一种摆动式大功率x射线转换靶装置
阅读说明：本技术 一种摆动式大功率x射线转换靶装置 (Swing type high-power X-ray conversion target device ) 是由 陆洁平 倪晓敏 査军 肖珺 陈海 于 2021-09-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种摆动式大功率X射线转换靶装置,包括转换靶和用于支撑转换靶的支撑组件,转换靶和支撑组件设置于扫描窗下方,支撑组件包括支撑架和电机驱动机构,支撑架包括架体和设置于架体两侧的导轨,两侧的导轨上均设有电机驱动机构,电机驱动机构包括驱动电机、滑轮和连接板,滑轮设置于导轨上,驱动电机驱动滑轮运动,并带动连接板随滑轮运动,连接板与转换靶铰接。支撑组件带动转换靶往复直线运动和往复摆动运动,避免电子束在靶的同一位置长时间轰击,延长靶的寿命,并提高了X射线输出的均匀性,且转换靶的金属复合板的下端设置冷却液管,保证良好冷却效果的同时避免冷却液与重金属板直接接触,无靶的腐蚀隐患和密封圈的更换问题。(The invention relates to a swing type high-power X-ray conversion target device, which comprises a conversion target and a supporting assembly for supporting the conversion target, wherein the conversion target and the supporting assembly are arranged below a scanning window, the supporting assembly comprises a supporting frame and a motor driving mechanism, the supporting frame comprises a frame body and guide rails arranged on two sides of the frame body, the guide rails on the two sides are respectively provided with the motor driving mechanism, the motor driving mechanism comprises a driving motor, a pulley and a connecting plate, the pulley is arranged on the guide rails, the driving motor drives the pulley to move and drives the connecting plate to move along with the pulley, and the connecting plate is hinged with the conversion target. The supporting component drives the conversion target to do reciprocating linear motion and reciprocating swing motion, so that the electron beam is prevented from bombarding at the same position of the target for a long time, the service life of the target is prolonged, the output uniformity of X rays is improved, the lower end of the metal composite plate of the conversion target is provided with the cooling liquid pipe, the direct contact between the cooling liquid and the heavy metal plate is avoided while the good cooling effect is ensured, and the problems of corrosion hidden troubles and the replacement of a sealing ring of the target are avoided.)
技术领域
