Мишенный узел ускорителя электронов
ELECTRON ACCELERATOR TARGET ASSEMBLY

Изобретение относится к области ускорительной техники и может использоваться для производства различных радиоизотопов и радиофармпрепаратов.
Известен мишенный узел, используемый в ускорителях электронов с целью производства радиоизотопов, представленный в патентной заявке [US 20080240330 А1, 2008]. Мишенный узел содержит конвертер электронов в гамма кванты, капсулу с облучаемым веществом и системы охлаждения конвертера электронов и капсулы. Конвертер электронов выполнен в виде круглой трубы из тугоплавкого металла, внутри которой протекает жидкий, или газообразный, теплоноситель. Облучаемое вещество помещено в проницаемые корзинки и непосредственно охлаждается циркулирующим теплоносителем.
Недостатком известного технического решения является наличие двух циркуляционных контуров, усложняющих конструкцию.
Наиболее близким аналогом заявляемого технического решения является мишень по заявке [US 2017301426 (А1), 2017, Производство молибдена 99 используя электронные пучки]. Устройство содержит конвертер электронов в поток фотонов в виде пластинки из тугоплавкого металла, держатель мишени - капсулу, и облучаемое вещество в виде дисков из молибдена 100, две системы охлаждения конвертера и капсулы циркулирующей водой.
Недостатками известного технического решения являются недостаточная эффективность охлаждения конвертера и капсулы и наличие двух циркуляционных контуров, усложняющих конструкцию. Кроме того, вода подвергается радиолизу, в результате чего накапливается водород, являющийся потенциально пожаро-взрывоопасным.
Задача данного изобретения заключается в исключении указанных недостатков, а именно, увеличении эффективности передачи тепла от конвертера и капсулы к теплоносителю и уменьшении количества циркуляционных контуров.
Технический результат - интенсификация теплообмена и упрощение конструкции мишенного узла ускорителя электронов.
Для исключения указанных недостатков в мишенном узле ускорителя электронов, содержащим конвертер электронов и капсулу с облучаемым веществом, предлагается:
- конвертер электронов и капсулу с облучаемым веществом поместить в одном герметичном корпусе, снабженном окном для пучка электронов и входным и выходным патрубками для протока теплоносителя;
- конвертер электронов выполнить в виде, по меньшей мере, одной плоской пластинки, снабженной с каждой стороны ребрами, расположенными таким образом, что толщина пластинки одинакова на всей облучаемой электронами площади;
- капсулу выполнить в виде герметичной гильзы, частично заполненной облучаемым веществом и частично снабженной ребрами на наружной поверхности.
В частных случаях исполнения предлагается:
- во-первых, в качестве теплоносителя использовать жидкие металлы, например, натрий, калий и их эвтектический сплав;
- во-вторых, корпус выполнить из конструкционных материалов, совместимых с жидкометаллическими теплоносителями, например, натрием, калием и их эвтектическим сплавом, и относительно слабо поглощающих электроны, например, ванадия и его сплавов.
- в-третьих, в качестве облучаемого вещества использовать металлический радий.
Сущность изобретения поясняется на фигурах чертежей, где на фиг. 1 представлен внешний вид мишенного узла; на фиг. 2 - поперечный разрез мишенного узла; на фиг. 3 -продольный разрез мишенного узла; на фиг. 4 - трехмерный вид конвертера электронов.
На фигурах чертежей приняты следующие позиционные обозначения: 1 - капсула; 2 - конвертер электронов; 3 - корпус; 4 - нажимная гайка; 5 - облучаемое вещество; 6 - окно для пучка электронов; 7 и 8 - входной и выходной патрубки, соответственно; 9 - уплотнитель сальника.
Сущность изобретения состоит в следующем.
Мишенный узел ускорителя электронов содержит конвертер электронов 2 и капсулу 1.
Конвертер электронов 2 выполнен в виде плоской пластинки из тугоплавкого металла, снабжен с каждой стороны ребрами для увеличения теплоотдачи, служит для преобразования пучка ускоренных электронов в поток гамма квантов.
Конвертер электронов 2 и капсула 1 с облучаемым веществом 5 помещены в одном корпусе 3.
Корпус 3 снабжен окном для пучка электронов 6 и входным 7 и выходным 8 патрубками.
В частном случае корпус мишенного узла 3 выполняют из металла, совместимого с жидкометаллическим теплоносителем и относительно слабо поглощающего электроны, например, ванадия и его сплавов.
Окно для пучка электронов 6 выполнено в виде относительно тонкой мембраны в корпусе 3 и служит для отделения вакуумной полости ускорителя электронов от полости теплоносителя и пропускает пучок электронов к конвертеру электронов 2.
Конвертер электронов 2 выполнен в виде, по меньшей мере, одной плоской пластинки. Конвертер электронов 2 служит для преобразования пучка ускоренных электронов в поток гамма квантов.
Плоская пластинка снабжена с каждой стороны ребрами, расположенными таким образом, что толщина пластинки одинакова по всей облучаемой электронами площади. Ребра предназначены для увеличения теплоотдачи.
