一种束流窗口设备的制作方法

本申请属于加速器技术领域，涉及一种用于加速器的束流窗口设备，尤其涉及一种适用于高功率高流强的束流窗口设备。

背景技术：

束流窗口是加速器的重要设备之一，用于隔离不同的气氛环境，例如真空与氦气，高真空与低真空等。通常情况下，束流穿过窗口之后才能进入靶区进行打靶或其他实验环境，因此，束流窗口需有一定的真空性能、承压能力、导热性能及耐高温性能，以避免大量的热沉积可能带来的不良影响和危害，例如破坏真空。此外，由于束流窗口的工作环境，还需要束流窗口有一定的抗辐照性能，以避免窗口受辐照后产生老化影响窗口性能。束流窗口还应尽可能的选择低Z数的材料并减小厚度，以尽量减少束流穿过时产生散射带来的束流损失。

一方面，当前加速器束流窗口主要采用金属材料，且一般采用水冷散热，由此束流窗口一般厚度较大，且由于金属材料导致的散射及热沉积问题，使束流能量损失和功率损失较大，而散热效果却非常有限。另一方面，光源光束窗口一般采用铍材料，铍有毒，其加工制备比较困难。

随着高功率粒子加速器的发展，束流窗口在传热、强度等方面遇到瓶颈，尤其是束流功率5MW以上窗口，目前国际上没有先例。关于研究适用于束流功率5MW以上的窗口设备，温度及应力是主要制约因素。即使现有的适用于5MW以下的高功率束流窗口，也广泛存在束流损失、功率损失较大的问题。

换言之，既要满足高功率高流强的粒子加速器的真空与抗辐射需求，还要在窗口散热及强度方面有技术上的突破是当前高功率束流窗口设备研究的方向。

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本申请的发明者期望提供一种束流窗口设备，其采用石墨烯材料，使该设备达到一定的真空性能、优异的抗压和导热性能，克服了上述现有技术不足；而且，通过与其他材料和工艺的组合，其构造更有效地减少束流损失和功率损失问题。该束流窗口设备与当前国际水平上束流窗口设备相比较，允许的束流功率提高一个量级以上，尤其适用于束流功率5MW以上的粒子加速器。此外，还能满足并适用于不同功率的粒子加速器。

技术实现要素：

基于上述目的，一方面，本申请创新性地提供一种束流窗口设备，所述束流窗口设备至少包括一个束流窗口，所述束流窗口至少包括一层石墨烯纸层。

具体地，所述束流窗口设备与束流管道连接。

所述石墨烯纸厚度为10-200μm。

所述束流窗口设备包括一个束流窗口，所述束流窗口至少包括一层石墨烯纸层。

所述石墨烯纸层与所述支撑密封组件连接。

所述束流窗口设备与束流管道连接。进一步地，通过焊接、紧固组件或法兰等任一方式将所述束流窗口设备连接至束流管道。

所述束流窗口还可以包括加强层，所述加强层设置在所述石墨烯纸层一侧面或两侧面的边缘区域和/或全部区域。

进一步地，所述束流窗口包括部分加强层，其中，所述部分加强层位于所述石墨烯纸层的一侧面或两侧面的局部区域上。优选的，所述部分加强层被沉积至所述石墨烯纸层的边缘区域，其中，所述边缘与被束流穿过的中心区域相对而言，在所述石墨烯纸基底层上，未沉积所述加强层的区域面积等于或大于束斑σ，其中σ为束斑分布方差。可选择性地，所述束流窗口可以包括一层或两层加强层，其中，所述一层或两层加强层位于所述石墨烯纸层的一侧面或两侧面上。

更具体地，所述石墨烯纸层作为基底层，通过物理气相沉积或电化学沉积工艺将所述加强层材料沉积至所述石墨烯纸基底层的一侧面或两侧面上。

或者，通过喷墨打印或化学气相沉积工艺将石墨烯材料喷涂至所述加强层上，以形成所述包括完整一层加强层的束流窗口。

所述加强层材料选自铝、铜、镍、铝合金、铜合金、镍合金、铝基复合物、铜基复合物、镍基复合物等的任一种。

在一种实施方案中，本申请提供的所述束流窗口设备，包括一个束流窗口，所述束流窗口包括一层石墨烯纸层，其中，所述石墨烯纸层的厚度大约为10-200μm。所述束流窗口设备实际上是一种所述不包括加强层的单层石墨烯纸层的束流窗口，适用于例如光源光束窗或医用加速器束流线末端真空膜窗。对于两侧压差小或束斑小(窗口小)的情况可以使用所述包括单个束流窗口的设备。

