一种用于电子直线加速器的X射线转换靶装置的制作方法

本发明涉及电子直线加速器及x射线产生，具体涉及一种用于电子直线加速器的x射线转换靶装置。

背景技术：

1、高能电子直线加速器在工业辐照、无损检测、材料改性及医疗等领域具有广泛应用。x射线转换靶是将加速器产生的高能电子束转换为高剂量率x射线的核心部件。对于10mev/20kw量级的高功率电子束，转换靶需承受极高的热负荷（功率密度可达数十kw/cm²）和持续的辐照损伤。现有转换靶结构在散热效率、靶体寿命和x射线输出稳定性方面存在明显不足。

2、目前常见的转换靶冷却方式多为自然冷却或简单的水冷管贴合。这类方案存在以下问题：

3、一是冷却通道与靶体为接触连接，接触连接的热传导路径长，热阻大，难以有效带走沉积热量，导致靶体温度急剧升高（常超过1500°c），引起靶材蒸发、开裂甚至熔化；

4、二是靶体与冷却结构之间的热膨胀系数差异大，长期热循环下容易产生热应力疲劳，导致连接界面失效；

5、三是缺乏对靶体工作状态的实时监测，无法预防过热故障。现有技术中虽有采用微通道冷却或复合靶材料的方案，但多针对低功率（<5kw）或脉冲式电子束，无法满足10mev/20kw连续波高功率运行的需求。因此，开发一种能够承受高功率电子束、具备高效散热和长期稳定运行能力的x射线转换靶装置具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对现有技术存在的问题，提出一种用于电子直线加速器的x射线转换靶装置，目的在于实现一种能够适应10mev/20kw级高功率连续电子束辐照、具备高效且均匀的散热能力、能有效缓解热应力损伤、并集成实时状态监控功能的高可靠、长寿命x射线转换靶的设计目标。

2、本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：

3、一种用于电子直线加速器的x射线转换靶装置，包括：钨靶体，作为高能电子束转换为x射线的核心部件；分层复合式水冷系统，设置于所述钨靶体的背面，用于为所述钨靶体散热； 一体化封装与热应力缓冲结构，用于容纳并固定所述钨靶体与所述分层复合式水冷系统，并缓解结构内部的热应力；以及 x射线引出窗口与屏蔽结构，设置于所述一体化封装与热应力缓冲结构上，与所述钨靶体相对，用于引出产生的x射线并屏蔽杂散辐射; 所述无氧铜导热基体（3）内部集成有水冷通道（3-1），所述分层复合式水冷系统包含无氧铜导热基体（3），无氧铜导热基体（3）内部包含水冷通道（3-1）；

4、其特点是，所述分层复合式水冷系统，由石墨垫钎焊层（2）、无氧铜导热基体（3）以及气凝胶隔热层（5）组成；无氧铜导热基体（3）正面通过钎焊层（2-1）与钨靶体（1）背面面连接，形成低热阻、高强度的连接界面；在冷却层（3-1）背面设置一层气凝胶隔热层（5），用于防止冷却通道热量向外辐射扩散；所述一体化封装与热应力缓冲结构包括：封装壳体（8）以及热应力缓冲层，该热应力缓冲层设置于所述钨靶体（1）与无氧铜导热基体（3）连接层的边缘，以及设置于所述无氧铜导热基体（3）与封装壳体（8）连接层的边缘；在无氧铜导热基体（3）内部靠近钨靶体（1）的位置埋设k型铠装热电偶（4），用于测量无氧铜导热基体（3）的温度；该封装壳体（8）由不锈钢材料制成，内部设有型腔，并设有与所述分层复合式水冷系统连通的进水口和出水口。

5、进一步地，所述钨靶体采用纯度≥99.95%、密度≥19.2 g/cm³的钨材料制成，其形状为长方形薄片，电子束入射面经机械抛光，x射线出射面经化学蚀刻处理形成微观凹凸结构；靶体厚度2mm与10mev电子束射程匹配，兼顾电子束完全阻滞与x射线低自吸收。

6、进一步地，靶体尺寸与扫描盒钛窗尺寸匹配，留有足够热扩散区域。

7、进一步地，所述无氧铜导热基体（3）采用无氧铜材料，纯度≥99.99%，其导热系数高达390 w/(m·k)；无氧铜导热基体（3）厚度为8mm，截面为矩形，起到热量横向扩展和均匀传递的作用。

