一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构和方法与流程

1.本发明属于医用小型回旋加速器领域，具体涉及一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构和方法。


背景技术：

2.医用同位素生产气体靶是医用小型回旋加速器的基本组成之一，是医用小型回旋加速器后端必不可少的部件。医用同位素生产气体靶放置在医用小型回旋加速器束流引出口末端，通过束流轰击混合气体，产生同位素，束流能量越高则产量越高。
3.现有技术提高束流能量和提高同位素产量的难点在于：气体靶冷却机构的冷却能力受到限制：常规习惯认为反应场所内壁光滑有利于反应发生，因此仅限于在气体靶的外壁设置锯齿结构、通过锯齿结构加大散热面积。但随着产量需求的加大，要求打入气体靶的束流能量加大，束流能量加大则生产过程中气体反应会产生大量热量，使得气体靶快速升温、靶内压力升高和靶体容易损坏。由于现有气体靶的冷却结构仅限于外壁散热，导致限制了束流能量加大、限制产量增加。


技术实现要素：

4.本发明针对现有技术存在的问题，提出一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构和方法，目的在于解决现有气体靶的冷却结构仅限于外壁散热、导致限制了束流能量加大、限制产量增加的问题。
5.本发明为解决其技术问题采用以下技术方案：
6.一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构，包括医用同位素生产气体靶2、水冷密封筒3、生产靶前端盖1和生产靶后端盖4；所述生产气体靶前端盖1通过限束法兰与加速器束流引出孔末端连接，所述生产气体靶后端盖4 与进气阀门、或抽真空阀门、或冷却收集阀门相连接；所述生产气体靶前端盖1和所述生产靶后端盖4之间布设有所述医用同位素生产气体靶2以及套装在医用同位素生产气体靶2外围的所述水冷密封筒3，束流从加速器引出孔引出打到医用同位素生产气体靶2内的气体中，生产同位素；
7.其特点是：所述医用同位素生产气体靶2设有：内壁螺旋锯齿结构2-1 与外壁螺旋锯齿结构2-2，内壁与外壁两面的螺旋锯齿形结构，增加了热量传导面积，达到快速冷却医用同位素生产气体靶的目的；所述内壁螺旋锯齿结构2-1其齿顶到齿根的径向距离沿着靶体前端到后端由大变小呈锥形分布。
8.所述内壁螺旋锯齿结构2-1每个齿的厚度做到尽量薄：在机加工条件允许、且内壁螺旋锯齿结构2-1的靶头直径、靶尾直径、以及内壁螺旋锯齿结构2-1长度一定、且满足生产设定气体容量的情况下，内壁螺旋锯齿结构2-1 的齿数尽量多。
9.所述内壁螺旋锯齿结构2-1的靶头直径、靶尾直径、以及内壁螺旋锯齿结构2-1长度一定，是指靶体前端直径尺寸与束流直径相匹配、靶体后端直径尺寸与氮气气体射程、氮气气体直径、所设计的靶的长度尺寸相匹配。
10.所述内壁螺旋锯齿结构2-1的齿数尽量多，是指同时满足两个条件时的齿数尽量多：既要满足内壁螺旋锯齿结构2-1的靶头直径、靶尾直径、以及长度一定的条件，还要满足在这个尺寸下完成设定的生产气体容量的条件。
11.所述设定生产气体容量，包括设定生产120毫升的气体容量，设定生产 120毫升气体容量时，靶体前端直径为13.26mm，靶体后端直径为19.3mm，靶体长度为150mm。
12.一种医用同位素生产气体靶的冷却方法，其特征在于：
13.步骤一、制作带有内外双螺旋锯齿的气体靶冷却机构；
14.步骤二、根据14n(p,α)11c反应分布，靶体内部结构为上部小，下部大的锐角圆锥型结构；
15.步骤三、开抽真空阀v2，关进气阀v1、冷却收集阀v3，抽气态靶至负真空；
