阅读说明：本技术 一种气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置 (Target chamber device for producing radioactive isotope by gas cooling accelerator ) 是由 张宇皓 姜冲 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种加速器生产放射性同位素的靶室装置,尤其涉及一种气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置。解决在利用电子加速器的光核反应生产放射性同位素时,样品靶冷却过程中存在的冷却效率低、样品靶氧化,侵蚀以及可能爆炸的问题,主要包括壳体、气路装配体、真空管道及靶片装配体；气路装配体位于壳体内部,靶片装配体位于气路装配体的腔体内部；真空管道的一端穿入壳体,另一端与电子加速器真空管道相连通；真空管道内的电子束以垂直于靶片的方向轰击靶片组合体,气路装配体内的冷却气体对靶片组合体进行冷却。本发明针对样品靶具有较高的冷却效率,且不会氧化样品靶。(The invention relates to a target chamber device for producing radioactive isotopes by an accelerator, in particular to a target chamber device for producing radioactive isotopes by a gas cooling accelerator. The problems of low cooling efficiency, sample target oxidation, corrosion and possible explosion in the sample target cooling process when the radioactive isotope is produced by utilizing the photonuclear reaction of an electron accelerator are solved, and the device mainly comprises a shell, a gas path assembly body, a vacuum pipeline and a target sheet assembly body; the gas circuit assembly body is positioned in the shell, and the target sheet assembly body is positioned in the cavity of the gas circuit assembly body; one end of the vacuum pipeline penetrates into the shell, and the other end of the vacuum pipeline is communicated with the vacuum pipeline of the electron accelerator; the electron beam in the vacuum pipeline bombards the target sheet assembly in the direction perpendicular to the target sheet, and the cooling gas in the gas circuit assembly cools the target sheet assembly. The invention has higher cooling efficiency aiming at the sample target and can not oxidize the sample target.)

一种气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置

技术领域

本发明涉及一种加速器生产放射性同位素的靶室装置，尤其涉及一种气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置。

背景技术

利用电子加速器的光核反应生产放射性同位素时，电子束先通过转换靶转换为韧致辐射X射线，X射线再与样品靶元素(如¹⁰⁰Mo)发生光核反应生成放射性同位素(如⁹⁹Mo)。在这两个物理反应过程中，来自加速器的电子束将电子功率的绝大部分能量作为热量形式沉积到转换靶和样品靶中，从而使转换靶和样品靶温度很快升高到数百度，甚至更高，这样就可能破坏样品靶及其周围器件的性能和结构。样品靶的尺寸、结构以及通过该方法生产的放射性同位素(如⁹⁹Mo)的产额及比活度等都会受到样品靶的热性能的限制和影响。因此对样品靶室装置设计和冷却就变得尤为重要。对样品靶的冷却一般是用冷却剂(如水、油或气体)降低样品靶温度。一般采用空气作为冷却剂，其会与容器和冷却对象发生氧化反应，造成容器和冷却对象的腐蚀，且冷却效果不佳。水(一般选去离子水或蒸馏水)是最方便和经济的冷却剂。为了提高冷却效率，通常增加冷却剂与样品靶的接触面积。在用电子加速器光核反应等方法生产放射性同位素时，为了提高冷却效率，样品靶是由几个甚至几十个具有一定厚度的薄盘或薄片状的靶体叠堆而成的靶片组合体，且靶片组合体中相邻的两个薄片之间具有一定空隙，让去离子水通过其间空隙可大大提高靶的冷却效率。但这种水冷却方式也存在严重不足，由于冷却剂水在很高辐射水平的照射下可发生辐射裂解而形成的强的自由基和过氧化物，因此产生的氧化作用，使样品靶表面被氧化产生黑色残留物等，破坏和影响样品靶性能。而且在冷却水中也检测到了被生产的核素(如⁹⁹Mo)，样品靶不仅被氧化，而且被冷却水侵蚀。同时高水平辐射对水的裂解可能产生一些氢气，氢气和氧气混合达到一定的比例，容易引起***问题，破环靶系统，甚至更严重会破坏加速器的真空系统，后果很严重。浓缩¹⁰⁰Mo的昂贵费用强烈地要求在生产⁹⁹Mo过程中不侵蚀、破坏样品靶，而且也要消除可能***的风险。

