一种具有混合冷却流道的散裂中子靶

摘要

本发明针对靶体的热沉积以其内部冷却流道作为优化对象，提出一种同时存在相互连通的串行冷却流道和并行冷却流道的具有混合冷却流道的散裂中子靶；包括靶容器和安装在靶容器内的靶体，所述靶容器正对质子束流轰击方向的前端面设置有靶窗；所述的靶体由若干块靶片单体叠加式固定连接而成，靠近靶窗方向的数块靶片与靶容器上下内壁之间的间隙形成单条串行冷却流道，远离靶窗方向的相邻连接两个靶片之间的连接面间的间隙形成并行冷却流道，串行冷却流道和并行冷却流道相互连通；整体靶结构内部工质总体流量较低，在靶体高热流区域通过串行流实现高流速散热，低热流区域通过并行流降低流动阻力，实现高效冷却、流动稳定从而延长靶体使用寿命目的。

说明书

技术领域

本发明涉及散裂中子靶技术领域，尤指一种同时存在相互连通的串行冷却流道和并行冷却流道的一种具有混合冷却流道的散裂中子靶。

背景技术

中子产生的机制为原子核的散裂反应，散裂中子源是由加速器驱动的、产生强流中子束的大型科学实验装置。目前国际上拥有大型散裂源装置的国家包括美国、英国、瑞士、日本、中国和瑞典等，其他还有中小型中子源也正在设计和建设。

散裂中子源利用加速器产生的高能质子轰击重金属靶造成原子核散裂从而提供高通量脉冲中子，并利用所产生的中子研究物质微观结构和运动。靶体主要用以提供高能质子轰击的重金属，以此产生中子及其他次级离子。散裂中子靶根据靶体材料可分为液体靶与固体靶，其中固体靶已在多个散裂源得到广泛应用。固体靶冷却目前主要采用的方法是将靶体分为多片结构形成并行流动，冷却工质进入靶体中通过分流的方式冷却各个靶片，例如英国散裂源靶的设计思路同样是将靶体切分为12片，以水为冷却工质对其冷却。

为提高散裂中子源装置运行效率，加速器功率高，同时具有质子束斑形状小，单位峰值热功率密度大等特点。装置运行期间将有约50％以上的质子束流功率沉积于靶体中，故为了保证各个靶片的冷却效果，靶体内部需要较多的冷却工质，同时靶体内部形成的多个并行流道对于流量的分配以及流动的稳定性也存在一定的影响，进而危害靶体的安全运行。

因此散裂中子源固体靶的高效散热、内部流动的稳定性和长使用寿命等问题是需要解决的问题。

发明内容

本发明针对靶体的热沉积以其内部冷却流道作为优化对象，提出一种同时存在相互连通的串行冷却流道和并行冷却流道的具有混合冷却流道的散裂中子靶。

本发明采用的技术方案是：一种具有混合冷却流道的散裂中子靶，所述的散裂中子靶包括靶容器和安装在靶容器内的靶体，所述靶容器正对质子束流轰击方向的前端面设置有靶窗；所述的靶体由若干块靶片单体叠加式固定连接而成，靠近靶窗方向的数块靶片与靶容器上下内壁之间的间隙形成单条贯通并顺序流经每块靶片的三个面的串行冷却流道，远离靶窗方向的相邻连接两个靶片之间的连接面间的间隙形成多条互不干涉的并行冷却流道，串行冷却流道和并行冷却流道相互连通。

所述质子束流通过靶窗后轰击靶体，靠近靶窗区域，采用串行冷却流道设计，远离靶窗区域，采用并行冷却流道设计。

所述的靶容器为分体式结构，包括“匚”形框架支撑板和可拆卸安装的挡板，框架支撑板和挡板组装后形成前端面设置有靶窗，对应的后端面设置有冷却工质入口和工质出口的全包围结构。

