阅读说明：本技术 一种可开展辐照实验的散裂中子源靶体 (Spallation neutron source target body capable of developing irradiation experiment ) 是由 纪全 殷雯 魏少红 张锐强 陈怀灿 李常峰 于 2020-04-08 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种可开展辐照实验的散裂中子源靶体,在重金属靶片(2)中穿插并排设置样品靶片(3),在样品靶片(3)中开有孔穴(31),孔穴(31)中放置样品容器(4),待进行辐照实验的样品放置于样品容器(4)的样品腔内。该散裂中子源靶体不仅具有产生中子的功能,而且所产生的大量中子对样品进行辐照。辐照到设定的剂量后,可以直接取出样品容器(4)以取出样品进行分析,不会影响靶体的正常运行和寿命。样品靶片(3)与重金属靶片(2)并排设置,中子通量高,待辐照的样品受到的辐照剂量要比中子源谱仪线上中子辐照样品的剂量高得多。可以利用该靶体进行材料的辐照效应研究。(The application relates to a spallation neutron source target body capable of developing irradiation experiments, wherein a heavy metal target sheet (2) is internally provided with sample target sheets (3) in a penetrating and side-by-side mode, a hole (31) is formed in each sample target sheet (3), a sample container (4) is placed in each hole (31), and a sample to be subjected to the irradiation experiments is placed in a sample cavity of each sample container (4). The spallation neutron source target body not only has the function of generating neutrons, but also generates a large amount of neutrons to irradiate a sample. After the irradiation reaches the set dose, the sample container (4) can be directly taken out to take out a sample for analysis, and the normal operation and the service life of the target body cannot be influenced. The sample target sheet (3) and the heavy metal target sheet (2) are arranged side by side, the neutron flux is high, and the irradiation dose of the sample to be irradiated is much higher than the dose of the neutron irradiation sample on a neutron source spectrometer line. The target body can be used for researching the irradiation effect of the material.)

一种可开展辐照实验的散裂中子源靶体

技术领域

本申请涉及核技术领域，具体涉及一种可开展辐照实验的散裂中子源靶体。

背景技术

散裂中子源是通过加速器将质子加速到很高能量后，质子撞击重金属靶，通过散裂反应产生中子。高能质子轰击的重金属一般叫做靶体，它同时也是中子产生的源头。靶体的基本功能就是提供重金属，以供高能质子轰击产生中子。所产生的中子然后被引出用于照射样品，中子与样品发生散射相互作用，用于分析样品的内部结构和微观特性。

根据加速器加速质子的类型不同，分为脉冲式散裂中子源(即质子束流是脉冲的，有一定频率，产生的中子也是脉冲的)和持续式散裂中子源。中国散裂中子源属于脉冲式散裂中子源，目前国际上所有的脉冲式散裂中子源(包括美国SNS、日本JPARC、英国ISIS)的靶体仅仅具有产生中子这一个功能，其中没有开辟空间以供放置辐照实验样品，即没有在靶体内进行样品辐照的功能。只有瑞士SINQ持续式散裂中子源的靶体内具有样品辐照的功能，但是其辐照样品是放置在靶体的密封靶容器内，如要取出样品，必须在靶体使用到设计寿命后，拆开靶容器，才能取出辐照样品，取出样品后的靶体不能再使用。

本申请人于2013年11月5日提交了名称为“一种散裂中子源靶”的发明专利申请(申请公布号CN 103594137 A)。该散裂中子源靶包括靶容器和靶片，但该靶片也仅仅具有产生中子这一个功能。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，提供一种可开展辐照实验的散裂中子源靶体，其能够在不更换靶体的情况下放置和取出被辐照样品。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种可开展辐照实验的散裂中子源靶体，包括靶容器(1)、重金属靶片(2)和样品靶片(3)，靶容器(1)包括槽体(11)和盖装于该槽体(11)的开口处的盖体(12)，槽体(11)界定出靶片安装腔(13)，盖体(12)与样品靶片(3)正对的位置处开有缝隙(14),重金属靶片(2)和样品靶片(3)并排设置在靶片安装腔(13)中，样品靶片(3)中具有开口朝向盖体(12)的孔穴(31)，孔穴(31)中放置有样品容器(4)，样品容器(4)内放置待进行辐照实验的样品。

