Способ охлаждения передней стороны твердотельной мишени при облучении пучком заряженных частиц
METHOD FOR COOLING OF FRONT SIDE OF SOLID-STATE TARGET DURING IRRADIATION WITH CHARGED PARTICLE BEAM

Изобретение относится к области получения радиоизотопов на циклотроне, а конкретно к способу охлаждения передней стороны твердотельной мишени (по направлению к пучку) при производстве радионуклидов на пучке заряженных частиц циклотрона.
При производстве радиоизотопов на циклотроне, для обеспечения максимального выхода целевого нуклида, стараются использовать максимально возможный ток пучка заряженных частиц. При работе с твердотельными мишенями энергия, теряемая заряженными частицами при торможении в веществе мишени, рассеивается в виде тепла. В результате происходит нагрев, вещество переходит в другое фазовое состояние: расплавляется, испаряется, сублимирует. В результате она разрушается и процесс наработки радионуклида прекращается. Поэтому мы вынуждены ограничивать плотность тока пучка, что снижает производительность циклотрона и экономические параметры производства радионуклидов.
Проблема сильного радиационного разогрева может быть решена, если использовать принудительное охлаждение мишени и сохранив высокую плотность тока заряженных частиц с помощью теплоотвода исключить возможность фазовых превращений.
2
Это особенно актуально для двухслойных мишеней, которые используются при производстве радиоактивного йода для медицинских целей [1]. Технология получения данных нуклидов на циклотроне включает в себя облучение мишени, состоящей из диоксида теллура, обогащённого по определённому изотопу и нанесённого на подложку из материала с высоким коэффициентом теплопроводности (Pt, Ta). В данном случае подложку будем считать задней, а слой диоксида теллура - передней стороной или передней поверхностью мишени. Из-за низкой теплопроводности TeO (30 мВт/см⋅К [2]) процесс передачи тепла от вещества мишени к охлаждаемой подложке сильно затрудняется. Поэтому, для увеличения производительности процесса наработки радионуклидов, необходимо применять дополнительное охлаждение передней стенки мишени (по направлению к пучку).
Известен способ охлаждения передней стенки мишени с помощью потока воздуха со скоростью 40 м/с [3]. Мы полагаем, что его можно считать аналогом.
Для охлаждения мишени со стороны пучка в данном способе используется компрессор, подающий воздух со скоростью 40 м/с. Поток воздуха при этом продольно омывает переднюю поверхность мишени.
2
К недостаткам этого способа следует отнести низкую эффективность охлаждения из-за малой теплопроводности воздуха, в следствие чего коэффициент теплоотдачи между поверхностью мишени и потоком газа составляет значение 175,16 Вт/(м⋅К) (см. приложение 1).
В качестве прототипа выбран способ, состоящий в охлаждении передней поверхности мишени потоком гелия [4]. На переднюю поверхность мишени подаётся поток газообразного гелия под давлением 2 бара и расходом 60 л/мин, который является теплоносителем. В результате конвективной теплопередачи гелий отводит часть тепла от вещества мишени и затем попадает в теплообменник, где охлаждается до комнатной температуры и вновь подается на мишень. Преимущества гелия заключаются в более высокой теплопроводности (0,152 Вт/(м⋅К) [5]), по сравнению с воздухом (0,0259 Вт/(м⋅К) [5]), а также в его инертности, что исключает химические взаимодействия с материалом мишени.
2
К недостаткам прототипа следует отнести низкий коэффициент теплоотдачи, равный 212,68 Вт/(м⋅К) и, следовательно, небольшое количество отведённой тепловой мощности (приложение 1).
Задачей изобретения является увеличение коэффициента теплоотдачи между передней поверхностью мишени и потоком теплоносителя. В этом случае возможно увеличение рабочего тока пучка и производительности процесса наработки радионуклидов.
Поставленная задача в предлагаемом нами изобретении решается благодаря тому, что охлаждение передней стороны твердотельной мишени потоком гелия, включающем использование газового теплоносителя, предусмотрены следующие отличия:
1) использование теплоносителя, способного претерпевать фазовые превращения в диапазоне рабочих температур мишени;
2) использование в качестве хладагента потока мелкодисперсно распылённой воды, направленного на переднюю стенку твердотельной мишени. Кроме того, предложенный способ отличается наличием возможности изменения толщины слоя воды на поверхности мишени. Это позволяет регулировать потери энергии пучка.
Сущность предложенного способа заключается в следующем. При облучении твердотельной мишени пучком заряженных частиц, причём в качестве мишени может использоваться металл или оксид какого-либо химического элемента, охлаждение передней стороны (расположенной в направлении пучка) производится потоком мелкодисперсно распылённой воды с помощью устройства распыления жидкости. Производительность распыления подбирается таким образом, чтобы температура передней поверхности была выше температуры насыщения распыляемой жидкости, но ниже температуры, при которой режим кипения переходит в плёночный. В этом случае коэффициент теплоотдачи существенно увеличивается за счёт процессов испарения.
В качестве распылителя для охлаждающего устройства может использоваться ультразвуковая колебательная система, включающая в себя канал подачи жидкости на рабочий инструмент (поверхность колебательной системы, с которой происходит распыление), либо другое распылительное устройство с обязательной регулировкой расхода распыляемой жидкости.
Преимущества использования распыления для охлаждения мишени заключаются в следующем [6].
1. Распыление является наиболее эффективным способом увеличения поверхности взаимодействия различных веществ между собой. Таким образом, при использовании факела распыления с диаметром, равным диаметру мишени (который зависит от диаметра рабочего инструмента колебательной системы), возможно равномерное испарение жидкости со всей поверхности мишени, без образования «горячих точек» (мест локального разогрева вещества).
