一种大功率电子加速器用旋转式液冷X射线透射转换靶的制作方法

本实用新型涉及粒子加速器技术领域，具体涉及一种大功率电子加速器用旋转式液冷x射线透射转换靶。

背景技术：

电子加速器是用于产生x射线的一种装置，是工业辐照、放疗、安检成像等应用最重要的组成装置之一。电子加速器将电子加速到一定能量(0.6-25mev)后，电子轰击靶材，通过韧致辐射的原理产生x射线。靶的性能决定了x射线的转换效率、能谱以及可以承受的功率。

目前电子加速器所采用的x射线转换靶一般都是固定式的，对于成像用加速器，要求x射线焦斑固定，因此电子束必须轰击在靶面上固定的位置。当电子束功率较大时，会导致靶面温度急剧升高，造成靶面烧蚀甚至形成漏洞，导致加速器真空破坏，因此加速器的功率受到靶性能的严重制约。

技术实现要素：

为了解决在加速器输出电子束功率密度很大的情况下，现有固定式x射线转换靶造成靶面烧蚀损伤的技术问题，本实用新型提供了解决上述问题的一种大功率电子加速器用旋转式液冷x射线透射转换靶。本实用新型采用高速旋转与冷却结合的方式，大大降低了电子束轰击区域的温度，避免转换靶烧蚀损坏。

本实用新型通过下述技术方案实现：

一种大功率电子加速器用旋转式液冷x射线透射转换靶，包括真空腔体、旋转靶和轴承组件；其中，所述旋转靶安装在所述轴承组件上，由所述轴承组件带动所述旋转靶在真空腔体内作高速旋转运动；从加速器中输出的电子束沿着束流管道注入，通过电子透射窗后轰击旋转靶靶面外缘，部分能量转换为x射线经x射线输出窗出射到工作区域，且通过旋转靶的高速旋转使得剩余能量以热量的形式沉积到旋转靶外缘上的一条环形区域；所述真空腔体设有冷却液入口和冷却液出口，冷却液经冷却液入口流入真空腔体内，与高速旋转的旋转靶之间进行热交换后从冷却液出口流出。

优选的，本实用新型的旋转靶外缘，即电子束轰击区域的靶厚度为0.5～5mm。

优选的，为了进一步降低旋转靶的温度，提高冷却效果，本实用新型的旋转靶的靶表面加工成平面、曲面或沟槽结构，通过旋转靶的高速旋转，实现与冷却液的高效对流。

优选的，本实用新型的旋转靶整个靶材料采用但不限于钼、钨、铼、钽或铼钨合金。

优选的，本实用新型的旋转靶采用组合焊接式结构，所述旋转靶的中心基体采用不锈钢、镍、铜及铜合金材料，所述旋转靶的外缘，即电子束轰击区域采用钼、钨、铼、钽或铼钨合金材料。

优选的，本实用新型冷却液入口和冷却液出口沿圆形真空腔体的切向开口，且分别位于真空腔体的上下两侧。本实用新型通过上述设置，使得冷却液流动方向和旋转方向一致，避免冷却液对高速旋转的旋转靶造成较大的冲击。

优选的，本实用新型的冷却液入口和冷却液出口与圆形真空腔体的切向呈角度开口。

优选的，本实用新型采用和金属真空封接的金刚石或铍作为x射线输出窗和电子透射窗。

优选的，本实用新型的轴承组件采用滚珠轴承，通过真空腔体外部驱动线圈驱动，从而带动旋转靶高速旋转。

优选的，本实用新型的冷却液采用但不限于变压器油。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

1、本实用新型通过高速旋转的方式，在不改变电子束轰击位置的情况下，将电子束沉积的功率迅速分散到靶面较大的区域，再通过冷却液体与高速旋转靶之间的强制热交换，从而降低电子束轰击区域的温度，避免转换靶烧蚀损坏。

2、本实用新型通过靶的高速旋转，使得位置固定的电子束功率沉积在一条环形的区域，相比固定靶单点沉积区域，大大降低了平均功率密度和靶的温度，同时将高速旋转靶高温部分直接和冷却液接触，散热率大大增加。

3、本实用新型采用液冷旋转式x射线透射转换靶，可以将靶面的最高温度降低数倍，散热率提高几十倍。该技术大大提高加速器电子束功率密度上限，提高设备使用效率或成像性能。具体数值取决于所使用的电子束参数、旋转靶系统结构设计和材料选择，以及靶的转速。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本实用新型实施例的限定。在附图中：

图1为本实用新型的转换靶结构示意图。

图2为本实用新型第一实施例旋转靶靶面结构示意图。

图3为本实用新型第二实施例旋转靶靶面结构示意图。

图4为本实用新型第三实施例旋转靶靶面结构示意图。

图5为本实用新型第一实施例冷却液入口和冷却液出口位置示意图。

图6为本实用新型第二实施例冷却液入口和冷却液出口位置示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-真空腔体，1-1-冷却液入口，1-2-冷却液出口，1-3-冷却液循环轨迹，2-旋转靶，3-轴承组件，3-1-轴承转子，3-2-轴承驱动套，3-3，轴承定子，4-电子束，5-电子透射窗，6-x射线，7-x射线输出窗，8-驱动线圈，9-束流管道，10-冷却液。

具体实施方式

在下文中，可在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”或“可包括”指示所实用新型的功能、操作或元件的存在，并且不限制一个或更多个功能、操作或元件的增加。此外，如在本实用新型的各种实施例中所使用，术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