在本发明的具体实施方案中，重金属靶片(2)的材料为钨、钽、金、铀或铅，靶容器(1)的材料为不锈钢，样品靶片(3)的材料为不锈钢。

在本发明的具体实施方案中，重金属靶片(2)和样品靶片(3)的数量分别为一个或多个。例如，重金属靶片(2)和样品靶片(3)的数量分别为两个、三个、四个、五个或更多个。优选地，重金属靶片(2)的数量多于样品靶片(3)的数量。例如，重金属靶片(2)的数量为13个，样品靶片(3)的数量为3个。优选地，各个样品靶片(3)之间被至少一个重金属靶片(2)隔开，即样品靶片(3)不紧邻地并排设置在靶片安装腔(13)中，而重金属靶片(2)可以紧邻地并排设置在靶片安装腔(13)中。

在本发明的具体实施方案中，孔穴(31)的数量为一个或多个。例如，孔穴(31)的数量为一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个。相应地，样品容器(4)的数量为一个或多个。例如，样品容器(4)的数量为一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个或十个。

在本发明的具体实施方案中，样品容器(4)具有用于容纳待进行辐照实验的样品的样品腔(41)。

在本发明的具体实施方案中，靶容器(1)为单层结构，靶容器(1)的前端设置有靶窗(5)，后端设置有冷却液进口(6)和冷却液出口(7)，靶片安装腔(13)内每两个相邻靶片(重金属靶片(2)和/或样品靶片(3))之间具有冷却液流动间隙。优选地，冷却液进口(6)与冷却液出口(7)分置于靶片的两侧。优选地，至少靶片安装腔(13)的底部设置有凸筋(9)，凸筋(9)用以区隔两相邻的靶片以形成冷却液流动间隙。

在本发明的具体实施方案中，靶片安装腔(13)的顶部和/或底部设置有冷却液流道(8)，冷却液流道(8)位于靶片安装腔(13)的前部，且位于两相邻冷却液流动间隙之间，与对应的靶片的顶部和/或底部正对。

在本发明的具体实施方案中，自靶容器(1)的前端至后端，重金属靶片(2)的厚度逐渐变大。本文中前端是指迎向中子源的一端。

在本发明的具体实施方案中，槽体(11)与盖体(12)通过电子束焊接密封，并且样品靶片(3)与盖体(12)通过电子束焊接密封。

在本发明的具体实施方案中，位于靶片安装腔(13)前部的靶片上设置有热电偶(10)，热电偶(10)穿过靶片安装腔(13)连接至重金属靶片(2)和/或样品靶片(3)，且热电偶(10)与靶片安装腔(13)密封配合。

本发明的有益效果

本发明的可开展辐照实验的散裂中子源靶体，是在本申请人之前的名称为“一种散裂中子源靶”的发明专利申请的基础上，在重金属靶片中穿插设置样品靶片，在样品靶片中开有孔穴，孔穴中放置样品容器，待进行辐照实验的样品放置于样品容器的样品腔内。本发明的可开展辐照实验的散裂中子源靶体既是散裂中子源产生中子的部件，而且能利用靶体开展样品辐照损伤实验。通过在靶体中开辟一定的空间(样品容器的样品腔内)放入实验样品，靶体产生大量中子的同时对样品进行辐照。辐照到设定的剂量后，可以直接取出样品容器以取出样品，以便对样品进行辐照后的各项性能分析，研究辐照对样品的辐照效应。由于可通过机械手将样品容器直接取出，不必破坏靶容器，不会影响靶体的正常运行和寿命。

