СТЕНД, МОДЕЛИРУЮЩИЙ ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В МИШЕНЯХ ПРИ НАРАБОТКЕ РАДИОИЗОТОПОВ С ПОМОЩЬЮ ИНТЕНСИВНЫХ ПРОТОННЫХ ПУЧКОВ
STAND MODELING THERMAL PROCESSES IN TARGETS IN DEVELOPMENT OF RADIOISOTOPES, USING INTENSIVE PROTONIC BUNDLES

Изобретение относится к технике, используемой для получения радиоизотопов, а именно к устройствам, моделирующим тепловые процессы, протекающие в мишенях при наработке радиоизотопов.
Радиоизотопы для медицины нарабатываются при облучении мишени высокоинтенсивным протонным пучком, что сопровождается большим тепловыделением в мишени и высоким уровнем наведенной активности на оборудовании.
Известен способ получения изотопов стронция Sr-82 и германия Ge-68 при облучении соли рубидий-хлор и металлического галлия [TARGETRY AT THE LANL 100 MeV ISOTOPE PRODUCTION FACILITY: LESSONS LEARNED FROM FACILITY COMMISSIONING * F.M. Nortier1, M. E. Fassbender+1, M. DeJohn3, V. T. Hamilton1, R. C. Heaton1, D. J., Jamriska1, J. J. Kitten1, J.W. Lenz2, С. E. Lowe1, C.F. Moddrell3, L. M. McCurdy1, E. J., Peterson1, L. R. Pitt1, D. R. Phillips1, L. L. Salazar1, P.A. Smith3 and F. O. Valdez1, Los Alamos National Laboratory, MS J514, Los Alamos, New Mexico 87545, USA., John W. Lenz & Associates, 412 Muskingum Road, Wax-ahachie, TX 75165, P.A. Smith Concepts & Designs, 1475 Central Ave. Suite 250, Los Alamos, New Mexico 87544].
Также известен способ получения изотопа стронция Sr-82 при облучении мишени из металлического рубидия, помещенного внутри герметичной капсулы из нержавеющей стали [Жуйков Б.Л., Коханюк В.М., Глущенко В.Н. и др. Получение стронция-82 из мишени металлического рубидия на пучке протонов с энергией 100 МэВ. - Радиохимия, 1994, том 36, стр. 494-498]. Способ выбран за прототип. Теплосъем с поверхности мишени осуществляется посредством принудительного водяного охлаждения. Эти мишени облучаются пучком протонов с энергией порядка 100 МэВ, током пучка 100 - 250 мкА с тепловыделением 3-7 кВт в каждой мишени. На рисунке 1 приведено схемное решение и фото сборки с характерными размерами порядка D = 40-50 мм. Мишень представляет собой герметичную металлическую капсулу с помещенным в ней рабочим веществом. Характерные размеры мишени: диаметр 25-50 мм, толщина 10-20 мм.
Повышение тока пучка позволяет увеличить наработку изотопов, однако при этом возрастает тепловая нагрузка на систему охлаждения, что в итоге может привести к кризису теплосъема и, как следствие, к разрушению корпуса мишени. Поэтому для увеличения тока предварительно необходимо изучить процесс охлаждения корпуса мишени во время облучения большим током протонного пучка. Ограничиваться только расчетами не достаточно и не безопасно, т.к. не существует надежной расчетной модели высокоинтенсивного теплосъема. Необходимо экспериментальное изучение тепловых процессов в мишени. Моделировать тепловые процессы на протонном пучке, во-первых, не безопасно и приводит к высокой активации конструкционных материалов, во-вторых, проводить такие исследования на мишенной станции при эксплуатации циклотрона в условиях действующего производства является нарушением технологического регламента. Технической проблемой известных решений является то, что необходимо провести стендовые испытания с моделью мишени, имеющей те же размеры корпуса и изготовленной из того же материала, что и корпус реальной мишени. На стенде необходимо создать безопасным способом уровни тепловыделений и условия охлаждения мишеней аналогичные реальным. Опыт показывает, что простым способом - спиралью с электрическим подогревом подвести мощность 9 кВт к мишени (с характерными размерами D = 50 мм, толщина h = 10-20 мм), практически невозможно.