16.步骤四、关抽真空阀v2、冷却收集阀v3，开进气阀v1，充入或者气体至压力表到1bar；
17.步骤五、关抽真空阀v2、冷却收集阀v3，进气阀v1，束流照射1小时，同时观察压力表示数，临界压力20bar；
18.步骤六、关进气阀v1、抽真空阀v2，冷却收集阀v3，冷却收集测活度。
19.本发明的优点效果
20.1、本发明通过在气体靶内壁与外壁两面的螺旋锯齿形结构，增加了热量传导面积，冷却机构可以将大部分热量带走，减小医用同位素生产气体靶内气压，由于束流能量越高产量越高，从而提高同位素产量，同时降低对医用同位素生产气体靶外接气体阀和压力表的要求，节约成本，也为医用同位素生产气体靶提供更可靠安全的生产环境。
21.2、本发明内壁锯齿结构齿数的设计兼顾了散热面积、气体生产量、气体的射程、气体的直径、靶的长度、锐角圆锥型结构、机加工允许程度七种因素，找到了一个平衡点：不能单纯强调散热面积而增加齿数，也不能为了提高产量而增加体积，还要考虑靶的体积受到氮气射程和气体直径的约束的特点，也不能忽略锐角圆锥型结构的设计而只是单纯强调内壁螺旋锯齿结构的横截面齿的高度相等，还要考虑机加工的允许程度，只有七种因素相互支持和相互配合才能达到理想的效果。因此，本发明组合以后的效果要比组合以前的效果优越得多。
附图说明
22.图1为本发明的医用同位素生产气体靶冷却机构整体结构图；
23.图2本发明的医用同位素生产气体靶冷却机构气体靶水冷结构图；
24.图3为本发明医用同位素生产气体靶冷却机构应用效果图。
具体实施方式
25.本发明设计原理
26.1、内壁螺旋锯齿形结构设计原理：医用同位素生产气体靶设有内壁和外壁、内壁和外壁之间为反映场所。常规习惯认为反应场所内壁光滑有利于反应发生，但本发明的反应是抽真空以后灌入混合气体，混合气体在束流照射下的反应，不同于液体等反应需要反应场所内壁光滑，即使内壁上加上螺旋锯齿形结构，此气体仍能快速且充分的发生反应，而
内壁螺旋锯齿结构增大了内壁热量传导面积，使内壁充分冷却靶体内部气体，从而达到快速冷却医用同位素生产气体靶的目的。
27.2、内壁锯齿结构齿数的设计要兼顾散热面积、气体生产量、气体的射程、气体的直径、靶的长度、锐角圆锥型结构、机加工允许程度七种因素，找到一个平衡点。首先，内齿横截面齿数越多则散热面积越大，但是极限情况下也会因为齿数太多而占据反应气体的空间，达不到预定气体产额；但是，也不能只顾气体产量和齿数越多越好这二个条件，还要兼顾总的靶的体积是一定的条件。如果只考虑前二个条件完全可以把气体靶的体积做大，通过增大体积满足气体产量的要求、体积增大了当然内齿齿数也会增加。所述靶的体积是一定的不能随意增大的原因是：受到氮气的射程、以及氮气的直径的限制，还有设计靶的长度的限制。靶的体积计算如下：本发明内锯齿结构(2-1)，根据14n(p,α)11c反应分布，内锯齿结构(2-1)应设计为上部小、下部大的锐角圆锥型结构，内锯齿结构(2-1)的靶前端直径、靶后端直径的计算如下：使用14n(p,α)11c反应，入射质子能量14mev，氮气的射程为2m，算出氮气气体直径为80.4mm，设计靶体长15cm，15cm和2m相差13倍，因此靶的后端的口径＝80.4/13 13≈19mm，靶体前端口径和束流直径匹配为13mm，靶的后端的口径为19mm。
28.总之，内壁锯齿结构齿数的设计不仅要兼顾散热面积、生产产量，还要兼顾靶的尺寸(靶前端、后端直径、靶长度)一定、锐角圆锥型结构、机加工允许程度这七种条件的限制，并且从中找到一个平衡点。
29.基于以上原理，本发明设计了一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构。