一般的散裂中子源靶体，其功能只是接受质子轰击产生中子，所产生的中子被引出照射样品，中子与样品发生散射相互作用，用于解析样品的内部结构和微观特性。而本发明的散裂中子源靶体，除了具备产生中子的基本功能外，还可以在靶体内放置样品进行辐照实验，具备样品的辐照功能，而且靶体内样品的辐照剂量比谱仪处的剂量高很多，缩短了辐照实验，提供了效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的可开展辐照实验的散裂中子源靶体的透视图；

图2显示样品靶片的立体图；

图3显示样品靶片的俯视图；

图4显示样品容器的样品腔和样品腔盖，其中左小图显示样品腔中没有放置样品时的状态，右小图示意性显示样品腔中放置样品时的状态；

图5显示样品腔盖盖住样品腔时的样品容器状态；

图6显示靶容器的槽体俯视图和侧视图，其中显示了冷却液流道。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步详细说明。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，本发明的附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件。

图1为本发明实施例提供的可开展辐照实验的散裂中子源靶体的透视图。如图1所示，该散裂中子源靶体包括单层结构的靶容器1、多个重金属靶片2和多个样品靶片3。靶容器1包括槽体11和盖装于槽体的开口处的盖体12，槽体11界定出靶片安装腔13。盖体12与样品靶片3正对的位置处开有缝隙14。多个重金属靶片2和多个样品靶片3并排设置在靶片安装腔13中。多个样品靶片3中具有开口朝向盖体11的孔穴31，孔穴31中放置样品容器4，样品容器4内放置待进行辐照实验的样品。

重金属靶片2的材料可以为钨、钽、金、铀或铅，图1中显示的重金属靶片2为钨材料。靶容器1和样品靶片3的材料为不锈钢，例如316L不锈钢。靶容器1和样品靶片3的材料均为不锈钢，可以将样品靶片3与靶容器1进行电子束焊接，保证冷却液不渗漏出靶容器1。尽管样品靶片3的材料也可以是钨，从而也具有产生中子的作用，但是用钨的话就不能与靶容器1直接电子束焊接。

重金属靶片2和样品靶片3的数量分别为一个或多个，且重金属靶片2的数量优选多于样品靶片3的数量。图1中示例性地显示十三个重金属靶片2和三个样品靶片3。

样品靶片3可以放置在靶片安装腔13的前部、中部或后部。一般来讲，靶体靠前端部分中子通量最高，因此样品靶片3优选放置在靶片安装腔13的前部。

如图1所示，各个样品靶片3之间被至少一个重金属靶片2隔开，即样品靶片3不紧邻地并排设置在靶片安装腔13中，而重金属靶片2可以紧邻地并排设置在靶片安装腔13中。重金属靶片2和样品靶片3的形状根据靶片安装腔13的形状而定。图1中示例性地显示靶重金属靶片2和样品靶片3的形状为长方形。

样品靶片3中的孔穴31的数量为一个或多个，相应地，样品容器4的数量为一个或多个。图2和图3中示例性地显示八个孔穴31，相应地，样品容器4的数量为八个。

如图4所示，样品容器4包括用于容纳待进行辐照实验的样品的样品腔41和样品腔盖42。如图1所示，盖体12与样品靶片3正对的位置处所开的缝隙14是为了放置和取出样品容器4，即样品容器4穿过缝隙14放置于样品靶片3中或者从样品靶片3取出。图5显示样品腔盖盖住样品腔时的样品容器状态。

待进行辐照实验的样品例如可以是力学性能样品或形貌观察样品(如微观组织观察样品)。这些样品的尺寸一般较小，例如力学性能样品的尺寸可以为长16mm、宽4mm、厚0.75mm。由于样品腔41的辐照空间有限，为放置尽可能多的样品，应对样品腔41的内部布局进行优化设计。图4的右小图示意性地显示了放置样品后的样品腔41。

应说明的是，靶容器1、重金属靶片2、样品靶片3和样品容器4的尺寸没有特定的要求。不过，一方面要求按照待进行辐照实验的样品的尺寸来设计，另一方面要求样品靶片3的厚度尽量小，以免影响靶体产生中子的效率。

