CN110400650B - 转换靶装置及靶材料层结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转换靶装置，其包括上框架、靶材料层、冷却腔框架以及密封层，其中，上框架将靶材料层固定于冷却腔框架；密封层与冷却腔框架固定连接，靶材料层、冷却腔框架以及密封层形成冷却腔，并且，冷却腔包括冷却液体的入口以及出口；其中，靶材料层的靶点处设置成锥形；本发明还提供了一种靶材料层结构，该靶材料层结构包括靶点位置，当电子束与靶材料层结构的靶点位置相作用时产生X射线；靶点位置的靶材料层为锥形。本发明通过对平面靶结构进行优化，以提高靶的转换效率，改善辐照剂量分布以及靶的散热效果。

Description

转换靶装置及靶材料层结构

技术领域

本发明的实施例涉及一种转换靶装置及靶材料层结构。

背景技术

在辐照加工领域，通常采用X射线、γ射线和电子束作为射线源进行加工生产。三种射线源相比，X射线源同时具有γ射线源的穿透力强及加速器电子源的定向性好、辐射强度大、效率高和安全性好等优点，且在对厚度和密度较大的物体进行辐照时，X射线源的优势更加明显。用于辐照加工的X射线的产生装置主要可分为两大类，即放射性核素衰变和利用高能电子束打靶来产生X射线；例如，常见的电子直线加速器，由加速器输出的电子束产生X射线的发射率，与电子能量、束流强度、靶材料原子序数以及靶厚等因素有关，并随能量的不同在空间形成不同的剂量分布。目前，X射线已经在农业、工业、医学、科学研究等诸多领域取得了广泛应用。

在传统的X射线转换靶设计中，研究的重点多集中在转换靶的材料选择、靶材的厚度以及靶的散热结构等方面，而针对靶材及厚度等方面进行优化对转换效率的提高并不明显，因此，有必要从靶的结构设计方面进行优化来提高X射线的转换效率和改善剂量分布，同时提高靶的散热能力。且现有技术中，转换靶设计存在以下缺点：

(1)转换靶通常是单层或多层的平面靶设计，高能电子束在垂直轰击重金属转换靶时，部分电子会由于弹性碰撞而反射回来，使得电子束的利用率低，从而使转换靶的转换效率低；

(2)随着电子束能量的不断提高，垂直轰击重金属转换靶时产生X射线的辐照剂量不均匀度增大；一般而言，当电子能量低于1MeV时，X射线最大发射率的方向倾向于与电子束入射方向垂直；随着电子能量的增高，最大发射率方向偏向于入射电子束方向；

(3)高能电子束在垂直轰击重金属转换靶时，当转换靶为平面设计时，易造成靶点集中在几毫米的半径范围内，导致散热面积小、发热量集中，因此散热效果差，易造成转换靶损坏和使用寿命下降。

发明内容

为了解决上述技术问题中的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种转换靶装置及靶材料层结构，通过对平面靶结构进行优化，以提高靶的转换效率，改善辐照剂量分布以及靶的散热效果。

根据本发明的一个方面，提供一种转换靶装置，包括上框架、靶材料层、冷却腔框架以及密封层，其中，所述上框架将所述靶材料层固定于所述冷却腔框架；所述密封层与所述冷却腔框架固定连接，所述靶材料层、冷却腔框架以及密封层形成冷却腔，并且，所述冷却腔包括冷却液体的入口以及出口；其中，所述靶材料层的靶点处设置成锥形。

在优选的实施方式中，所述锥形的母线与法线之间的夹角不大于20°。

较佳地，所述靶材料层在所述锥形的顶点处的厚度不低于所述靶材料层其他部分的厚度。

较佳地，所述靶材料层的所述锥形形成为所述锥形位于所述冷却腔的腔体外壁一部分。

较佳地，所述靶材料层、冷却腔框架以及密封层之间密封连接。

根据本发明的另一个方面，提供一种靶材料层结构，其中，所述靶材料层结构包括靶点位置，当电子束与靶材料层结构的靶点位置相作用时产生X射线；所述靶点位置的靶材料层为锥形。

在本优选的实施方式中，所述锥形的母线与法线之间的夹角不大于20°。

较佳地，所述靶材料层在所述锥形的顶点处的厚度不低于所述靶材料层其他部分的厚度。

较佳地，所述锥形的锥面厚度大于电子束的入射方向的行程。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果中的至少一个：

(1)本发明将靶点处设置成锥形，能有效减少入射电子的反射损失率，提高电子束的利用率，从而提高转换靶的转换效率；

(2)本发明将靶点处设置成锥形，与电子入射方向形成一定夹角，有利于减小辐照剂量分布的不均匀度；

(3)本发明将靶点处设置成锥形，能有效增加靶点处与冷却液的接触面积，避免靶点处发热集中从而加强散热效果。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为根据本发明实施例的转换靶装置的剖视主视图；