8、进一步地，所述水冷通道（3-1）通道截面为矩形，宽2mm，厚3mm；冷却介质为去离子水，其电导率≤0.1 μs/cm，由外部水冷机强制循环，额定流量为12 l/min，入口水温控制在20±1°c；经热仿真计算，该冷却系统可将钨靶体最高工作温度控制在800°c以下，平均温度低于600°c，满足长期稳定运行要求。

9、进一步地，所述气凝胶隔热层（5）厚度为2mm，导热系数≤0.02 w/(m·k)。

10、进一步地，所述该热应力缓冲层设置于所述钨靶体（1）与无氧铜导热基体（3）连接层的边缘，以及设置于所述无氧铜导热基体（3）与封装壳体（8）连接层的边缘；即是：该热应力缓冲层设有钎焊层石墨片（2-2）和无氧铜层石墨片（3-2），该钎焊层石墨片（2-2）填充在与钎焊层（2-1）的同一层并且位于该层的外边缘；该无氧铜层石墨片（3-2）填充在与无氧铜导热基体（3）的同一层并且位于该层的外边缘；该石墨片为高导热柔性石墨片，该石墨片具有优异的压缩回弹性，能够吸收热循环过程中产生的膨胀差，同时保持良好的导热性能，避免刚性连接导致的应力集中和界面开裂。

11、进一步地，该高导热柔性石墨片厚度0.5mm，导热系数150 w/(m·k)。

12、进一步地，所述k型铠装热电偶（4）测温点距离靶体背面1mm，同时在外部冷却水出口管路中安装流量传感器以及温度传感器，该流量传感用于测量水的流量，该温度传感器用于测量水的温度；所有传感器信号连接至外部控制器，当检测到无氧铜导热基体（3）温度超过850°c或冷却水流量低于8 l/min时，自动触发电子束切断保护，确保装置安全。

13、本发明的优点效果

14、1、高效散热与温度控制：本发明通过“靶体与冷却层无氧铜”之间的钎焊层连接，实现了从“粗放冷却”到“定向导热”的转变，大幅缩短了热量从钨靶体到无氧铜导热基体的传递路径，显著降低热阻。结合含冷却通道的无氧铜导热基体与去离子水强制对流冷却，在10mev/20kw电子束轰击下，可将钨靶体最高温度控制在800℃以下，远低于钨的熔点（3422℃）和再结晶温度（约1200℃），从而有效防止靶体熔化、蒸发与热变形，使用寿命预计超过2000小时。

15、2、热应力缓解与结构可靠性：针对靶体与冷却结构之间热膨胀系数差异大、易导致热应力疲劳的问题，本发明引入无氧铜层石墨片（3-2）、钎焊层石墨片（2-2）。高导热柔性石墨片发挥“缓冲垫”作用，利用其优异的压缩回弹性和导热性能，吸收因热膨胀引起的尺寸变化，释放界面应力，避免刚性连接带来的应力集中和界面开裂，显著提升结构在热循环下的可靠性与抗疲劳寿命。

16、3、实时安全监控与故障预防：本发明在无氧铜导热基体（3）内部靠近钨靶体（1）处集成k型铠装热电偶（4），实时监测关键区域温度；同时在冷却水出口管路设置流量与温度传感器，全面监控冷却状态。传感器信号接入外部控制器，形成闭环智能联锁保护 机制：当无氧铜导热基体温度超过850℃或冷却水流量低于8l/min时，系统自动切断电子束，实现故障的早期预警与主动防护，保障装置安全运行。

17、4、参数匹配优化：靶体厚度（2mm）与10mev电子束射程相匹配，兼顾电子束完全阻滞与x射线低自吸收需求；靶体尺寸与扫描盒钛窗尺寸协调，预留充足热扩散区域。上述参数专为10mev/20kw功率组合优化设计，非简单常规选型。

18、5、高x射线输出效率：采用高纯度钨靶体与高透过率铍窗口（6），最大限度减少x射线在产生与引出过程中的衰减，x射线转换效率不低于80%（相对于理想薄靶计算值），输出剂量率完全满足工业辐照与检测要求。

19、6、综合性能提升：与现有技术相比，本发明在相同10mev/20kw运行条件下，将维护周期从数天延长至数月，在可靠性、使用寿命及运行经济性方面均实现显著提升，具有突出的经济效益与社会效益。