再参见图1，靶容器1的前端设置有靶窗5。而且，由于高能质子轰击重金属靶片2会产生大量热量，需要对重金属靶片2进行冷却，因此靶容器1的后端设置有冷却液进口6和冷却液出口7，靶片安装腔13内每两个相邻靶片(重金属靶片2和/或样品靶片3)之间具有冷却液流动间隙。通过冷却液流动间隙在重金属靶片2和/或样品靶片3之间形成冷却液平行流的冷却方式，以优化冷却性能。由于位于靶片安装腔13前端的前几片重金属靶片2的发热量较大，因此在这几片重金属靶片2上设置有热电偶10，通过热电偶10监控几片重金属靶片2的温度。靶容器1包括槽体11和盖装于槽体1开口处的盖体12。槽体11四周与盖体12扣紧后通过电子束焊接密封，而且样品靶片3上端与盖体12配合后进行电子束焊接，保证靶容器1密封。热电偶10穿过盖体12连接至重金属靶片2，且热电偶10与盖体12密封配合，防止冷却液从热电偶10与盖体12连接处泄露。

本发明实施例提供的散裂中子源靶体为单层结构，且经冷却液进口6和冷却液出口7在靶片安装腔13内形成一条冷却回路，结构简单，易于加工。

为了在满足工程应用的条件下，减小该散裂中子源靶体的加工难度，靶窗4采用朝向靶片安装腔13凹陷的、中部为圆柱面两端为球形面的结构。本领域技术人员可以理解，此处所指的圆柱面与球形面仅为完整圆柱面与完整球形面的一部分。

为了提高产生中子的效率，多个并排设置重金属靶片2自靶容器1的前端至后端厚度逐渐变大，也即每两个相邻的重金属靶片2中后一个的厚度大于前一个的厚度。本文中前端是指迎向中子源的一端。

另参见图6，由于前几片重金属靶片2的发热量较大，在靶片安装腔13的顶部和/或底部设置有冷却液流道8，且冷却液流道8位于靶片安装腔13的前端，使得位于前端的重金属靶片2可以与更多的冷却液接触，提高对重金属靶片2的散热能力。具体地，冷却液流道8与对应的重金属靶片2正对设置，也即冷却液流道8正对重金属靶片2的顶部和/或底部。

冷却液进口6与冷却液出口7分置于重金属靶片2和/或样品靶片3的两侧。冷却液从重金属靶片2和/或样品靶片3的一侧经冷却液流动间隙流动到重金属靶片2和/或样品靶片3的另一侧，在流经冷却液流动间隙时对重金属靶片2和/或样品靶片3进行冷却。另参见图6，至少靶片安装腔13的底部设置有凸筋9，凸筋9用以区隔两相邻的重金属靶片2和/或样品靶片3以形成冷却液流动间隙。

在进行样品辐照实验时，根据事先设计好的样品容器4，将待辐照的样品标记好后放置到样品腔41中，然后盖上样品腔盖42。将靶体移动到维护靶体的热室，并将样品容器4放置到热室内。通过遥控机械手将样品容器4穿过缝隙14插入到靶体的样品靶片3的孔穴31中，然后将靶体移动到工作位置。重金属靶片2接受质子辐照，产生中子，样品靶片3中的样品则接受中子的辐照。累计一定剂量的中子辐照后(一般通过计算确定)，将靶体移动到热室，通过遥控机械手取出样品容器4，换上新的样品容器4，靶体继续移动到工作位置工作，一个循环结束。因为辐照后样品已被活化，放射性活度较高，因此在取出样品容器4后要冷却一段时间，待剂量降低到一定水平后，通过机械手拆开样品腔盖42，从样品腔41取出经辐照处理的样品，进行辐照后分析。

以上应用了具体实例对本发明进行了阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。本发明所属技术领域的技术人员依据本发明的构思，还可以做出若干简单推演、变形或替换。这些推演、变形或替换方案也落入本发明的权利要求范围内。