在本实用新型的各种实施例中，表述“或”或“a或/和b中的至少一个”包括同时列出的文字的任何组合或所有组合。例如，表述“a或b”或“a或/和b中的至少一个”可包括a、可包括b或可包括a和b二者。

在本实用新型的各种实施例中使用的表述(诸如“第一”、“第二”等)可修饰在各种实施例中的各种组成元件，不过可不限制相应组成元件。例如，以上表述并不限制所述元件的顺序和/或重要性。以上表述仅用于将一个元件与其它元件区别开的目的。例如，第一用户装置和第二用户装置指示不同用户装置，尽管二者都是用户装置。例如，在不脱离本实用新型的各种实施例的范围的情况下，第一元件可被称为第二元件，同样地，第二元件也可被称为第一元件。

应注意到：如果描述将一个组成元件“连接”到另一组成元件，则可将第一组成元件直接连接到第二组成元件，并且可在第一组成元件和第二组成元件之间“连接”第三组成元件。相反地，当将一个组成元件“直接连接”到另一组成元件时，可理解为在第一组成元件和第二组成元件之间不存在第三组成元件。

在本实用新型的各种实施例中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的并且并非意在限制本实用新型的各种实施例。如在此所使用，单数形式意在也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本实用新型作进一步的详细说明，本实用新型的示意性实施方式及其说明仅用于解释本实用新型，并不作为对本实用新型的限定。

实施例1

本实施例提出了一种大功率电子加速器用旋转式液冷x射线透射转换靶，通过高速旋转的方式，在不改变电子束轰击位置的情况下，将电子束沉积的功率迅速分散到靶面较大的区域，再通过冷却液体与高速旋转靶之间的强制热交换，从而降低电子束轰击区域的温度，避免转换靶烧蚀损坏。

如图1所示，本实施例的旋转靶包括真空腔体1、旋转靶2和轴承组件3；其中，所述旋转靶2安装在所述轴承组件3上，由所述轴承组件3带动所述旋转靶2在真空腔体1内作高速旋转运动；从加速器中输出的电子束3沿着束流管道9注入，通过电子透射窗5后轰击旋转靶2靶面外缘，部分能量转换为x射线6经x射线输出窗7出射到工作区域，且通过旋转靶2的高速旋转使得剩余能量以热量的形式沉积到旋转靶2外缘上的一条环形区域；所述真空腔体1设有冷却液入口1-1和冷却液出口1-2，冷却液10经冷却液入口1-1流入真空腔体1内，与高速旋转的旋转靶2之间进行热交换后从冷却液出口1-2流出。

具体在本实施例中，所述轴承组件3包括轴承转子3-1，轴承驱动套3-2和轴承定子3-3；所示旋转靶2安装在轴承转子3-1上，轴承定子3-3固定在真空腔体1内，轴承驱动套3-2在真空腔体外的驱动线圈8的驱动下高速旋转，从而带动整个轴承转子3-1以及旋转靶2高速旋转，通过旋转靶2的高速旋转，使得位置固定的电子束功率沉积在一条环形的区域，相比固定靶单点沉积区域，大大降低了平均功率密度和靶的温度；同时高速旋转的旋转靶2的高温部分直接和冷却液10接触，大大增加了散热效率。

具体在本实施例中，采用和金属真空封接的金刚石或铍作为x射线输出窗7和入射电子透射窗5，所述x射线输出窗7和电子透射窗5的厚度优选为小于1mm。

具体在本实施例中，所述轴承组件3可采用滚珠轴承，通过外部驱动线圈8驱动，从而带动旋转靶2高速旋转。所述驱动线圈8采用但不限于风冷、水冷和油冷方式进行冷却。

实施例2

本实施例对上述实施例1中的旋转靶2作了进一步优化，本实施例中的旋转靶2靶表面加工成平面(如图2所示)、曲面(如图3所示)或沟槽结构(如图4所示)，通过旋转靶2的高速旋转，实现和冷却液的高效对流，提高冷却效果。

实施例3

本实施例对上述实施例1中的旋转靶2作了进一步优化，本实施例的旋转靶2靶面外缘，即电子束轰击区域的靶总厚度优选为0.5～5mm。

本实施例的旋转靶2整个靶材料采用但不限于钼、钨、铼、钽或铼钨合金。

实施例4

本实施例对上述实施例1中的旋转靶2作了进一步优化，本实施例的旋转靶采用组合式焊接结构，所述靶面外缘，即电子束功率沉积区域采用但不限于钼、钨、铼、钽或铼钨合金材料，所述靶面基体采用但不限于不锈钢、镍、铜或铜合金材料。

实施例5

本实施例对上述实施例1-4中的冷却液入口1-1和冷却液出口1-2的位置作了进一步优化设计，本实施例的冷却液入口1-1和冷却液出口1-2沿圆形真空腔体的切向开口，且入口和出口分布在真空腔体的上下两侧，使得冷却液流动方向和旋转方向一致，避免冷却液对高速旋转的旋转靶造成较大的冲击，如图5所示。

实施例6

本实施例对上述实施例1-4中的冷却液入口1-1和冷却液出口1-2的位置作了进一步优化设计，本实施例的冷却液入口1-1和冷却液出口1-2沿圆形真空腔体的切向呈小角度夹角，本实施例中角度优选为小于30度；冷却液直接对高速旋转靶进行冷却，由于角度较小，冷却液不会对旋转靶造成较大的径向冲击，如图6所示。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。