图2为根据本发明实施例的转换靶装置的立体侧剖图；

图3为采用平面靶和本发明实施例的靶在距靶点1米处的剂量归一化值及水平剂量分布图。

附图说明：1-上框架，2-靶材料层，3-冷却腔，4-冷却腔框架，5-冷却液入口，6-冷却液出口，7-密封层，8-靶点，9-螺栓孔。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

如图1或2所示，根据本发明的一个实施例的转换靶装置，包括上框架1、靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7，其中，上框架1将靶材料层2固定于冷却腔框架4；密封层7与冷却腔框架4固定连接，靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7形成冷却腔3，并且，冷却腔3包括冷却液体的入口5以及出口6；其中，靶材料层2的靶点8处设置成锥形。

在本实施例中，将靶材料层2的靶点8处设置成锥形，相比平面靶，使得轰击靶的电子在入射方向与该锥形面形成夹角。当入射电子与靶点8位置相作用时，可存在如下几种情况：(1)入射电子与靶发生非弹性碰撞(具体为电子与物质的核外电子发生的非弹性碰撞)，电子损失能量，以电离能损的形式沉积于靶体，并最终转化成热能；(2)入射电子与靶发生非弹性碰撞(具体为电子与物质的原子核发生的非弹性碰撞)，电子的能量损失以X射线的形式散射出来，即为轫致辐射X射线；(3)入射电子与锥形面的其中一个面作用时，电子发生散射，而后散射的电子与锥形面的另外一个面继续作用，并产生X射线。因此，相比平面靶，该锥形靶大大降低了电子束被反射损失的数量，从而提高了电子束能量的利用率，有利于提高转换靶的转换效率。同时地，由于锥形设计增加了电子束与靶点的作用面积，即扩大了热负载区域，因而有利于散热。

其中，锥形的母线与法线之间的夹角不大于20°。当入射电子束流垂直轰击靶时，若锥形的母线与法线之间的夹角太小，锥面与入射电子难以形成夹角，电子易作用于锥形的顶点处，这样除顶点之外的锥面部分将得不到利用，且容易造成锥形顶点处电子作用集中散热不好；若锥形的母线与法线之间的夹角太大，电子与锥面作用时，发生散射的部分不易与锥面继续作用(亦或电子直接被反射)，从而降低了电子束的利用率。

此外，靶材料层在锥形的顶点处的厚度不低于靶材料层其他部分的厚度。由于入射电子束一部分作用于锥形的顶点处，基于此位置靶点的可接触面积小，易造成发热集中，将靶材料层在锥形的顶点处的厚度设置成不低于靶材料层其他部分的厚度，能够避免出现因发热集中而损坏靶结构的问题；且若厚度较小，使得杂散电子的产额较大，不利于提高转换效率。

另外，靶材料层2的锥形形成冷却腔3的腔体外壁一部分。如前所述，靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7形成冷却腔3，即靶材料层2作为冷却腔3的腔体的外壁的一部分。如图2所示，靶材料层2的锥形形成冷却腔3的腔体的外壁的一部分，且该锥形的锥面朝向靠近电子入射的方向，该锥形的顶点朝向远离电子入射的方向，即该锥形的顶点向着冷却腔3的腔体内部延伸。

进一步地，冷却腔3用于容纳冷却液体，从而当电子束与靶材料层2作用时，冷却液体能够及时带走产生的热量，提高散热效率，从而延长靶材料层2的使用寿命。如图1或2所示，冷却腔框架4上设置有冷却液体的入口5和出口6，该入口5和出口6相对设置，能够使得冷却液体以一定的流速流入和流出，从而形成冷却循环系统，提高换热效率。由于该靶材料层2的靶点处设置成锥形，因而靶点处与冷却液体接触的面积为锥面，使得增加了散热面积，有利于快速降低靶点处的温度，从而使靶材料层2免受高温侵蚀增加其工作寿命。

在本实施例中，靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7之间密封连接。该密封连接可以采用螺栓固定连接，也可以采用其他方式。将转换靶装置设置成各分体结构固接，便于转换靶的调试安装以及检测维修等。

如图2所示，根据本发明的实施例的转换靶装置，包括上框架1、靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7，该转换靶装置整体为圆柱体结构，具体的，上框架1为环状结构，该环状结构的圆周上设置有螺栓孔9，上框架1通过螺栓将靶材料层2固定于冷却腔框架4；靶材料层2为具有一定厚度的圆形板，且圆形板的中心靶点位置处为锥形；靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7之间自上而下依次密封连接，从而使靶材料层2、冷却腔框架4以及密封层7形成冷却腔3，该冷却腔3形成具有一圆柱体空间的腔体，且在冷却腔3的圆周外壁上设置有用于冷却液体进出的入口5和出口6，该入口5和出口6相对圆心对称设置；进一步地，靶材料层2的锥形靶点作为冷却腔3的腔体外壁的一部分，该锥形的顶点向着冷却腔3的腔体内部延伸，且该锥形的顶点与入口5和出口6位于同一直线上，这样使得冷却液体在流动过程中能够及时带走靶点处的热量从而实现散热；其中，入口5和出口6可以具有圆形口径，且口径的尺寸与液体的流速相应设置。