Задачей изобретения является устранение указанной технической проблемы.
Технический результат изобретения: возможность безопасным способом уточнять конструктивные особенности мишеней и параметры теплосъема водяным охлаждением с мишеней, нарабатывающих изотопы.
Указанный технический результат достигается за счет того, что заявлен стенд, моделирующий тепловые процессы в мишенях при наработке радиоизотопов с помощью интенсивных протонных пучков, содержащий узел с окном для подачи пучка, в котором жестко закреплена мишень, к которой подключен температурный датчик, причем между окном и мишенью расположен проточный контур гидросистемы охлаждения, в каналах входа и выхода из узла которой установлены температурные датчики, а сама гидросистема охлаждения входом и выходом замкнута в установке охлаждения жидкости с термостатом, выполненным с возможностью держать заданный температурный режим охлаждающей воды на входе мишенной сборки; все температурные датчики подключены к регистратору, который выполнен с возможностью фиксации температуры каждого датчика в режиме реального времени и с возможностью подключения к компьютеру, отличающаяся тем, что в окно узла направлен канал выпуска пучка электронов, а узел смонтирован на выходном фланце электронного ускорителя, между окном узла и проточным контуром установлена стальная мембрана.
Предпочтительно, на выходе из узла за температурным датчиком и до входа в установку охлаждения жидкости установлен расходомер.
Мембрана может быть выполнена толщиной 0.5 мм и диаметром 50 мм. Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показана мишенная сборка, облучаемая электронным пучком и охлаждаемая водой.
На Фиг. 2 показано схематическое изображение установки для изучения высокоинтенсивного теплообмена на границе твердое тело - вода.
На Фиг. 3 показано изображение и профиль пучка при выключенных квадрупольных линзах.
На Фиг. 4 показано изображение и профиль пучка в случае максимальной фокусировки.
На Фиг. 5 показано изображение и профиль пучка в случае максимальной дефокусировки.
На Фиг. 6 показана фотография рабочей модели электронного ускорителя, используемого для стенда.
На Фиг. 7 показан рабочий пример сборки мишенного узла перед монтажом на ускоритель.
На Фиг. 8 показан пример мишенного узла, смонтированного на выходном фланце ускорителя.
На Фиг. 9 показан пример мишенного узла, обложенный защитными свинцовыми блоками.
На Фиг. 10 показана медная мишень после облучения.
На Фиг. 11 показана разделительная мембрана вода-вакуум после облучения. На чертежах: 1 - мишень, 2 - температурные датчики, 3 - выходной фланец электронного ускорителя, 4 - электронный пучок (10 МэВ, Р = 5-10 кВт), 5 - контур водяного охлаждения, 6 - входной поток системы водяного охлаждения, 7 - выходной поток системы водяного охлаждения, 8 - окно узла, 9 - тонкая стальная мембрана, 10 - регистратор, 11 - компьютер, 12 - видеокамера, 13 - установка охлаждения жидкости с термостатом (чиллер), 14 -расходомер.
Осуществление изобретения.
Стенд, моделирующий тепловые процессы в мишенях при наработке радиоизотопов с помощью интенсивных протонных пучков, содержит узел с окном для подачи пучка, в котором жестко закреплена мишень 1 (см. Фиг. 1, Фиг. 2).
К мишени 1 подключен температурный датчик 2, причем между окном и мишенью расположен проточный контур 5 гидросистемы охлаждения, в каналах входа 6 и выхода 7 из узла которой также установлены температурные датчики 2. Все температурные датчики 2 подключены к регистратору 10, который выполнен с возможностью фиксации температуры каждого датчика в режиме реального времени и с возможностью подключения к компьютеру 11. На компьютере 11 собирают и анализируют данные, при необходимости используют видеокамеру слежения 12 за стендом, которую подключают к компьютеру. Сама гидросистема охлаждения замкнута в установке охлаждения 13 жидкости с термостатом (чиллере), выполненным с возможностью держать заданный температурный режим охлаждающей воды на входе мишенной сборки.
