一种中子靶散热结构及中子靶系统的制作方法

本技术涉及核，具体涉及一种中子靶散热结构及中子靶系统。

背景技术：

1、中子发生器是利用离子束流轰击目标靶片发生核反应，以此获取所需要的中子，从而将所需中子用于探测、成像、医疗等领域。其中，中子靶是中子发生器的核心部件，靶片发生核反应的同时会产生大量的热，且理论上束流的能力越高，中子的产额越高，靶片表面的温度也越高，但受限于基底散热能力的制约，高功率下存在靶片温度或热应力超限破坏问题，因此，为了保证中子靶高功率下的安全运行，需持续不断的对靶片进行高效散热。

2、目前，常规的散热方式是在中子靶内增加冷却流道，通过增大冷却流道换热面积及提高局部流速从而提高靶片的换热能力，但该方式对换热系数提高能力有限，尤其对于大面积、高热流轰击靶片时依然会存在温度超限及热应力超限的问题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种中子靶散热结构及中子靶系统，以解决现有中子靶系统存在散热效率低，从而导致靶基体温度和热应力超限的问题。

2、为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

3、一种中子靶散热结构，包括束流管筒和设于筒内的靶基体，所述束流管筒的管壁内具有冷却介质流入室和冷却介质流出室；

4、所述束流管筒的底部设有靶冷却结构，所述靶冷却结构具有入射腔和冷却腔，所述入射腔与所述冷却介质流入室连通，所述冷却腔与所述冷却介质流出室连通；所述入射腔和冷却腔由射流板分隔，所述冷却腔位于所述靶基体底部，所述射流板上分布有射流孔，所述射流孔的喷射方向对向所述靶基体下表面；从所述冷却介质流入室流入入射腔的冷却介质通过射流孔射入所述冷却腔并对所述靶基体的下表面射流冲击，然后从冷却介质流出室流出，以同时实现对所述束流管筒的管壁和所述靶基体的冷却。

5、根据上述技术手段，通过在束流管筒的管壁内设置冷却流通室，并在束流管筒的底部设置靶冷却结构，通过在靶冷却结构上布置与靶基体下表面相对的射流孔，有效实现了对靶基体的高效散热，确保了中子靶在高束流下的安全运行，同时，巧妙的将冷却流通室布置在束流管的管壁内，进一步实现了对束流管的冷却，有效防止了反射粒子轰击束流管导致温度超限问题，满足了更高束流下的靶结构要求，从而能获得更高的中子产额，具有一举两得的显著优势。解决了现有中子靶存在散热效率低，从而导致靶片温度和热应力超限的问题。

6、优选的，所述靶基体的下表面具有波纹结构。

7、优选的，所述靶基体的上表面具有波纹结构。

8、通过将靶基体的上表面设置波纹结构，进一步有效提高了束流与靶基体的接触面积，降低了靶基体表面的热流密度；通过将靶基体的下表面设置波纹结构，进一步有效提高了冷却介质与靶基体的接触面积，结合多孔射流方式，有效提高了中子靶的换热系数，确保了中子靶在高功率束流下的安全运行；同时将靶基体的下表面和上表面均设成波纹结构，有效补偿了热应力引起的形变，有效缓解了受热时的应力膨胀。

9、优选的，所述束流管筒的管壁包括外层管壁和内层管壁，所述外层管壁和内层管壁之间的空间通过隔板分隔成所述冷却介质流入室和所述冷却介质流出室。

10、优选的，所述入射腔通过所述靶冷却结构上的流入通道与冷却介质流入室相连通，所述冷却腔通过所述靶冷却结构上的流出通道与冷却介质流出室相连通，所述流入通道在所述冷却介质流入室的室底间隔分布有多个，所述流出通道在所述冷却介质流出室的室底间隔分布有多个。

11、优选的，所述靶基体上的波纹结构靠近中心的波峰和/或波谷半径小于远离中心的波峰和/或波谷半径。

12、其中，所述靶基体上的波纹结构的波峰和波谷由靶基体的中心向外交替布置，且波峰和波谷的半径由靶基体中心向外依次增大。

13、由于靶基体靠近中心部位（即粒子束流功率最大的部位）的温度高于靠近边缘部位的温度，且靶基体的换热能力与到靶束流功率分布密切相关。因此，将靶基体上的波纹结构靠近中心的波峰/波谷半径设成小于远离中心的波谷/波峰半径，实现换热能力与到靶束流功率分布的匹配，以进一步增加靶基体中心部位的换热面积，且提高了受热时的应力膨胀的均匀性。

14、优选的，所述靶基体上的波纹结构靠近中心的相邻波峰之间的间距小于远离中心的相邻波峰之间的间距。

15、通过对靶基体上靠近中心的相邻波峰之间的间距设成小于远离中心的相邻波峰之间的间距，使得相邻波峰之间的间距与打靶束流功率分布相匹配，有效解决了因束流功率分布不同引起的靶基体上热流密度分布不均的问题；同时还增加了靶基体底部与冷却介质的换热面积，提高了换热效率。