发明内容

为了解决在利用电子加速器的光核反应生产放射性同位素时，样品靶冷却过程中存在的冷却效率低、样品靶氧化，侵蚀以及可能***的问题，本发明提供一种利用气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置，该装置将稀有惰性气体，如氦气作为冷却剂，既保证了在冷却过程中样品靶的稳定性又大大提高了靶的冷却效率。

本发明的技术解决方案是提供一种利用气体冷却加速器生产放射性同位素的靶室装置，其特殊之处在于：主要包括壳体、气路装配体、真空管道及靶片装配体；

所述气路装配体包括腔体、盲板及分别与腔体左右两侧壁密封相连通的进气管道与出气管道；所述腔***于壳体内部，腔体的上端开口，且开口端伸出壳体固定在壳体上；所述盲板以可拆卸的方式密封固定在腔体开口端；所述进气管道与出气管道伸出壳体与外部氦气冷环路系统相连；

所述靶片装配***于气路装配体的腔体内部，且其一端与盲板固连，另一端用于固定靶片组合体，所述靶片组合体中的单个靶片与进气管道及出气管道的中心轴线平行，确保气体管道中的冷却气体吹入靶片组合体的各个间隙；

所述真空管道的一端穿入壳体，另一端与电子加速器真空管道相连通；所述真空管道的中心轴线与进气管道及出气管道的中心轴线垂直，真空管道内的电子束以垂直于靶片的方向轰击靶片组合体。

进一步地，包括两段真空管道；所述真空管道的一端为真空窗，真空窗的材料为标准铍，其厚度为0.25-0.50mm，其中一段真空管道的真空窗与气路装配体腔体的前侧壁相对；另一段真空管道的真空窗与气路装配体腔体的后侧壁相对；为了避免真空管道与气路装配体发生碰撞，真空窗与气路装配体腔体的前侧壁及后侧壁之间具有间隙，间隙宽度可以为2-5mm。真空管道内的电子束依次穿过真空窗、气路装配体腔体的前侧壁和/或后侧壁以垂直于靶片的方向轰击靶片组合体。

进一步地，真空管道还可以与腔体一体设置，即包括两段管状真空管道；其中一段真空管道的一端与气路装配体腔体的前侧壁密封连接；另一段真空管道一端与气路装配体腔体的后侧壁密封连接。腔体和靶窗材料选择耐热、耐蚀合金的铬镍铁合金或因康镍合金(Inconel:镍80％，铬14％，铁6％)以及马氏体时效钢(Maraging steel)等。真空管道内的电子束依次穿过气路装配体腔体的前侧壁和/或后侧壁以垂直于靶片的方向轰击靶片组合体。

进一步地，因为气路装配体腔体的前侧壁和/或后侧壁直接面对的是靶片组合体，因此将该部分定义为靶窗；为了减弱靶窗对电子束的衰减程度同时避免靶窗产生大量热量，将靶窗设计为类凸凹透镜结构，凹陷方向指向腔体内部；凹面接触空气或真空，凸面冷却电子束穿过其时产生的热量，而且降低靶窗产生的不均匀的热分布，增强靶窗热应力，延长靶窗寿命。凸面的形状可以是椭球面，球面或平面。靶窗中心处最薄，优选0.25-0.5mm厚度。

进一步地，所述进气管道与出气管道的结构相同，均包括主管道及喇叭口，所述喇叭口的大端与主管道密封连接，所述主管道与外部气体冷环路系统的出入口密封连接，所述喇叭口的小端与气路装配体腔体左右两侧壁密封连接并相通，优选，喇叭口的小端为矩形开口。优选气体为氦气，与其他惰性气体相比，氦气不仅具有更好的冷却性能，而且原子质量很轻，对射线的吸收很小，因此选择氦气作为冷却气体。氦气的压强2MPa，在300psi时流速为300g/s，入口温度为20℃。

进一步地，所述进气管道与出气管道的材料为316L不锈钢，主管道的内径为50mm，壁厚为4mm。

进一步地，所述壳体为方形壳体，其上侧壁、下侧壁、左侧壁及右侧壁均开第二开孔，第二开孔大小能够保证气路装配体从壳体内取出；在上侧壁、左侧壁及右侧壁的开孔位置处均设有气路固定法兰，在下侧壁的开孔位置处设有底板法兰；

所述气路装配体盲板的下端面设有端法兰，所述端法兰的法兰孔与腔体截面形状相适配，腔体的一端穿过端法兰的法兰孔与盲板固连；且端法兰位于壳体上侧壁的气路固定法兰上端面，且与其固连；壳体左侧壁及右侧壁的气路固定法兰将进气管道与出气管道与壳体固定。

