同位素束窗冷却系统

本发明涉及核技术及核医学医用同位素束窗系统，尤其涉及一种同位素束窗冷却系统。

背景技术：

1、随着核医学诊疗技术的快速发展，医用同位素的临床与科研需求持续增长，百千瓦级强流质子超导直线加速器是生产医用同位素的核心装置，束窗作为加速器中分隔加速器真空束流管道与靶室反应环境的关键部件，是强流质子束传输路径上的核心结构，其温度状态与结构完整性直接影响同位素生产装置的安全运行与服役寿命。

2、相关技术中，以水为冷却剂的对流冷却技术是加速器束窗普遍采用的冷却方案，通过冷却水的循环流动带走束窗上由束流轰击产生的沉积热量，实现束窗温度的调控。

3、然而实际研究中发现，在百千瓦级强流质子束、高辐照剂量的极端运行工况下，束窗采用厚度仅50μm～200μm的超薄球面金属膜结构，束流能量沉积密度高且窗膜自身承温、承压能力有限，传统水冷方案已无法实现充分有效的散热；同时水介质在超高温、强辐射环境中存在相变、辐照分解等安全隐患，不仅会限制加速器与高功率靶的稳定高效运行，还会提升设备维护与部件更换的经济成本与安全风险，难以满足医用同位素生产装置长期连续运行的使用要求。

4、鉴于上述问题，如何在高功率强辐照工况下实现束窗的高效可靠冷却，同时兼顾运行安全性与装置长期运行的稳定性，已经成为当前亟待解决的重要技术难题。

5、需要指出的是，以上所述旨在方便理解本发明的总体背景，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种同位素束窗冷却系统，能够在高功率强辐照工况下实现束窗的高效可靠冷却，同时兼顾运行安全性与装置长期运行的稳定性。

2、根据本发明实施例的一种同位素束窗冷却系统，包括：冷却主回路以及连接于所述冷却主回路中的增压驱动模块、参数调控模块和换热模块；

3、所述冷却主回路与束窗连接，用于供气态冷却剂循环流动，以通过所述气态冷却剂与束窗进行换热；

4、所述增压驱动模块用于驱动所述气态冷却剂在所述冷却主回路中循环流动；

5、所述参数调控模块位于所述束窗的上游，用于调节进入所述束窗的所述气态冷却剂的参数；

6、所述换热模块位于所述束窗的下游，用于对经过所述束窗换热后的所述气态冷却剂进行降温；

7、所述换热模块包括：

8、第一换热器，设置于所述束窗与所述增压驱动模块之间；

9、第二换热器，设置于所述增压驱动模块的下游。

10、根据本发明的一个实施例，

11、所述气态冷却剂被配置为氦气；和/或，

12、所述增压驱动模块包括并联于所述冷却主回路的至少两台气体压缩机。

13、根据本发明的一个实施例，所述参数调控模块包括：

14、压力调节单元，用于调节进入所述束窗的所述气态冷却剂的压力；

15、流量调节单元，用于调节进入所述束窗的所述气态冷却剂的流量。

16、根据本发明的一个实施例，

17、所述压力调节单元包括：

18、第一压力传感器，用于采集进入所述束窗前的所述气态冷却剂的压力；

19、第一减压阀，设置于所述第一压力传感器的下游，并与所述第一压力传感器信号连接，用于根据所述第一压力传感器的压力反馈，将所述气态冷却剂调节至目标压力；和/或，

20、所述流量调节单元包括：

21、第一温度传感器，用于监测所述束窗的温度；

22、第一流量计，用于监测进入所述束窗前的所述气态冷却剂的流量；

23、第一调节阀，与所述第一流量计和所述第一温度传感器信号连接，用于根据所述第一温度传感器的温度反馈确定所述气态冷却剂的目标流量，并根据所述目标流量和所述第一流量计的流量反馈，将通入所述束窗的所述气态冷却剂调节至目标流量。

24、根据本发明的一个实施例，

25、所述第一换热器的冷却水进口处连接有第二调节阀，所述第一换热器的气态冷却剂出口处连接有第二温度传感器；

26、所述第二调节阀与所述第二温度传感器信号连接，用于根据所述第二温度传感器的温度反馈，调节进入所述第一换热器的冷却水流量；

27、和/或，

28、所述第二换热器的冷却水进口处连接有第三调节阀，所述第二换热器的气态冷却剂出口处连接有第三温度传感器；

29、所述第三调节阀与所述第三温度传感器信号连接，用于根据所述第三温度传感器的温度反馈，调节进入所述第二换热器的冷却水流量。

30、根据本发明的一个实施例，还包括连接于所述冷却主回路中的：

31、稳压罐，位于所述增压驱动模块的上游，用于缓冲通入所述增压驱动模块的所述气态冷却剂的压力；

32、储气罐，位于所述增压驱动模块和所述第二换热器之间，用于缓冲增压后的所述气态冷却剂的压力。

33、根据本发明的一个实施例，还包括：

34、补气管路，入口与备用气源连接，出口与所述储气罐连接；和/或，

35、应急冷却旁路，入口与备用气源连接，出口连接至所述束窗，用于在所述冷却主回路中出现设备故障时导通，为所述束窗提供气态冷却剂；和/或，

36、所述冷却主回路上连接有应急排气通路，所述应急排气通路位于所述束窗的出口侧，且所述应急排气通路上连接有应急排气阀。

37、根据本发明的一个实施例，所述冷却主回路上连接有超压保护模块，用于当进入所述束窗的所述气态冷却剂的压力超出安全阈值时泄压。

38、根据本发明的一个实施例，所述超压保护模块包括：

39、机械泄压阀，用于当管路压力达到安全阈值时开启泄压；

40、第二压力传感器，用于采集进入所述束窗前的所述气态冷却剂压力；

41、电动泄压阀，与所述第二压力传感器信号连接，用于根据所述第二压力传感器的信号反馈，确定压力达到安全阈值时开启泄压。

42、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

43、本发明实施例提供的同位素束窗冷却系统，通过气态冷却剂的闭式循环冷却，有效解决了传统水冷在高功率、强辐照工况下的适配性缺陷，气态冷却剂具备稳定的化学惰性，在强辐射、超高温的苛刻环境下仍能保持稳定换热性能，不会发生相变与辐照分解等问题，从而安全高效地带走超薄球面金属膜束窗上的高密度沉积热量，保障束窗的结构完整性；同时通过参数调控模块可实现冷却参数的调控，配合气态冷却剂的循环复用模式，在保障束窗运行稳定性与服役寿命的同时，有效降低系统的运行成本与安全风险，更好地满足医用同位素生产装置长期稳定运行的使用要求。

44、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

1.一种同位素束窗冷却系统，其特征在于，包括：冷却主回路(10)以及连接于所述冷却主回路(10)中的增压驱动模块(11)、参数调控模块和换热模块(12)；

2.根据权利要求1所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，

3.根据权利要求1所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，所述参数调控模块包括：

4.根据权利要求3所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，

5.根据权利要求3所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，所述流量调节单元(14)包括：

6.根据权利要求1至5任意一项所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，

7.根据权利要求1所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，还包括连接于所述冷却主回路(10)中的：

8.根据权利要求7所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，还包括：

9.根据权利要求1至5任意一项所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，所述冷却主回路(10)上连接有超压保护模块(18)，用于当进入所述束窗(20)的所述气态冷却剂的压力超出安全阈值时泄压。

10.根据权利要求9所述的同位素束窗冷却系统，其特征在于，所述超压保护模块(18)包括：