本发明属于辐照加工技术领域，具体涉及一种摆动式大功率X射线转换靶装置。
背景技术
在辐照加工技术领域，为弥补电子束穿透力弱和γ射线利用率低及有固定衰减等不足而造成的辐照加工实际应用中的局限性，利用高能大束功的电子束轰击重金属靶得到的X射线源，兼具了上述两种射线的优点。而最近几年由于钴-60源市场供应不足、源的退役问题、γ辐照装置的环境问题等都限制了国内γ辐照源的发展。可以预期采用高能电子束或用高能电子束打靶产生X射线来替代钴源将是未来辐照加工产业的发展趋势之一。
而在辐照加工行业中，要实现利用X射线进行辐照加工的规模化生产，电子束转换成的X射线功率需要达到一定水平。现有的X射线转换靶产品，受电子束转换X射线转换率的制约，通常以选用最佳厚度的高原子序数的重金属板材作为转化靶，提高电子束能量和束流等方式来获得理想的X射线功率输出。而高能量大束流产生的电子束的高功率，会直接作用在X射线转换靶表面的重金属板材层来实现不到总功率10％的X射线的产出，其余的能量将通过热能释放。因此，转换靶需要有良好的整体散热性能，需要有外部冷却。一般转换靶需要冷却液对转换靶的靶材料层进行冷却。
目前，大功率电子的X射线转换靶结构一般有两种。一种是采用在重金属板材料层和轻金属材料层之间设计冷却液层再通过密封圈以螺栓紧固方式来实现冷却液层的密封和靶的冷却效果。此种方式冷却液层的液体流到底很宽很长，容易导致液体流速度不均匀，且易产生气泡影响冷却液对转换靶的冷却效果，再者由于冷却液和靶直接接触也会对靶有一定腐蚀效果、长期电子束作用在靶的同一区域等都大大影响了靶的使用寿命，同时由于需定期更换密封圈，也增加了维护费用、降低了辐照产能。另一种是将重金属材料层直接与轻金属材料层焊接在一起，再在轻金属材料层下方焊接导热冷却剂管道。此种方法的缺陷是导热冷却剂管道对X射线有一定的吸收作用，从而影响X射线输出的均匀性。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种摆动式大功率X射线转换靶装置，转换靶的支撑组件能够带动转换靶往复直线运动和往复摆动运动，使电子束不会在靶的同一位置长时间轰击，避免转换靶因局部过热引起靶变形或提前损坏，并有效提高了X射线输出的均匀性；此外，转换靶采用重、轻金属复合板及冷却液管相结合的方式来实现高能电子束轰击后X射线的产生及低能射线的过滤，既有较高的转换效率，也能在保证良好的冷却效果的同时避免冷却液与重金属板的直接接触，无靶的腐蚀隐患和密封圈的更换问题，结构简单，可靠性高，使用寿命长。
本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种摆动式大功率X射线转换靶装置，包括转换靶和用于支撑转换靶的支撑组件，所述转换靶和支撑组件设置于扫描窗下方，所述支撑组件包括支撑架和电机驱动机构，所述支撑架包括架体和设置于所述架体两侧的导轨，两侧所述的导轨上均设有电机驱动机构，所述电机驱动机构包括驱动电机、滑轮和连接板，所述滑轮设置于所述导轨上，所述驱动电机驱动所述滑轮运动，并带动所述连接板随滑轮运动，所述连接板与所述转换靶铰接。
进一步具体的，所述导轨的端部设置有限位行程开关。
进一步具体的，所述导轨包括平行设置的第一导轨和第二导轨，所述滑轮卡设在所述第一导轨与第二导轨之间。
进一步具体的，所述转换靶包括金属复合板、设置于所述金属复合板下方的若干冷却液管、设置于所述金属复合板短边两侧的侧固定框架以及各设置于所述金属复合板长边两侧的冷却液输入管及冷却液输出管，所述冷却液管设置在所述冷却液输入管与冷却液输出管之间，所述冷却液输入管、冷却液输出管以及若干冷却液管相通，所述金属复合板包括重金属板和设置于所述重金属板下方的轻金属板，所述轻金属板底部设置若干圆弧型槽，所述冷却液管设置于所述圆弧型槽上。
进一步具体的，所述冷却液管沿平行于所述转换靶的短边方向设置。
进一步具体的，所述连接板与所述转换靶的铰接结构为在所述转换靶的侧固定框架上开设有连接孔，所述连接板通过螺栓与所述连接孔连接，所述连接孔为腰型孔，所述连接孔的较长轴线与所述转换靶的短边方向垂直。
进一步具体的，所述轻金属板的圆弧型槽的深度为所述金属复合板厚度的50～65％。
进一步具体的，所述金属复合板中的重金属板的材料为钽、钨、金的其中一种。
进一步具体的，所述金属复合板中的轻金属板的材料为铜、铝的其中一种。
进一步具体的，所述轻金属板为铜板时，所述冷却液管为铜管，所述轻金属板为铝板时，所述冷却液管为铝管。
本发明的有益效果是：
(1)转换靶的支撑组件上设置电机驱动机构，能够带动转换靶往复直线运动和摆动运动，使电子束不会在靶的同一位置长时间轰击，避免转换靶因局部过热引起靶变形或提前损坏，延长靶的使用寿命，并有效提高了X射线输出的均匀性；