进一步地，为了提高腔体的密封性能，盲板与端法兰之间设有密封圈。

进一步地，所述气路固定法兰均由两件半法兰构成。

进一步地，所述靶片装配体包括第一靶片夹板、第二靶片夹板及螺钉；第一靶片夹板与第二靶片夹板的结构相同；

第一靶片夹板沿靶片装配体的长度方向依次包括端头、夹板段及靶片固定部；所述端头与盲板固连；所述靶片固定部开设横截面为半圆形的通槽，所述通槽的长度方向与靶片装配体的宽度方向一致；沿半圆形通槽槽壁开设多个用于固定单个靶片的缺口，多个缺口沿槽壁周向开设轴向排布；

将多个靶片分别***各个缺口就形成靶片组合体，再通过螺钉将第一靶片夹板与第二靶片夹板固定。

进一步地，所述靶片组合体由30个单个靶片组合而成，所述单个靶片的直径为20mm、厚度为1.0-2.0mm；相邻两个缺口之间的轴向间隙为0.5-1.0mm。

进一步地，所述靶片组合体为韧致辐射和光核反应双功能靶。该双功能靶在专利号201910769344.1的专利中已公布。两侧的前10个靶片的厚度为1.0mm，两侧的前10个相邻两个缺口之间的轴向间隙为1.0mm；中间10个靶片的厚度为1.5mm，中间10个相邻两个缺口之间的轴向间隙0.5mm。

进一步地，为了检测冷却气体的温度，在进气管道与出气管道内设有温度传感器，以检测进出口气流温度。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对样品靶具有较高的冷却效率，且不会氧化样品靶；本发明利用气体循环系统对样品靶进行冷却，气体直接吹扫入靶片组合体中相邻靶片之间的间隙，大大提高靶的冷却效率。同时保证在很高辐射水平的照射下，不与容器和样品靶发生腐蚀氧化等反应。另外，即使靶窗故障，加速器真空系统破坏，惰性气体氦也不会破坏极为敏感的加速器的阴极。

2、本发明能够同时提高电子加速器光核反应生产放射性同位素的产额和比活度；

本发明可使用两个加速器的电子束流分别从样品靶两边同时射入靶体，同时提高电子加速器光核反应生产放射性同位素的产额和比活度。

3、本发明生产放射性同位素的可靠性高；

该发明除了提高放射性同位素的产额和比活度外，双加速器系统还提高了放射性同位素生产和供应的可靠性，双方互为备份。如果其中的一个加速器系统出现故障，另一个加速器仍可继续生产，保障生产和供应的连续性。

4、本发明操作方便、简单；

本发明不仅靶片装配体上端留了端头，端头与盲板固连，打开盲板22便可装卸靶片装配体，方便辐照后靶片的快速取出。而且靶是由30个分离的薄片组成，这些分离薄片靶较同样重量的单一靶更能简单、快速的溶解和处理。

5、靶窗特殊的剖面设计不仅大大降低了电子束的经过时的衰减，提高靶片放射性同位素的产额和比活度，而且降低靶窗产生的不均匀的热分布，增强靶窗热应力，提高靶窗安全性，延长靶窗寿命。

附图说明

图1为本发明氦气冷却靶室装置总图；

图2为沿电子束流方向的氦气冷却靶室装置剖视图一；

图3为沿电子束流方向的氦气冷却靶室装置剖视图二；

图4为沿气路方向的氦气冷却靶室装置剖视图一；

图5为沿气路方向的氦气冷却靶室装置剖视图二；

图6为壳体结构示意图；

图7为气路装配体结构示意图；

图8为气路装配体剖面示意图；

图9为靶窗剖面示意图；

图10为靶片装配体结构示意图；

图11为靶片夹板的剖面图；

图12为真空管道剖面图；

图13为能量不同的三种电子束轰击Mo靶时，电子束能量沉积(绝大部分转换为热量)与靶深度的关系示意图；

图14为50MeV电子束轰击由42个Mo片组成的靶组合体时各靶片温度值；

图15为单、双边照射¹⁰⁰Mo靶产生的⁹⁹Mo产额的比较；

图中附图标记为：1-壳体，2-气路装配体，3-靶片装配体，4-真空管道；

11-第一开孔，12-上侧壁，13-下侧壁，14-左侧壁，15-右侧壁，16-第二开孔，17-气路固定法兰，18-底板法兰，19-第一螺钉；

21-腔体，22-盲板，23-进气管道，24-出气管道，25-第二螺钉，26-端法兰，231-主管道，232-喇叭口，27-靶窗；

31-第一靶片夹板，32-第二靶片夹板，33-第三螺钉，34-靶片组合体，311-端头，312-夹板段，313-靶片固定部，314-通槽，315-缺口。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步地说明。