Новым является то, что в окно узла 8 направлен канал выпуска пучка электронов 4, а узел смонтирован на выходном фланце 3 электронного ускорителя.
Предпочтительно, на выходе 7 из узла за температурным датчиком 2 и до входа в установку охлаждения 13 жидкости установлен расходомер 14.
Задача создания полей тепловыделений решается созданием охлаждаемой мишенной сборки, к которой мощность подводится пучком электронов 4 с энергией до 10 МэВ (мощностью до 10 кВт), как показано на Фиг. 1. Использование электронного пучка позволяет моделировать тепловыделение в мишени аналогичное тому, что и на протонном пучке, однако уровни наведенной активности при этом будут существенно ниже. Исследования работоспособности устройства были проведены на стенде №4 НИИЯФ МГУ. Ускоренный пучок имеет параметры, представленные в таблице 1. Средняя мощность регулируется частотой следования импульсов и при максимальной частоте 100 Гц составляет 3,2 кВт.
Параметры пучка электронного ускорителя.
На выводе ускорителя установлена пара квадрупольных линз для формирования поля облучения. Поперечный размер пучка определяется по изображению переходного излучения на титановой фольге вывода пучка посредством металлического зеркала и камеры «Видеоскан-415». На Фиг. 3, Фиг. 4, Фиг. 5 показаны изображения пучка и его профили в горизонтальной и вертикальной плоскостях в случаях соответственно выключенных квадрупольных линз, максимальной фокусировке пучка и максимальной дефокусировке пучка. Как видно из Фиг. 3 - Фиг. 5 σ можно варьировать в диапазоне от 0,8 мм до 5 мм. В эксперименте использована конфигурация с максимально расфокусированным пучком, среднеквадратичный радиус в горизонтальной плоскости составил 5,08±0,29 мм, в вертикальной - 3,94±0,28 мм.
Охлаждение исследуемого мишенного узла обеспечивал чиллер 13, поддерживающий температуру охлаждающей воды на уровне 28°, поток 50 л/мин и давление 3,5бар. Мощность пучка регулировалась частотой следования импульсов, начиная с 10 Гц до 80 Гц с шагом 10 Гц, что соответствует диапазону мощностей 320 - 2560 Вт с шагом 320 Вт.
Мишенный узел.
Схема мишенного узла, моделирующего с помощью интенсивных электронных пучков тепловые процессы в мишенях, показана на Фиг. 2. Тонкая стальная мембрана 9 (см. Фиг. 1) отсекает вакуум ускорителя от потока воды (выделено голубым цветом), охлаждающей эту мембрану и мишень 1. Мембрана 9 может быть выполнена, например, толщиной 0.5 мм и диаметром 50 мм.
В эксперименте использовались мишени двух типов. Медная мишень толщиной по пучку 10 мм и диаметром 25 мм. Мишень с одной стороны охлаждается потоком воды. Температура мишени контролируется с другой стороны мишени с помощью термопары. При этом для медной мишени контролировалась температура только в центральной области мишени.
Галлиевая мишень представляет собой заполненную галлием стальную капсулу с размерами 10 мм по пучку и диаметром 25 мм. Стальная входная мембрана толщиной 0.3 мм охлаждается потоком воды. Контроль температуры галлиевой мишени осуществлялся с помощью двух термопар: в центральной области и в нижней части мишени.
Парциальные энерговыделения в элементах мишенного узла при прохождении электронов с энергией 10 МэВ приведены далее.