(2)转换靶的金属复合板下端设置有若干冷却液管，从而使得冷却液不会直接和金属复合板接触，避免了金属复合板被冷却液腐蚀的风险，提升了靶整体的使用寿命，且摒弃了现有技术中需要通过密封圈等密封材料来隔离、密封冷却液，并需要定期更换密封圈的弊端；
(3)冷却液管沿平行于转换靶的短边方向设置，缩短了冷却液从冷却液输入管流至冷却液输出管的距离，提高了热交换速率，且使冷却液流速更加均匀，从而更好的给金属复合板降温，提高转换靶的整体散热性能；
(4)转换靶的金属复合板的底部开有若干个圆弧型槽，冷却液管设置在圆弧型槽上，有效增大了冷却液管与金属复合板的接触面积，增强了冷却液管的换热能力，进一步提高了转换靶的冷却效果。
附图说明
图1是本发明摆动式大功率X射线转换靶装置结构示意图一；
图2是本发明摆动式大功率X射线转换靶装置结构示意图二；
图3是本发明X射线转换靶的主视图；
图4是本发明X射线转换靶的剖视图；
图5是本发明X射线转换靶的局部放大图；
图6是本发明转换靶在支撑组件上往复直线运动示意图；
图7是本发明转换靶在支撑组件上往复摆动运动示意图。
图中：10、转换靶；110、金属复合板；111、重金属板；112、轻金属板；1121、圆弧型槽；120、冷却液管；130、侧固定框架；131、连接孔；140、冷却液输入管；150、冷却液输出管；20、支撑组件；210、支撑架；211、架体；212、导轨；2121、第一导轨；2122、第二导轨；220、电机驱动机构；221、驱动电机；222、滑轮；223、连接板；2231、螺栓；230、限位行程开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。
如图1所示，一种摆动式大功率X射线转换靶装置，包括转换靶10和用于支撑转换靶10的支撑组件20，所述转换靶10和支撑组件20设置于扫描窗下方。
如图3、图4、图5所示，转换靶10包括金属复合板110、设置于金属复合板110下方的若干冷却液管120、设置于金属复合板110短边两侧的侧固定框架130以及各设置于所述金属复合板110长边两侧的冷却液输入管140及冷却液输出管150，冷却液管120设置在冷却液输入管140与冷却液输出管150之间。
冷却液输入管140和冷却液输出管150上相对地设置有若干孔，所述孔的内径与冷却液管120的内径一致，冷却液管120焊接在相对应的孔处使其与冷却液输入管140以及冷却液输出管150相通。冷却液从冷却液输入管140进入，流经所有冷却液管120后最终从冷却液输出管150流出，给金属复合板110降温。冷却液不会直接与金属复合板110接触，避免了金属复合板110被冷却液腐蚀的风险，提升了靶整体的使用寿命，且摒弃了现有技术中需要通过密封圈等密封材料来隔离、密封冷却液，并需要定期更换密封圈的弊端。
如图5所示，金属复合板110包括重金属板111和设置于所述重金属板111下方的轻金属板112，所述重金属板111与所述轻金属板112通过爆炸复合工艺相结合。所述重金属板111用于接受高能量大功率的电子束轰击，当高能电子束轰击重金属板111时，在重金属板111内发生轫致辐射而产生X射线。由于X射线的转换效率跟原子序数高低有关系，原子序数越高相应的转换效率也越高，因此重金属板111的材料选择高原子序数金属材料，在本实施例中为钽、钨、金的其中一种。轻金属板112的材料为具有高导热率和低原子序数的铜材料或铝材料。重金属板111下层的轻金属板112一方面用来阻挡穿过重金属板111的电子束，保证辐照产品只能接受X射线的辐照而不会接收电子束照射，且同时获得合适的电子转换X射线的能量，有效的过滤射线剩余电子及X射线的低能部分，实现X射线的硬化，另一方面，轻金属板112与重金属板111直接接触，可以更好为重金属板111散热。
如图5所示，轻金属板112底部设置若干圆弧型槽1121，冷却液管120贴合于所述圆弧型槽1121后通过焊接固定于圆弧型槽1121上。所述冷却液管120为具有高导热率和低原子序数的铜管或铝管，且为了便于焊接，当轻金属板112为铜板时，冷却液管120为铜管；当轻金属板112为铝板时，冷却液管120为铝管。圆弧型槽1121的深度为金属复合板110板厚度的50～65％，保证轻金属冷却液管120与重金属板111不直接接触的情况下，尽可能增大冷却液管120与金属复合板110的接触面积，从而能更好得为金属复合板110降温。
如图3所示，若干冷却液管120沿平行于所述转换靶10的短边方向均匀设置，相较于沿平行于转换靶10的长边方向设置有效缩短了冷却液从冷却液输入管140流至冷却液输出管150的距离，提高了热交换速率，且使冷却液流速更加均匀，从而更好的给金属复合板110降温，提高转换靶10的整体散热性能。