在另一种实施方案中，本申请提供的所述束流窗口设备，还存在包括多个束流窗口的束流窗口设备，其中，所述束流窗口包括一层石墨烯纸层。在所述束流窗口设备中，所述束流窗口的个数主要取决于窗口两侧压差及束斑大小。

在另一种实施方案中，本申请提供的所述束流窗口设备包括一个或多个束流窗口，所述束流窗口包括部分加强层，其中所述部分加强层被设置在石墨烯纸层的一侧面或两侧面上。所述束流窗口设备适用于窗口两侧压差相对较大或束斑相对较大的情况，例如，高功率高流强质子窗口，其要求束流窗口设备的强度能够承受其两侧压力差。所述包括部分加强层的束流窗口边缘区域，主要用于增加所述束流窗口的承压能力，而所述未沉积加强层的中心区域作为束流穿过区域，散热效果更理想。

在另一种实施方案中，本申请提供的所述束流窗口设备包括一个或多个束流窗口，在所述束流窗口的一侧面或两侧面上包括部分或全部区域加强层，以适用于窗口两侧压差相对更大或束斑相对更大，或对真空密封性能要求较高的情况，例如，高功率高流强质子窗口。

基于上述本申请提供的束流窗口设备，其改进之处如下：

一方面，所述束流窗口设备具有一定的真空性能、抗辐照性能，还具有优异的承压能力、导热性能及耐高温性能。

另一方面，构造简单，采用的所述加强层和石墨烯纸层的材料易加工，安全性能高；即使单层石墨烯纸结构也可以直接用于光束窗。

有益效果

与现有技术相比较，本申请提供的上述束流窗口设备适用于各种类型的粒子加速器，包括高功率强子加速器，例如，散裂中子源、中微子工厂、加速器驱动次临界洁净核能系统(Accelerator Driven Sub-critical System，简称ADS)、对撞机等高功率加速器的质子束窗、中子束窗、次级粒子束窗、废束窗等束流窗口；光源光束线窗口及束流窗口；其他类型加速器束流窗口，如医用加速器束流线末端真空膜窗等。

通过上述技术方案，本申请所述束流窗口设备取得的有益效果如下：一方面，不仅具有一定的真空性能、抗辐照性能，还具有优异的承压能力、导热性能及耐高温性能；与现有技术相比较，其束流的能量损失大幅度减少，散热效果却大幅提高，设备厚度相对较小；另一方面，本申请提供的束流窗口设备构造简单，采用的所述加强层和石墨烯纸层的材料易加工，安全性能高；即使单层石墨烯纸结构也可以直接用于光束窗。

附图说明

为了更清晰地了解本申请，请参照以下附图所作的对非限制性示例性说明，本文将对本申请的特征、目的和优点做全面的说明：

图1为本申请所述一种束流窗口设备的一种实施方式的结构示意图；

图2为本申请所述一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图；

图3为本申请所述一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图；

图4为本申请所述一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图；

图5为本申请所述一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图；

图6为本申请所述一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图；

其中，图1-6中，1，束流窗口，2，石墨烯纸层；2’，石墨烯纸基底层；3，加强层；4，支撑密封组件。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅仅用于解释本申请的技术方案、构思，而非对本申请所做的限制性说明。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本实用新型相关的部分。其它未明确示出或未明确说明的部分均应理解为现有技术常规手段或方案，其结合本申请示出的技术特征可以实现本申请的技术效果。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施例中的具体的附加技术特征可以相互组合或替换。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本申请提供的一种束流窗口设备，该束流窗口设备至少包括一个束流窗口1，束流窗口1至少包括一层石墨烯纸层2。

图1为本申请所述束流窗口设备的一种实施方式的结构示意图。如图所示，该束流窗口设备包括一个束流窗口1，束流窗口1包括一层石墨烯纸层2。具体地，石墨烯纸层2的厚度为10-200μm。束流窗口设备与束流管道连接；具体的，束流窗口1与支撑密封组件4(例如法兰)紧固连接并密封。