30.一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构，包括医用同位素生产气体靶2、水冷密封筒3、生产靶前端盖1和生产靶后端盖4；所述生产气体靶前端盖1通过限束法兰与加速器束流引出孔末端连接，所述生产气体靶后端盖4 与进气阀门、或抽真空阀门、或冷却收集阀门相连接；所述生产气体靶前端盖1和所述生产靶后端盖4之间布设有所述医用同位素生产气体靶2以及套装在医用同位素生产气体靶2外围的所述水冷密封筒3，束流从加速器引出孔引出打到医用同位素生产气体靶2内的气体中，生产同位素；
31.其特点是：所述医用同位素生产气体靶2设有：内壁螺旋锯齿结构2-1 与外壁螺旋锯齿结构2-2，内壁与外壁两面的螺旋锯齿形结构，增加了热量传导面积，达到快速冷却医用同位素生产气体靶的目的；所述内壁螺旋锯齿结构2-1其齿顶到齿根的径向距离沿着靶体前端到后端由大变小呈锥形分布。
32.所述内壁螺旋锯齿结构2-1每个齿的厚度做到尽量薄：在机加工条件允许、且内壁螺旋锯齿结构2-1的靶头直径、靶尾直径、以及内壁螺旋锯齿结构2-1长度一定、且满足生产设定气体容量的情况下，内壁螺旋锯齿结构2-1 的齿数尽量多。
33.所述内壁螺旋锯齿结构2-1的靶头直径、靶尾直径、以及内壁螺旋锯齿结构2-1长度一定，是指靶体前端直径尺寸与束流直径相匹配、靶体后端直径尺寸与氮气气体射程、氮气气体直径、所设计的靶的长度尺寸相匹配。
34.所述内壁螺旋锯齿结构2-1的齿数尽量多，是指同时满足两个条件时的齿数尽量多：既要满足内壁螺旋锯齿结构2-1的靶头直径、靶尾直径、以及长度一定的条件，还要满足在这个尺寸下完成设定的生产气体容量的条件。
35.所述设定生产气体容量，包括设定生产120毫升的气体容量，设定生产 120毫升气体容量时，靶体前端直径为13.26mm，靶体后端直径为19.3mm，靶体长度为150mm。
36.一种医用同位素生产气体靶的冷却方法，其特征在于：
37.步骤一、制作带有内外双螺旋锯齿的气体靶冷却机构；
38.步骤二、根据14n(p,α)11c反应分布，靶体内部结构为上部小，下部大的锐角圆锥型结构；
39.步骤三、开抽真空阀v2，关进气阀v1、冷却收集阀v3，抽气态靶至负真空；
40.步骤四、关抽真空阀v2、冷却收集阀v3，开进气阀v1，充入或者气体至压力表到1bar；
41.步骤五、关抽真空阀v2、冷却收集阀v3，进气阀v1，束流照射1小时，同时观察压力表示数，临界压力20bar；
42.步骤六、关进气阀v1、抽真空阀v2，冷却收集阀v3，冷却收集测活度。
43.实施例一
44.如图1所示，是本发明提供的医用同位素生产气体靶冷却机构的整体结构。由医用同位素生产气体靶2、水冷密封筒3、生产靶前端盖1和生产靶后端盖4组成，水冷结构主要位于医用同位素生产气体靶2中。束流从加速器引出打到医用同位素生产气体靶内混合气体中，生产同位素，同时还会产生大量热量与气体，使得医用同位素生产气体靶内部气压升高，靶体升温，从而影响打靶实验。
45.如图2所示，是本发明提供的医用同位素生产气体靶靶体内壁与外壁水冷区域的螺旋锯齿形结构，外壁螺旋锯齿水冷结构5有两路进出水，通过水路带走靶体外壁热量，内壁螺旋锯齿结构6增大了内壁热量传导面积，使内壁充分冷却靶体内部气体，减小医用同位素生产气体靶内气压，由于束流能量越高产量越高，从而提高同位素产量，同时降低对医用同位素生产气体靶外接气体阀和压力表的要求，节约成本，也为医用同位素生产气体靶提供更可靠安全的生产环境。
46.本发明的一种用于医用同位素生产气体靶的冷却机构并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。