进一步地，靶材料层2的靶材物质可以选用具有原子序数高且熔点高的金属，如钨、金、铅、钽等，一方面能够提高转换靶的转换效率，另一方面能够提高靶的耐高温特性。相对地，密封层7可以选用轻质材料，如不锈钢等。

根据本发明的另一个实施例的靶材料层结构，该靶材料层结构包括靶点位置，当电子束与靶材料层结构的靶点位置相作用时产生X射线；靶点位置的靶材料层为锥形。

在本实施例中，锥形的母线与法线之间的夹角不大于20°。

此外，靶材料层在锥形的顶点处的厚度不低于靶材料层其他部分的厚度。

另外，锥形的锥面厚度大于电子束的入射方向的行程。随着靶厚的增加，电子与靶物质相互作用更充分，总的光子产额增加，从而有利于提高靶的转换效率。

根据本发明实施例的转换靶装置，将靶点处设置成锥形，能有效减少入射电子的反射损失率，提高电子束的利用率，从而提高转换靶的转换效率；同时入射电子与锥形形成一定夹角，有利于改善辐照剂量的分布不均匀的问题；且靶点处为锥形，能有效增加靶点处与冷却液的接触面积，避免靶点处发热集中从而加强散热效果。

根据本发明的一个较佳的实施例，对平面靶和锥形靶的作用效果进行比较。靶材均选用重金属钨靶，将平面靶设为靶1，锥形靶设为靶2，其结构参数如下表所示：

采用9MeV的电子束在相同的操作条件下轰击靶1和靶2，使转换靶产生X射线，并将其产生的X射线的转换效率、能谱、剂量分布等进行比较。

采用蒙特卡洛程序(或称FLUKA程序)对转化靶产生的X射线的能量分布进行模拟计算，其结果显示，靶2产生的X射线的能量分布明显高于靶1；且通过计算可知，采用靶1的X射线的有效转换效率约为10％，而采用靶2的X射线的有效转换效率比靶1提高15％以上，即通过对平面靶进行上述实施例的靶点锥形优化，能够明显提高X射线的转换效率。

进一步地，对靶1和靶2产生的辐射剂量分布进行比较，对于靶1的辐射剂量分布，在靶点区域，辐射分布不均匀程度高，X射线多集中在靶点中心位置，而周边位置分布较少且较分散；而对于靶2的辐射剂量分布，相比靶1，辐射剂量分布的均匀程度提高，且辐射的均匀分布体现了靶点面积的有效利用。

图3为距靶点1米处的剂量归一化值及水平剂量分布图，通过比较可知，靶2相比靶1，其归一化剂量最大值前者是后者的1.7倍，可见，采用本发明实施例的转化靶能够明显提高X射线的转换效率。

此外，对靶1和靶2的结构的散热效果进行比较，由于靶2将靶点处设置成锥形，该锥形与冷却液体的接触面积相比平面靶增加了3倍以上，因而采用锥形靶能够明显地加强散热效果，且基于靶层的良好的散热，有利于延长靶的使用寿命。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种转换靶装置，其包括上框架、靶材料层、冷却腔框架以及密封层，

其中，所述上框架将所述靶材料层固定于所述冷却腔框架；

所述密封层与所述冷却腔框架固定连接，所述靶材料层、冷却腔框架以及密封层形成冷却腔，并且，所述冷却腔包括冷却液体的入口以及出口；

其中，所述靶材料层的靶点处设置成锥形；所述靶材料层的所述锥形形成为所述锥形位于所述冷却腔的腔体外壁一部分；冷却腔框架上设置有冷却液体的入口和出口，该入口和出口相对设置；

所述锥形的顶点向着冷却腔的腔体内部延伸，且所述锥形的顶点与所述入口和所述出口位于同一直线上；

所述转换靶装置整体为圆柱体结构，所述冷却腔的腔体形成圆柱体空间，该入口和出口相对圆心对称设置。

2.根据权利要求1所述的转换靶装置，其中，所述锥形的母线与法线之间的夹角不大于20°。

3.根据权利要求1所述的转换靶装置，其中，所述靶材料层在所述锥形的顶点处的厚度不低于所述靶材料层其他部分的厚度。

4.根据权利要求1所述的转换靶装置，其中，所述靶材料层、冷却腔框架以及密封层之间密封连接。