图2为本申请所述束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图。所示的束流窗口设备包括一个束流窗口1，束流窗口1包括石墨烯纸层2和部分加强层3，其中，石墨烯纸层2作为基底层，成为石墨烯纸基底层2’，加强层3通过物理气相沉积或电化学沉积工艺等技术手段将加强材料沉积到石墨烯纸基底层2’上。优选的，加强层3位于石墨烯纸基底层2’的边缘区域，其中所述边缘部分与被束流穿过的中心区域相对而言，在束流窗口的石墨烯纸基底层上，未沉积加强层的区域面积为等于或大于束斑σ，其中σ为束斑分布方差。

加强层3的材料选自铝、铜、镍、铝合金、铜合金、镍合金、铝基复合物、铜基复合物、镍基复合物等的任一种。

更进一步地，如图2所示，部分加强层3被沉积到石墨烯纸基底层2’的一侧面上。

可选择性地，图3是本申请提供的一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图。部分加强层3被沉积至石墨烯纸基底层2’的两侧面上。

图4是本申请提供的一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图。束流窗口1还可以包括一层加强层3，加强层3位于石墨烯纸层2的一侧面上。正如图4所示，在石墨烯纸层2的一侧面上的全部区域有一层加强层3。可选择性地，束流窗口1还可以包括两层加强层3，分别位于石墨烯纸基底层2’的两侧面上。正如图5所示，本申请提供的一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图，在石墨烯纸层2的两个侧面上的全部区域都涂覆一层加强层3。通过物理气相沉积或电化学沉积工艺等技术手段将加强材料沉积到石墨烯纸基底层2’上；或者，通过喷墨打印或化学气相沉积工艺将石墨烯材料喷涂至加强层3上，以形成包括完整一层加强层3的束流窗口1。

应当理解的是，本申请提供的一种束流窗口设备，其包括如1-5所示的束流窗口的任一种、任意多种或其组合。具体地，其中一个束流窗口1中石墨烯纸层2与其相应的加强层3的沉积区域及它们的结构可以与其它束流窗口中的石墨烯纸层2的沉积区域及结构相同或不同。

其中，图6为本申请提供的一种束流窗口设备的另一种实施方式的结构示意图。束流窗口设备包括多个束流窗口1，每个束流窗口1可以是选自图1-图5所示的束流窗口中的任一种。通常，同一窗口设备的不同束流窗口优选同一种结构的束流窗口，但并不限于此，可以适当组合使用不同结构的束流窗口组成束流窗口设备以用于不同能量级的束流。

更具体地，在一种实施方式中，本申请提供的束流窗口设备，包括一个束流窗口，该束流窗口包括一层石墨烯纸层，其中，石墨烯纸层的厚度大约为10-200μm。这种束流窗口设备实际上是一种不包括加强层的单层石墨烯纸层的束流窗口，适用于例如光源光束窗或医用加速器束流线末端真空膜窗。对于两侧压差小或束斑小(窗口小)的情况可以使用所述包括单个束流窗口的设备。

而且，更详细地，本申请提供的束流窗口设备，单层石墨烯纸层的束流窗口设备，其采用厚度大约10～200μm的石墨烯纸，可以在不需要任何加强层的情况下满足以下加速器的各项要求，例如光源光束窗或医用加速器束流线末端真空膜窗，从而提供一种承压性能好、散热效果理想、束流损失较小的窗口设备。

在另一种实施方式中，本申请提供的束流窗口设备包括多个束流窗口的束流窗口，其中，束流窗口包括一层石墨烯纸层。在束流窗口设备中，束流窗口的个数主要取决于窗口两侧压差及束斑大小。

在其他实施方案中，本申请的所述束流窗口设备包括一个或多个束流窗口，该束流窗口包括部分加强层，其中部分加强层被设置在石墨烯纸层的一侧面或两侧面上。该束流窗口设备适用于窗口两侧压差相对较大或束斑相对较大的情况，例如，高功率高流强质子窗口，其要求束流窗口设备的强度能够承受其两侧压力差。所述包括部分加强层的束流窗口边缘区域，主要用于增加所述束流窗口的承压能力，而所述未沉积加强层的中心区域作为束流穿过区域，散热效果更理想。

在另一种实施方案中，本申请提供的所述束流窗口设备包括一个或多个束流窗口，在束流窗口的一侧面或两侧面上包括部分或全部区域加强层，以适用于窗口两侧压差相对更大或束斑相对更大，或对真空密封性能要求较高的情况，例如，高功率高流强质子窗口。

以上描述仅为本申请的较佳实施方式以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的保护范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离本申请构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。