结合图1至图5，可以看出本发明氦气冷却靶室装置主要由壳体1、气路装配体2、靶片装配体3及真空管道4构成，其中图中的真空管道4与加速器真空管道连接。

因与其他惰性气体相比，氦气不仅具有更好的冷却性能，而且原子质量很轻，对射线的吸收很小，因此以下实施例选择氦气作为冷却气体。

如图4与图5，气路装配体2的关键部分位于壳体1的内部，主要由腔体21、盲板22、进气管道23与出气管道24构成；本实施例中腔体21为矩形空腔，其上端为开口端，从该开口端可以将靶片装配体3装入腔体21内部，盲板22扣设在开口端，靶片装配体3的一端与盲板22固连，另一端位于腔体底部，固定靶片组合体34；进气管道23与出气管道24分别与腔体21左右两侧壁相连通，且其的端口分别与外部的氦气冷环路系统相连。气路装配体2内的高压氦气流的压强2MPa，流速为300g/s，入口温度为20℃，进气管道23的冷却气体经过靶片组合体34间隙带走靶片上的热量而从出气管道24流去，可以在进气管道与出气管道内安装温度传感器以检测进出口气流温度。结合图2、图3及图6，壳体1上开设有能够使真空管道4穿入的第一开孔11，真空管道4穿入壳体1内与气路装配体2腔体的前后两侧壁相对，其长度方向与进气管道23及出气管道24的长度方向相互垂直。真空管道4的末端是一个很薄的圆片，叫做真空窗，在电子束穿过时仍能保证真空密封。电子束从真空窗穿过时，会损失非常小的一部分能量。真空窗的材料标准铍，厚度为0.25-0.50mm。为了避免碰撞，真空窗与气路装配体腔体的前侧及后侧壁(即靶窗27)之间具有2-5mm宽的间隙。电子束流穿过真空管道的真空窗进入大气，之后立即穿过靶窗以垂直于靶面的方向轰击靶片组合体。可以从单侧的一个真空管道提供电子束单方向打靶，也可以从两侧真空管道提供两束电子束对打靶片组合体。

真空管道4还可以与腔体21一体设置，其中一段真空管道的一端与气路装配体腔体的前侧壁密封连接；另一段真空管道一端与气路装配体腔体的后侧壁密封连接。腔体和靶窗材料选择耐热、耐蚀合金的铬镍铁合金或因康镍合金(Inconel:镍80％，铬14％，铁6％)以及马氏体时效钢(Maraging steel)等。真空管道内的电子束依次穿过气路装配体腔体的前靶窗和/或后靶窗以垂直于靶片的方向轰击靶片组合体。

与真空窗相对的气路装配体腔体21的侧壁部分(即靶窗27)是打靶的电子束必经之路，因此会衰减电子束强度，同时会产生热量，因此不能太厚，但也不能太薄，它必须能经受得住高达2MPa的氦气压力。根据流体力学对靶窗进行特殊的剖面设计，使高压氦气流对其产生影响最小，优化为类凸凹透镜结构，凹陷方向指向腔体内部；凹面接触空气或真空，凸面冷却电子束穿过其时产生的热量，凸面的形状可以是椭球面，球面或平面。靶窗中心处最薄，优选0.25-0.5mm厚度。

本发明气路装配体2可以从壳体1中拆出去，因此壳体1与气路装配体2的结构及安装均需要特殊的设计。结合图4及图6，可以看出，本实施例壳体1为方形的壳体，其上侧壁12、下侧壁13、左侧壁14及右侧壁15均开第二开孔16，第二开孔16的大小能够保证气路装配体2从壳体1内取出；在上侧壁12、左侧壁14及右侧壁15的开孔位置处均设有气路固定法兰17，在下侧壁13的开孔位置处设有底板法兰18；所有的气路固定法兰17均由两件半法兰构成。

结合图7与图4，气路装配体盲板22的下端面设有端法兰26，端法兰26的法兰孔与腔体21截面形状相适配，腔体21的一端穿过端法兰26的法兰孔与盲板22固连；且端法兰26位于壳体上侧壁12的气路固定法兰17上端面，并与其固连；壳体左侧壁14及右侧壁15的气路固定法兰17从进气管道23与出气管道24的侧面将其与壳体1固定。为了提高腔体的密封性能，盲板22与端法兰26之间设有密封圈。