所述的散裂中子靶还包括安装在靶容器内部的折弯分隔板，折弯分隔板整体呈反“Z”形，分为折弯部和延长底板部，其中折弯部将靶容器后端面的工质入口和工质出口分隔成两个相互隔离的通口；延长底板部的形状和尺寸与“匚”形框架支撑板的底部相适配，安装在框架支撑板底部上方一起构成内部中空的靶体腔室。

所述的折弯分隔板的延长底板部的上表面设置有间隔式凸台，凸台的形状和尺寸与靶片相适配，靶片通过凸台安装在靶体腔室内，折弯分隔板的延长底板部与框架支撑板底之间的间隙形成引流道，同时与靶片的表面的间隙形成串行冷却流道，从工质入口流进的冷却工质通过引流道流至靶窗一端形成串行冷却流道的始端进入串行冷却流道。

所述的框架支撑板的内顶部设置有间隔式凸台，凸台的形状和尺寸与靶片相适配，靶片的通过凸台安装在靶体腔室内；框架支撑板上的凸台与折弯分隔板的延长底板部的凸台形成上下间隔交错式布局。

所述每块靶片在沿着质子束流轰击方向上的长度呈依次增大趋势，且每块靶片其中一面通过框架支撑板或折弯分隔板上的凸台固定安装在靶体腔室内，与固定安装面对应的另外一面与框架支撑板或折弯分隔板的间隙形成上下间隔交错的串行冷却流道。

所述靶体的形状为方体形状、六面体形状、圆柱体形状或椭圆柱体形状。

所述靶片的材料为钨、钨合金，钽、钽合金、钎、钎合金，钍、钍合金、铍或铍合金。

所述的靶片加工时进行圆角设计，靶片与靶片之间叠加式固定连接时，靶片的内外的两侧侧面与靶容器内部的挡板固定。

本发明的有益效果是：本发明针对靶体的热沉积以其内部冷却流道作为优化对象，提出一种同时存在相互连通的串行冷却流道和并行冷却流道的具有混合冷却流道的散裂中子靶，整体靶结构内部工质总体流量较低，在靶体高热流区域通过串行流实现高流速散热，低热流区域通过并行流降低流动阻力，实现高效冷却、流动稳定从而延长靶体使用寿命目的；更具体的是：

第一、换热效果好，采用串行冷却流道的形式对靶体的高热流区域进行冷却，可提高靶体的除热效率延长靶体使用寿命，并且由于靶片高效的除热效率在设计过程中可以加大靶片的厚度，进一步增加中子产量，进一步通过折弯分隔板和靶容器底部之间的间隙形成的引流道将最低温度的冷却工质直接引流送至高热流区域，进一步降低靶片温度，提高除热效率。

第二、流动阻力低，冷却工质在串行冷却流道流动过程中，流速高流动阻力低，对于低热流区域的靶片通过靶片与靶片之间的并行冷却流道冷却低热流区域，降低整体流道的流动压损，保证流动的稳定性；同时在冷却工质流动的通道，通过靶体等增加倒角，形成流线型的通道，进一步降低整体的流动压损。

第三、加工便捷，本发明采用的靶容器结构规则、简单，内部形成平整基底，用于焊接相同高度及厚度的靶材料，简化加工难度。

附图说明

图1是本发明的整体结构分解示意图。

图2为本发明中框架支撑板的结构示意图。

图3为本发明中折弯分隔板的结构示意图。

图4为本发明的剖面结构示意图。

图5为本发明中串行冷却流道结构示意图。

图6为本发明中并行冷却流道结构示意图。

附图标注说明：1-靶容器，11-框架支撑板，12-挡板，2-靶窗，3-工质入口，4-工质出口，5-靶体，6-折弯分隔板，61-折弯部，62-延长底板部，7-凸台，8-串行冷却流道，9-并行冷却流道，10-靶片。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例及附图对本发明产品作进一步详细的说明；在本发明中，以质子束流轰击的正方向为Y方向，即沿着束线方向，靶片10在Y方向上的面定义成前端面和后端面，以垂直于Y方向的高度方向定义为Z方向，靶片10在Z方向上的面定义成上表面和下表面，以垂直于Y方向的横向方向定义为X方向，靶片10在Z方向上的面定义成内侧面和外侧面。

