一种氚靶装置的制作方法

本申请涉及离子束流轰击装置技术领域，具体涉及一种氚靶装置。

背景技术：

氘氚聚变中子发生器是利用高速氘离子束轰击氚靶发生氘氚聚变反应，形成氦原子并释放出中子。氚靶是中子发生器中的重要部件。其一般以热导率较高的铜或其合金为基体，厚度一般为几mm(毫米)，其表面镀有吸附有氚的钛膜，厚度一般为几μm(微米)。高速氘离子束正是与钛膜中的氚原子发生反应，产生中子。反应时产生的热量沉积于靶片中，再通过靶片背部的冷却流体带走。由于束流轰击时的热流密度最高可达几十kw/cm²(千瓦每平方厘米)，若不能及时散出，将会引起靶片温度过高，不仅会造成氚原子的逃逸损失，降低中子发生器性能，严重时甚至还会使靶片的烧毁。

目前的强流中子发生器所采用的氚靶结构形式主要为旋转靶。相较于早期的固定靶结构，氘离子束流不再是对靶片上的某一固定点进行轰击，而是随着氚靶的旋转，连续轰击靶片的不同位置，这就避免了对同一个位置连续轰击导致局部温度过高。显然，当束流功率一定时，靶片直径越大，转速越高，其温度也就越低。目前普遍采用的旋转靶转速一般为1000～5000rpm(转每分钟)，直径一般为200～500mm，靶片背部循环冷却水的流量通常为10～30l/min(升每分钟)，以维持整个靶片的最高温度不超过200℃。随着人们对中子束流功率要求的不断提高，现有技术很难满足要求，继续提高靶片直径和转速会受到机械强度、密封技术等限制。

因此，本技术领域亟需提供一种新的氚靶装置。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种氚靶装置，能够有效地控制靶片的温度，避免工作时原子的逃逸损失、避免降低装置的性能，并能有效地保护装置，此外无需增加靶片的直径和提高靶片的转速，而且能保证装置的机械强度等。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种氚靶装置，所述氚靶装置包括靶主体和加速器接口，所述靶主体包括靶片，所述靶片包括基底以及设于所述基底上具备高热导率性能的金刚石层，其中，当氘离子束流经所述加速器接口射入轰击所述靶片时，释放的热能经由所述金刚石层吸收扩散后传递给所述基底。

上述氚靶装置，通过在靶片的基底上设置具备高热导率性能的金刚石层，从而利用金刚石的超高热导率，使热量迅速扩散，以避免局部温度过高。通过这种方式，本申请能够有效地控制靶片的温度，避免工作时氚原子的逃逸损失、避免降低装置的性能，并能有效地保护装置，此外无需增加靶片的直径和提高靶片的转速，而且能保证装置的机械强度等。

附图说明

图1为一实施例中氚靶装置的剖面结构示意图，其中，还显示了氘离子束流的氘离子束入射方向；

图2为图1所示氚靶装置的ⅱ部分放大结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1和图2，图1为一实施例中氚靶装置的剖面结构示意图，其中，还显示了氘离子束流的氘离子束入射方向，图2为图1所示氚靶装置的ⅱ部分放大结构示意图。

在本实施例中，所述氚靶装置包括但不限于靶主体100和加速器接口400，所述靶主体100包括靶片110，所述靶片110包括基底111以及设于所述基底111上具备高热导率性能的金刚石层112，其中，当氘离子束流经所述加速器接口400射入轰击所述靶片110时，释放的热能经由所述金刚石层112吸收扩散后传递给所述基底111。

需要说明的是，本实施例氚靶装置的最小构成结构可以仅为上述的靶主体100和加速器接口400，其只需在基底111上形成金刚石层112即可利用金刚石的超高热导率性能进行及时散热，达到相关的技术效果，上述最小构成结构可以应用到任一种类型的氚靶装置中，包括但不限于图1所示的氚靶装置。