Расчеты и экспериментальные измерения показывают, что в галлиевой мишени (включая стальную стенку капсулы мишени толщиной 0.3 мм):
2
2
а) выделяется 67% энергии пучка, что соответствует средней плотности теплового потока на охлаждаемой водой поверхности мишени примерно 350 вт/см при частоте следования импульсов 80 Гц и 400 вт/см при частоте 90 Гц;
б) при частоте импульсов выше 70-80 Гц температура галлия в мишени превышает температуру кипения воды при давлении 3.5 бар (137°С), т.е. охлаждение мишени осуществляется турбулентным потоком недогретой до температуры насыщения (кипения) воды, причем на части охлаждаемой поверхности теплоотдача осуществляется за счет кипения воды;
68
nat
68
2
в) для наработки целевого нуклида Ge в реакции Ga(p,x)Ge наиболее эффективны протоны с энергией 30 Мэв, пробеги которых в галлии составляют 2.5 мм, при этом средняя плотность теплового потока на охлаждаемых поверхностях в 350-400 вт/см будет достигаться при токах пучка протонов 110-130 мкА (при таких же параметрах водяного охлаждения, диаметре мишени, размеров пучка и охлаждении мишени с двух сторон);
г) таким образом, с помощью описанного устройства можно моделировать тепловые процессы в мишенях для наработки радиоизотопов с помощью интенсивных электронных пучков.
Результаты измерений температуры мишеней.
Измерения проводились по следующей схеме:
1) измерения на каждой мишени стартовали с частоты 10 Гц для галлиевой мишени и с частотой 20 Гц для медной;
2) при заданной мощности пучка фиксировалось время установления квазистационарного температурного (когда показания термопар практически не изменялись во времени) равновесия;
3) затем мощность пучка повышалась на фиксированную величины 320 Вт, т.е. частота следования сгустков электронов увеличивалась на 10 Гц;
4) повышение мощности пучка осуществлялось вплоть до частоты следования 90 Гц, результаты заносились в представленные ниже таблицы;
5) примечание: а) при измерениях на галлиевой мишени на частоте 30 Гц вышел из строя один из предохранителей на ускорителе электронов, при этом повторные измерения при этой частоте после замены предохранителя проведены начиная с температуры мишени, равной температуре охлаждающей воды; б) отсчет времени при каждом измерении стартовал в нулевой отметки, в действительности процесс измерения для каждой мишени проводился непрерывно во времени, т.е. после установления квазистационарной температуры при фиксированной частоте увеличение частоты происходило в течение короткого времени (за исключением ситуации, описанной в п. а)).
Результаты измерений
Медная мишень
При переходе на мощность 30 Гц была остановка ускорителя по технической причине (сгорел предохранитель). После восстановления работы, продолжили эксперимент.
Расчет энерговыделения электронов энергией 10 МэВ в медной и галлиевой мишенях.
x
y
13
Профиль пучка электронов представляет собой гауссиан с σ = σ = 5 мм. Электронный пучок работает в импульсном режиме с интенсивностью 2⋅10 е/имп. Распределение выделенной энергии в цилиндрических мишенях проводилось с шагом 1 мм по толщине мишени, по радиусу с шагом 2,5 мм. Диаметр мишеней 25 мм. Результаты нормированы на 1 импульс.
Медная мишень.
Расчетная геометрия по ходу пучка:
Окно (сталь) - 0,5 мм;
вода - 3 мм;
мишень (медь) - 10 мм;
сталь - 3 мм.
Галлиевая мишень.
Расчетная геометрия по ходу пучка:
сталь - 0,5 мм;
вода - 3 мм;
сталь - 0,3 мм;
галлий - 8 мм;
сталь - 3 мм;
медь - 10 мм.
На Фиг. 10 показана медная мишень после облучения и на Фиг. 11 показана разделительная мембрана вода-вакуум после облучения.
Работа стенда и результаты измерений показывают, что удается безопасным способом уточнять конструктивные особенности мишеней и параметры теплосъема водяным охлаждением с мишеней, нарабатывающих изотопы.