如图1-6所示，一种具有混合冷却流道的散裂中子靶，所述的散裂中子靶包括靶容器1和安装在靶容器1内的靶体5，所述靶容器1正对质子束流轰击方向的前端面设置有靶窗2；所述的靶体5由若干块靶片10单体叠加式固定连接而成，靠近靶窗2方向的数块靶片10与靶容器1上下内壁之间的间隙形成单条贯通并顺序流经每块靶片10的三个面的串行冷却流道8，远离靶窗2方向的相邻连接两个靶片10之间的连接面间的间隙形成多条互不干涉的并行冷却流道9，串行冷却流道8和并行冷却流道9相互连通。

所述质子束流通过靶窗2后轰击靶体5，靠近靶窗2的靶片10热沉积高，属于高热流区域，采用串行冷却流道8进行串行流冷却，远离靶窗2的靶片10热沉积高，属于低热流区域，采用并行冷却流道9进行并行流冷却。

所述的靶容器1整体为分体式连接结构，包括“匚”形框架支撑板11和可拆卸安装的挡板12，框架支撑板11和挡板12组装后呈全包围结构，其中前端面设置有靶窗2，更具体的是靶容器1正对质子束流轰击方向的前端面设置有靶窗2，对应的后端面设置有冷却工质入口3和冷却工质出口4，质子束流从靶窗2对靶体5进行轰击，冷却工质从工质入口3流进，流经串行冷却流道8和并行冷却流道9后从工质出口4流出，形成冷循环；冷却的基本原则是，冷却工质从工质入口3流入，经引流道进入靠近靶窗2的靶体5最前端对靶体5高热流区域进行冷却，靶体5前端的流道设置成上下交错连通的串行冷却流道8，然后流经后端的低热流区域进行冷却，靶体5后端的流道设置成与串行冷却流道8连通的并行冷却流道9。

所述的散裂中子靶还包括安装在靶容器1内部的折弯分隔板6，一体式的折弯分隔板6整体呈反“Z”形，分为折弯部61和延长底板部62，其中折弯部61将靶容器1后端面的工质入口3和工质出口4分隔成两个相互隔离的通口；延长底板部62的形状和尺寸与“匚”形框架支撑板11的底部相适配，安装在框架支撑板11底部上方一起构成内部中空的靶体5腔室；且折弯分隔板6的延长底板部62的上表面设置有间隔式凸台，凸台的形状和尺寸与靶片10相适配，凸台的数量可按需设置，靶片10通过凸台安装在靶体5腔室内，折弯分隔板6的延长底板部62与框架支撑板11底之间的间隙形成引流道，折弯分隔板6的延长底板部62与对应安装在框架支撑板11上的靶片10的下表面间的间隙形成串行冷却流道8的沿Y方向流动的串行冷却流道8中的下冷却流道，框架支撑板11与对应安装在折弯分隔板6凸台上的靶片10的上表面间的间隙形成串行冷却流道8的沿Y方向流动的串行冷却流道8的下冷却流道。本发明中的折弯分隔板6，主要起到四个作用，其一是将冷却出口和冷却入口分隔成两个相互隔离的通口，其二是与框架支撑板11的底板成靶体5底部的引流道，当冷却工质由冷却入口进入时，经引流道流向靶窗2处形成串行冷却的始端；其三与框架支撑板11形成中空的靶体5腔室，设置有的凸台用于支撑安装靶片10；其四与靶片10下面间的间隙形成串行冷却流道8的下冷却流道。