值得注意的是，本实施例的所述金刚石层112优选地为金刚石镀膜，其中，其可以完全覆盖形成于基底111，也可以针对温度较高的区域进行针对性设置，在此不作限定。

优选地，所述金刚石镀膜形成于氘离子束流轰击所述基底111时的环形轰击区域的内表面上，并呈环带状。具体而言，氘离子束流轰击所述基底111的外圆周位置的环形轰击区域，因此为了更好地传导热能，本实施例的金刚石镀膜形成于被轰击的一侧的内表面上，对应地，为了能较大限度地实现散热效果，金刚石镀膜沿该环形轰击区域覆盖设置，以形成上述的环带状。

需要说明的是，所述靶片110还包括吸氚钛膜113，所述吸氚钛膜113设于所述金刚石镀膜位于氘离子束流轰击侧的表面上，使得所述金刚石镀膜夹设于所述基底111和所述吸氚钛膜113之间，不难理解的是，所述吸氚钛膜113也可以与金刚石镀膜对应地为环带状。其中，在工作过程中，氘离子束流对吸氚钛膜113轰击，产生中子，同时聚变释放的热量先由金刚石镀膜吸收，然后传递给基底111。

为了更好地实现散热效果，在其他实施例中，所述氚靶装置还包括冷却结构200，所述冷却结构200包括挡板210、形成于所述挡板210上的冷却介质入口220和冷却介质出口230，所述挡板210与所述基底111相邻设置且两者之间形成有用于注入冷却介质的收容空间。对应地，聚变释放的热量先由金刚石镀膜吸收后传递给基底111，接着通过冷却结构200冷却带走。

本申请的氚靶装置可以为固定式氚靶装置或旋转式氚靶装置，优选地，所述氚靶装置为旋转式氚靶装置，所述氚靶装置还包括空心转轴120、与所述空心转轴120相连接以驱动所述靶主体100旋转的传动机构300，所述空心转轴120与所述靶片110之间连接设置，所述挡板210与所述空心转轴120之间设有动密封结构240，以使得所述空心转轴120、所述靶片110和所述挡板210之间密封连接。

值得注意的是，传动机构300可以为同步带轮，以驱动所述靶主体100高速旋转，所述动密封结构240优选地可以为机械动密封。

如图1所示，所述加速器接口400包括加速器连接法兰410和真空密封结构420，所述加速器连接法兰410沿轴向方向形成有用于射入氘离子束流的法兰入口，所述加速器连接法兰410和所述空心转轴120之间通过所述真空密封结构420相连接，以使得所述法兰入口到所述靶片110之间维持形成的真空空间。

需要说明的是，所述真空密封结构420采用磁流体密封。

在优选的实施例中，所述基底111呈球冠状，所述挡板210的形状与所述基底111对应呈球冠状，所述冷却介质入口220为多个喷嘴并沿所述挡板210的圆周方向间隔排列设置，以使得冷却介质经由所述多个喷嘴射入冲击所述基底111对应的多个区域。优选地，所述冷却介质入口220可以为十二、或十六个喷嘴，以通过更密集的方式进行高效的冲击散热效果。其中，冷却介质经由所述多个喷嘴射入冲击所述基底111对应的多个区域后，经由冷却介质出口230流出。

对应地，冷却介质出口230可以与冷却介质入口220的个数一致并一一对应设置，也可以一对多或多对一的方式进行区别设置，以实现较好的快速流出散热效果。

在优选的实施例中，所述基底111的材料包括铜或铜合金，所述空心转轴120与所述靶片110之间通过螺纹或螺栓连接设置。本实施例的基底111采用铜或铜合金材料，能够满足靶片110所需的机械强度，同时又具有很好的机械加工性能。

本实施例还提供一种采用上述任一实施例涉及的氚靶装置的中子发生器。

综上所述，本申请通过在靶片110的基底111上设置具备高热导率性能的金刚石层112，从而利用金刚石的超高热导率，使热量迅速扩散，以避免局部温度过高。通过这种方式，本申请能够有效地控制靶片110的温度，避免工作时氚原子的逃逸损失、避免降低装置的性能，并能有效地保护装置，此外无需增加靶片的直径和提高靶片的转速，而且能保证装置的机械强度等。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。