Капсула 1 выполнена в виде герметичной гильзы.
Капсула 1 частично заполнена облучаемым веществом 5 и частично снабжена ребрами на наружной поверхности. Ребра предназначены для увеличения теплоотдачи.
В частном случае для охлаждения конвертера электронов 2, капсулы 1 с облучаемым веществом и мишенного узла в целом, используют жидкометаллический теплоноситель, например, эвтектический сплав натрий-калий.
Нажимная гайка 4 является элементом сальника и служит для герметизации капсулы 1 в корпусе 3 с помощью уплотнителя сальника 9.
Облучаемое вещество 5 является исходным продуктом для производства нужного радионуклида.
В частном случае в качестве облучаемого вещества 5 используют металлический радий.
Входной 7 и выходной 8 патрубки предназначены для протока теплоносителя, охлаждающего капсулу 1, конвертер электронов 2 и корпус 3.
Использование жидкометаллического теплоносителя и оребрение конвертера электронов 2 и капсулы 1 обеспечивает существенно более высокую теплоотдачу по сравнению с другими теплоносителями, например, водой и более низкую температуру всех элементов мишенного узла. Это позволяет использовать более массивные загрузки облучаемого вещества 5, увеличить наработку конечного радионуклида и способствует оптимизации конструкции мишенного узла. Применение малоактивируемых и относительно слабо поглощающих электроны конструкционных материалов снижает энерговыделение в элементах мишенного узла и также облегчает задачу отвода тепла.
Мишенный узел ускорителя электронов работает следующим образом.
Пучок электронов от ускорителя электронов проходит сквозь окно 6 и взаимодействует с конвертером 2, в котором возникает тормозное излучение гамма квантов. При этом в окне бив конвертере 2 выделяется тепло, которое необходимо отводить. Поток гамма квантов падает на капсулу 1 и проходит в облучаемое вещество 5. В облучаемом веществе 5 происходит фотоядерная реакция, в результате которой нарабатывается желаемый радионуклид и также выделяется тепло. Часть гамма квантов рассеивается, попадает в материал корпуса 3 мишенного узла и также нагревает его. Жидкометаллический теплоноситель, протекающий в корпусе 3 через входной и выходной патрубки 7 и 8, охлаждает с двух сторон конвертер 2, окно 6, капсулу 1 с облучаемым веществом 5 и корпус 3 мишенного узла в целом.
После необходимой экспозиции облучаемого вещества 5 под облучением капсулу 1 извлекают из корпуса 3 и заменяют другой капсулой. Эта операция обеспечивается наличием уплотнительного сальника, состоящего из нажимной гайки 4 и уплотнителя сальника 9.
Пример конкретного исполнения мишенного узла ускорителя электронов.
Изготовлен экспериментальный образец мишенного узла, предназначенный для теплогидравлических испытаний вне ускорителя. Он отличается от разработанной конструкции натурного образца только тем, что в нем использован нерадиоактивный имитатор мишенного вещества 5, выполненный в виде медной таблетки высотой 7 мм, и имитатор конвертера электронов 2, выполненный из дюралюминия Д16, имеющего теплопроводность близкую к теплопроводности вольфрама.
Капсула 1 выполнена из нержавеющей стали Х18Н10Т. Наружный диаметр капсулы 8 мм, внутренний - 6 мм, длина - 25 мм. Толщина донышка капсулы составляет 0,5 мм. Капсула снабжена опорным буртиком с внешним диаметром 15 мм. Капсула 1 заглушена хвостовиком, с помощью которого она дистанционно устанавливается в корпус 3 и извлекается из него. Капсула 1 герметизируется в корпусе 3 сальником, состоящим из нажимной гайки 4 и графитового уплотнителя 9.
Корпус 3 мишенного узла выполнен из нержавеющей стали Х18Н10Т. Наибольший диаметр корпуса 30 мм. Внутренняя полость корпуса 3 выполнена в виде ступенчатого цилиндра. Наименьший диаметр равен 13 мм, средний - 14 мм, наибольший - 15 мм. На нижнем уступе расположен имитатор конвертера 2, а на средний уступ опирается буртик капсулы 1. В верхней части внутренней поверхности корпуса 3 выполнена резьба, в которую ввинчивается нажимная гайка 4, сжимающая уплотнитель сальника 9. Корпус 3 снабжен входным 7 и выходным 8 патрубками с внутренним диаметром 12 мм для входа и выхода теплоносителя.
Окно 6 для входа пучка электронов имеет толщину 1 мм и диаметр 10 мм. Полная высота мишенного узла, включая захват капсулы 1, составляет 70 мм.
Преимущества предлагаемого мишенного узла ускорителя электронов заключаются в повышении эффективности охлаждения (коэффициента теплопередачи) конвертера и капсулы в 2-3 раза за счет применения жидкометаллического теплоносителя вместо воды и оребрения теплопередающих поверхностей, и упрощение конструкции мишенного узла за счет исключения одного циркуляционного контура.