所述的框架支撑板11的内顶部设置有间隔式凸台，凸台的形状和尺寸与靶片10相适配，靶片10的通过凸台固定安装在靶体5腔室内，其中通过折弯分隔板6凸台安装的靶片10上表面与框架支撑板11顶板间的间隙形成串行冷却流道8的上冷却流道；由于框架支撑板11上的凸台与折弯分隔板6的延长底板部62的凸台形成上下间隔交错式布局，所以冷却工质在串行冷却流道8里依次流经间隔交替式的上冷却流道和下冷却流道。

所述每块靶片10在沿着质子束流轰击方向上的长度呈依次增大趋势，且每块靶片10其中一面通过框架支撑板11或折弯分隔板6上的凸台固定安装在靶体5腔室内，与固定安装面对应的另外一面与框架支撑板11或折弯分隔板6的间隙形成上下间隔交错的串行冷却流道8；靶片10的数量与框架支撑板11和折弯分隔板6上的凸台数量总和相同，即每块靶体5分别安装在框架支撑板11或折弯分隔板6的凸台上，由于框架支撑板11与折弯分隔板6上的凸台呈上下交错间隔设计，所以前一块靶片10安装在框架支撑板11的凸台上，顺序相邻的下一块靶片10就安装在折弯分隔板6上的凸台上，如此循环间隔交替。

所述靶体5的形状为方体形状、六面体形状、圆柱体形状或椭圆柱体形状，其中所述靶片10的材料为钨、钨合金，钽、钽合金、钎、钎合金，钍、钍合金、铍或铍合金；所述的靶片10加工时进行圆角设计，并在靶片10上预先加工有冷却工质流动的间隙，或凹状的流道，靶片10与靶片10之间的叠加式固定连接时，靶片10的内外的两侧侧面与靶容器1内部的挡板12固定，固定的方法可以采用定位槽，还可以采用固定销，或者靶片10之间用间隙块隔开。

实施例：由14块靶片组成的钨靶

作为本发明的一个实施例，靶片10的材料选择为钨靶，靶体5由十四块靶片10组成，每两相邻靶片10之间的叠加式面加工有工质流动间隙，靠近靶窗2的八块钨靶所在的高热流区域设置有“S”型冷却水通道，冷却工质从工质入口3流进，通过引流道流经靠近靶窗2一端的串行冷却流道8的始端进入串行冷却流道8，保证其进行单一的串行流冷却，而对于其余六片钨靶离靶窗2位置较远，所在区域属于低热流区域，设计成并行冷却流道9，流经此处的冷却工质进行并行流冷却。在具体加工尺寸上，靶窗2与靶体5间的加工距离为2mm；折弯分隔板6与靶片10安装腔底部的加工距离为4mm，更具体的是折弯分隔板6与安装在框架支撑板11凸台上的靶片10的下表面间的间隙宽度为4mm；靶体5腔室内由靠近靶窗2的前端至末端依次上下交错布置有八个凸台；靶片10分别通过凸台安装在靶体5腔室后，自第九块钨靶之后采用并行流冷却；串行流靶片10中，靠近前端的三片钨靶长度均为30mm，之后按质子来束方向的第4、5片钨靶的长度为40mm，第6、7、8片钨靶的长度为60mm，每片钨靶的间距为2mm；并行流靶片10中，6片钨靶长度均为56mm，每片钨靶加工距离为1mm；所有靶片10高度均为67mm，厚度为100mm，所有靶片10均进行了3mm圆角加工，然后对该实施例进行不同功率下的温度分析，结果表明靶体5温度整体趋势近似，当y方向长度大于500mm温度逐渐趋于平稳，且各工况下温度差距不大。

在实施例中可以看出，本发明针对靶体5的热沉积以其内部冷却流道作为优化对象，提出一种同时存在相互连通的串行冷却流道8和并行冷却流道9的具有混合冷却流道的散裂中子靶，整体靶结构内部工质总体流量较低，在靶体5高热流区域通过串行流实现高流速散热，低热流区域通过并行流降低流动阻力，实现高效冷却、流动稳定从而延长靶体5使用寿命目的。

上述实施例仅为本发明的具体实施例，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些显而易见的替换形式均属于本发明的保护范围。