16、优选的，所述射流板上位于中心的所述射流孔与所述靶基体上的波纹结构的中心波谷对应布置。

17、优选的，所述射流板上非中心的所述射流孔与所述靶基体上的波纹结构的波峰对应布置。

18、通过将射流板上的位于中心的射流孔与靶基体上的波纹结构的的中心波谷对应布置，以及将射流板上非中心的射流孔与靶基体上的波纹结构的波峰对应布置，延长了冷却介质与靶基体的接触时间，从而提高了换热效率。

19、优选的，所述射流孔所述射流板的中心向外呈发射状布置，靠近所述射流板中心的射流孔的直径大于远离所述射流板中心的射流孔的直径。

20、优选的，所述射流板上位于中心的所述射流孔的直径不小于所述靶基体上的波纹结构的中心波谷直径。

21、优选的，所述束流管筒靠近顶部的位置形成有冷却介质流入室的进口和冷却介质流出室的出口。

22、通过在束流管筒靠近顶部的位置形成冷却介质流入室的进口和冷却介质流出室的出口，有效延长了冷却介质的流通时间，保证了束流管壁的有效散热，避免了反射粒子轰击束流管导致温度超限问题。

23、优选的，所述靶基体的材质选自钽、钛、铍和锂中的至少一种。

24、本实用新型还提供一种中子靶系统，包括本实用新型所述的中子靶散热结构。

25、本实用新型的有益效果：

26、本实用新型的中子靶散热结构，通过在束流管筒的管壁内设置冷却流通室，并在束流管筒的底部设置靶冷却结构，通过在靶冷却结构上布置与靶基体相对的射流孔，有效实现了对靶基体的高效散热，确保了中子靶在高束流下的安全运行，同时，巧妙的将冷却流通室布置在束流管的管壁内，实现了对束流管管壁的直接或间接冷却，防止了束流粒子反射至管壁造成升温，影响束流管使用寿命的问题，满足了更高束流下的靶结构要求，从而能获得更高的中子产额，具有一举两得的显著优势，且具有结构简单、装配便利和生产成本低的优点，在核技术领域，具有推广应用价值。

技术特征：

1.一种中子靶散热结构，包括束流管筒（1）和设于筒内的靶基体（2），其特征在于，所述束流管筒（1）的管壁内具有冷却介质流入室（11）和冷却介质流出室（12）；

2.根据权利要求1所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述靶基体（2）的下表面（21）和/或上表面（22）具有波纹结构。

3.根据权利要求1所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述束流管筒（1）的管壁包括外层管壁（13）和内层管壁（14），所述外层管壁（13）和内层管壁（14）之间的空间通过隔板（15）分隔成所述冷却介质流入室（11）和所述冷却介质流出室（12）。

4.根据权利要求2所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述靶基体（2）上的波纹结构靠近中心的波峰和/或波谷半径小于远离中心的波峰和/或波谷半径；

5.根据权利要求2所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述射流板（33）上位于中心的所述射流孔（34）与所述靶基体（2）上的波纹结构的中心波谷对应布置。

6.根据权利要求2所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述射流板（33）上非中心的所述射流孔（34）与所述靶基体（2）上的波纹结构的波峰对应布置。

7.根据权利要求2至权利要求6任一项所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述射流板（33）上位于中心的所述射流孔（34）的直径不小于所述靶基体（2）上的波纹结构的中心波谷直径。

8.根据权利要求1至权利要求6任一项所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述射流孔（34）由所述射流板（33）的中心向外呈发射状布置，靠近所述射流板（33）中心的射流孔（34）的直径大于远离所述射流板（33）中心的射流孔（34）的直径。

9.根据权利要求1至权利要求6任一项所述的中子靶散热结构，其特征在于，所述束流管筒（1）靠近顶部的位置形成有冷却介质流入室（11）的进口（16）和冷却介质流出室（12）的出口（17）。

10.一种中子靶系统，其特征在于，包括如权利要求9所述的中子靶散热结构。

技术总结
本技术涉及一种中子靶散热结构及中子靶系统。中子靶散热结构包括束流管筒和设于筒内的靶基体，束流管筒的管壁内具有冷却介质流入室、流出室；束流管筒底部有靶冷却结构，靶冷却结构具有入射腔和冷却腔，分别与冷却介质流入室、流出室连通；入射腔和冷却腔由射流板分隔，冷却腔位于靶基体底部，射流板上有射流孔，射流孔的喷射方向对向靶基体；从冷却介质流入室流入入射腔的冷却介质通过射流孔射入冷却腔并对靶基体的下表面射流冲击，从冷却介质流出室流出，同时实现对束流管筒的管壁和靶基体的冷却。本技术还提供一种中子靶系统，包括中子靶散热结构。本技术解决了现有中子靶存在散热效率低，从而导致靶基体温度和热应力超限的问题。

技术研发人员：请求不公布姓名,请求不公布姓名,请求不公布姓名
受保护的技术使用者：中子高新技术产业发展（重庆）有限公司
技术研发日：20230915
技术公布日：2024/5/10