸，因此降低更换靶体的成本；
4、可适应不同质子束斑，束流损失少，对加速器要求低；
5、通过采用单相水冷串行流道，流动均匀、换热稳定性高、可靠性强。
本实施例的其余部分与实施例一相同，在本实施例中未解释的特征，均采用实施例一的解释，这里不再进行赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (14)
1.一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述的移动靶包括真空腔体以及安装于该真空腔体内的移动装置和靶体，所述移动装置安装于真空腔体的顶部内壁上，所述靶体通过挂钩组件可拆卸式安装于移动装置上，所述移动装置可控制靶体的往复运动。
2.根据权利要求1所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述移动装置包括直线导轨丝杠装置和步进电机，所述直线导轨丝杠装置安装于真空腔体的顶部内壁上，所述直线导轨丝杠装置一端与步进电机连接，所述步进电机驱动丝杠的正转和反转带动靶体左右往复运动。
3.根据权利要求2所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述挂钩组件包括安装台和挂钩，所述安装台设于直线导轨丝杠装置的下方，所述挂钩设于靶体的上方，所述靶体通过挂钩可拆卸式安装于直线导轨丝杠装置的安装台上。
4.根据权利要求3所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述靶体包括金属基板和靶体外壳，靶材安装于所述金属基板的正面板面上；所述挂钩设于靶体外壳的上方，所述靶体外壳通过挂钩可拆卸式安装于直线导轨丝杠装置的安装台上。
5.根据权利要求4所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述金属基板的正面设有用于填充靶材的靶材填充凹槽，背面与靶体外壳的正面之间的空隙形成串行水冷换热通道。
6.根据权利要求5所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述金属基板的背面设有若干导流板，所述靶体外壳的正面设有与导流板高度相适配的空隙凹槽，所述导流板与空隙凹槽形成所述串行水冷换热通道。
7.根据权利要求6所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述靶体外壳的背面设有用于输送冷却工质的工质入口和工质出口，所述工质入口和工质出口与所述串行水冷换热通道连通。
8.根据权利要求7所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述工质入口处设有具有流体进口段的第一凹坑，所述工质出口处设有具有流体集液段的第二凹坑，所述第一凹坑和第二凹坑与串行水冷换热通道连通。
9.根据权利要求4至8任一项所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述靶材密封于靶材填充凹槽内。
10.根据权利要求9所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述靶材通过密封金属薄膜采用热等静压接合密封于靶材填充凹槽内。
11.根据权利要求4至10任一项所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述金属基板与靶体外壳通过螺栓穿过安装孔装配连接。
12.根据权利要求4至8、10任一项所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述靶体外壳与金属基板之间设有橡胶垫片。
13.根据权利要求3至8任一项所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述挂钩设有矩形凸起，安装台设有与矩形凸起相适配的安装槽。
14.根据权利要求12所述的一种用于中子产生的移动靶，其特征在于：所述靶体外壳为304不锈钢或核用不锈钢。
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