如图7所示，进气管道23与出气管道24均包括主管道231及喇叭口232，且喇叭口232的小端为矩形开口。采用氩弧焊把主管道231、喇叭口232、腔体21及端法兰26焊接到一起，保证高气压密封性能。其中喇叭口232的大端与主管道231焊接，喇叭口232的小端与气路装配体腔体21左右两侧壁焊接。高压氦气路最大工作压力为2MPa，因此，主管道选择内径为50mm、壁厚为4mm的316L不锈钢管道，可以承受4MPa的压力，保证气冷系统的安全性。高压氦气在2Mpa压力时流量为300g/s。

靶片装配体3用于固定、安装和拆卸靶片组合体34(即样品靶)，其位于气路装配体2的腔体21内，如图10所示，靶片装配体3包括第一靶片夹板31、第二靶片夹板32及第三螺钉33；第一靶片夹板31与第二靶片夹板32的结构相同，第一靶片夹板31沿靶片装配体3的长度方向依次包括端头311、夹板段312及靶片固定部313；端头311与盲板22固连，打开气路装配体的盲板22便可装卸靶片装配体3。靶片装配体上端留了端头，机械手可以夹住端头把靶片装配体提出来或装进去。靶片固定部313开设横截面为半圆形的通槽314，通槽314的长度方向与靶片装配体3的宽度方向一致；沿半圆形通槽314槽壁开设多个用于固定单个靶片的缺口315，多个缺口315沿槽壁周向开设轴向排布；将多个靶片分别***各个缺口就形成靶片组合体34，再通过螺钉将第一靶片夹板与第二靶片夹板固定。

靶片组合体34由直径为20mm、厚度为1.0-2.0mm的30个靶片组成，相邻两个靶片的安装间隙为0.5-1.0mm。安装间隙也是高压氦气通道。高压氦气流过靶片组合体间隙为靶片提供冷却。只考虑靶片的圆面积，30个靶片的总面积为188cm²，按照每0.8kW/cm²的热交换功率计算，高压氦气气流可以提供最大150kW的冷却功率。

由于电子束在Mo靶与¹⁰⁰Mo发生光核反应的能量沉积不是均匀分布的，而是靶深度的函数。我们用Monte Caro程序模拟计算，结果如图13和图14。图13是能量不同的三种电子束轰击Mo靶时，电子束能量沉积(绝大部分转换为热量)与靶深度的关系。纵坐标能量沉积，横坐标表示靶的深度，以d/RL表示，深度d(cm)，RL辐射长度(cm)。当电子束能量为50-60MeV时，RL为0.95-0.98cm。可见60MeV能量主要沉积在靶的中前部(0.0-7.0mm)。图14是50MeV电子束轰击由42个Mo片组成的靶组合体时各靶片温度值。其中每个靶片厚度0.5mm，间隙0.25mm。结果也显示热量主要分布在靶组合体的中前部(0.0-9.0mm)，与图13基本一致。

使用双电子加速器的优点不仅能够增加单个系统上的总束流入射，提高总产额，而且在靶体内产生相对均匀的同位素分布，提高放射性同位素的比活度。根据Mo的特征辐射长度(RL)为0.97厘米，以及在早期的研究工作表明中，Mo双功能靶(Mo盘既为转换靶同时又为样品靶，专利：201910769344.1)优化条件为厚度在2.0RL-3RL时，产额和样品的比活度最优。所以我们选择双功能靶的实际厚度为3.0cm。为了有效散热，样品靶做成厚度1.0-2.0mm,间隔0.5-1.0mm的一系列靶片形成靶片组合体，高压的氦气流通过靶盘间隙冷缺整个靶片组合体。

为此，我们用Monte Caro核模拟程序研究了分别从¹⁰⁰Mo靶单边、两边进行照射时产生的⁹⁹Mo产额。¹⁰⁰Mo样品靶由30个厚度1.0mm，间隔1.0mm的靶片组成。结果如图15示。结果显示，两边照射样品靶中99Mo的产额和比活度优于单边照射。根据前面的模拟计算，为此我们设计一个由30个靶片组成的靶片组合体，用于从两边照射，两侧的前10个靶片厚1.0mm，间隙1.0mm，中间10个靶片，厚度1.5mm，间隙0.5mm。