当高能电子束流轰击X射线转换靶10时，其中部分能量转换为X射线，其它能量则转换为热量沉积于转换靶10表面。为了避免电子束在靶的同一位置长时间轰击而导致转换靶10因局部过热引起变形或损坏，如图1、图2所示，转换靶装置中还包括能够带动转换靶10往复直线运动和往复摆动运动的支撑组件20。所述支撑组件20包括支撑架210和电机驱动机构220，支撑架210包括架体211和设置于所述架体211两侧的导轨212，两侧所述的导轨212上均设有电机驱动机构220，所述电机驱动机构220包括驱动电机221、滑轮222和连接板223，所述滑轮222设置于所述导轨212上，所述驱动电机221驱动所述滑轮222运动，并带动所述连接板223随滑轮222运动，所述连接板223与所述转换靶10铰接。所述支撑组件20结构简单，避免电子束在靶的同一位置长时间轰击，提高了转换靶10的寿命和可靠性。
在本实施例中，所述导轨212包括平行设置的第一导轨2121和第二导轨2122，所述滑轮222卡设在所述第一导轨2121与第二导轨2122之间。所述滑轮222一端与驱动电机221连接，另一端与连接板223连接，使得驱动电机221能够通过滑轮222带动连接板223移动。
所述支撑组件20还包括用于控制驱动电机221的运动状态的限位行程开关230，所述限位行程开关230设置于架体211上，并位于导轨212的端部。
如图2、图3所示，转换靶10的侧固定框架130上开设有连接孔131，所述连接孔131为腰型孔，且连接孔131的较长轴线与所述转换靶10的短边方向垂直，连接板223通过螺栓2231与连接孔131相配合实现与转换靶10的铰接。由于连接孔131为腰型孔，使得设置在支撑组件20上的转换靶10能够在水平方向上实现一定距离的左右移动，从而使转换靶10能够在支撑组件20上摆动运动。
如图6所示，当转换靶10两侧的电机驱动机构220同向运行时，可实现转换靶10的直线移动。具体运动过程为：导轨212两侧的驱动电机221驱动两侧导轨212上的滑轮222同方向滑动，并带动连接板223随滑轮222移动，转换靶10随两侧的连接板223平行移动，当连接板223碰到设置在导轨212端部的限位行程开关230后，触发驱动电机221反转，并带动连接板223随滑轮222由原来的运行方向切换到相反方向运行，转换靶10也随两侧的连接板223朝反方向平行移动，实现转换靶10在一定距离内的往复直线运动。
如图7所示，当转换靶10两侧的电机驱动机构220相向运行时，可实现转换靶10的摆动运动。具体运动过程为：导轨212两侧的驱动电机221驱动两侧导轨212上的滑轮222朝相对方向滑动，并带动两侧连接板223相向移动，转换靶10的短边两侧与连接板223铰接，使得转换靶10的短边两侧随两侧连接板223相向移动，当连接板223碰到设置在导轨212端部的限位行程开关230后，触发驱动电机221反转，并带动连接板223随滑轮222由原来的运行方向切换到相反方向运行，相应的转换靶10的短边两侧各自朝着相反方向移动，从而实现转换靶10在支撑组件20上的往复摆动运动。转换靶10在支撑组件上20的往复摆动运动使得电子束照射在转换靶10上的区域会成一定角度连续变化，从而改善了金属复合板110下方的冷却液管120对X射线的吸收作用，有效提高X射线的整体输出均匀性。
综上，本发明提供了一种摆动式大功率X射线转换靶装置，转换靶10的支撑组件20能够带动转换靶10往复直线运动和往复摆动运动，使电子束不会在靶的同一位置长时间轰击，避免转换靶10因局部过热引起靶变形或提前损坏，且结构简单，可靠性高，并有效提高了X射线输出的均匀性；并且，转换靶10采用金属复合板110及冷却液管120相结合的方式来实现高能电子束轰击后X射线的产生及低能射线的过滤，既有较高的转换效率，也能在保证良好的冷却效果的同时避免冷却液与重金属靶的直接接触，无靶的腐蚀隐患和密封圈的更换问题；同时，冷却液管120沿平行于转换靶10的短边方向设置，缩短了冷却液从冷却液输入管140流至冷却液输出管150的距离，提高了热交换速率，且使冷却液流速更加均匀，从而更好的给金属复合板110降温，提高转换靶10的整体散热性能；此外，金属复合板110的底部开有若干个圆弧型槽1121，冷却液管120设置在圆弧型槽1121上，有效增大了冷却液管120与金属复合板110的接触面积，增强了冷却液管120的换热能力，进一步提高了对转换靶10的冷却效果。
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
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