2. Широкий диапазон регулировки подачи жидкости благодаря контролю расхода воды и размеров распыляемого факела. Таким образом, возможно осуществлять контроль толщины слоя жидкости на поверхности мишени в области малых толщин, когда надо минимизировать потери энергии пучка заряженных частиц.
Техническим результатом изобретения является увеличение коэффициента теплоотдачи между передней поверхностью мишени и теплоносителем. За счёт этого появляется возможность повышения рабочего тока пучка.  Использование хладагента в виде мелкодисперсного потока воды увеличивает тепловую мощность, отводимую от мишени, и стабилизирует её температуру около точки кипения.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице 1.
Таблица 1. Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом.
Видытехническогорезультата и их размерность
Показатели фактические или расчётные
Объяснение, за счёт чего (отличительный признак и/или их совокупность) стало возможным улучшение показателей предложенного объекта по сравнению с прототипом
прототипа
заявляемого объекта
Коэффициент теплоотдачи, Вт/(м<sup>2</sup>⋅К)
208,6
32⋅10<sup>3</sup>
Коэффициент теплоотдачи увеличивается за счёт процессов кипения воды.
Тепловая мощность, отводимая от мишени передним охлаждением, Вт
7,92
359,2
Тепловая мощность, отводимая от мишени, увеличивается за счёт увеличенного коэффициента теплоотдачи между передней поверхностью мишени и распылённой водой.
Изобретение позволяет увеличить рабочий ток пучка заряженных частиц при производстве радионуклидов за счёт более эффективного переднего охлаждения мишени по сравнению с аналогами. Увеличение рабочего тока пучка позволит увеличить конечный выход радионуклида, повысить производительность технологии, т.е. активность производимого изотопа в единицу времени, и снизить затраты машинного времени циклотрона, что существенно снижает себестоимость производства.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет описано со ссылкой на следующие чертежи.
На фиг. 1 показана схема ультразвуковой колебательной системы, использованной в качестве источника мелкодисперсно распыленных частиц воды. Здесь 1 - концентратор, 2 - пьезоэлементы, 3 - отражающая накладка, 4 - соединительная шпилька, 5 - изолирующая втулка, 6 - поясок крепления, 7 - рабочий инструмент (поверхность распыления жидкости), 8 - канал подачи жидкости на поверхность рабочего инструмента.
Принцип действия устройства распыления заключается в следующем. На пьезоэлементы подается напряжение ультразвуковой частоты, там же происходит преобразование энергии электрических колебаний в энергию упругих колебаний ультразвуковой частоты и создается знакопеременная механическая сила. После этого концентратор осуществляет трансформацию скоростей и обеспечивает согласование внешней нагрузки и активного внутреннего элемента. Колебания передаются на рабочий инструмент, который создает ультразвуковое поле в обрабатываемом объекте и происходит мелкодисперсное распыление воды. Вода поступает на поверхность рабочего инструмента через технологический канал.
На фиг. 2 показана схема реализации изобретения. Здесь 9 - твердотельная облучаемая мишень, 10 - выходное окно канала циклотрона, 11 - канал циклотрона, 12 - ультразвуковой генератор, подключенный к ультразвуковой колебательной системе, 13 - насос, подающий воду в канал ультразвуковой колебательной системы, 14 - бак с дистиллированной водой, 15 - ультразвуковая колебательная система, используемая в качестве устройства мелкодисперсного распыления жидкости, 16 - поток мелкодисперсно распыленной воды, направленный на облучаемую твердотельную мишень. Принцип действия описан ниже.
Возможность осуществления заявляемого изобретения показана следующими примерами.
В качестве источника мелкодисперсных частиц воды может использоваться ультразвуковая колебательная система [6] или другое устройство распыления. В случае ультразвуковой колебательной системы (УЗКС) создаётся конструкция по технологическим схемам, указанным в [6], частотой колебаний в интервале от 22 до 160 кГц, Питание колебательной системы происходит с помощью ультразвукового генератора соответствующей частоты. С помощью насоса в технологический канал УЗКС подаётся вода, которая под действием ультразвуковых колебаний распыляется с поверхности рабочего инструмента. С помощью различных конструкций рабочего инструмента возможно формирование факела распыления с линейными размерами, подходящими под конкретную мишень. Количество распыляемой жидкости регулируется с помощью насоса и подстраивается под необходимые в конкретном случае параметры, которые подбираются таким образом, чтобы обеспечить приемлемые потери энергии пучка заряженных частиц при прохождении через слой воды на мишени. Приемлемые потери будут разные в каждом конкретном случае, они зависят от начальной энергии пучка и функции возбуждения ядерной реакции. После этого сформированный мелкодисперсный поток направляется на переднюю сторону мишени, установленную в мишенном узле. В процессе облучения мишени пучком заряженных частиц происходит её охлаждение, главным образом, путём испарения распылённой жидкости с передней поверхности.
Список использованных литературных источников
1. Standardized high current solid targets for cyclotron production of diagnostic and therapeutic radionuclides (Technical reports series № 432) // International Atomic Energy Agency. Vienna. 2004.
2
2. Comor J.J., Stevanovic Z., Rajcevic M. and Kosutic D. Modeling of thermal properties of a TeO target for radioiodine production // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2004. A 521. P. 161-170.
3. Циклотрон Р7М с регулируемой энергией ускоряемых ионов. Структурная схема циклотронной установки Р7М // Лаборатория получения радиоактивных веществ НИИ ЯФ при ТПУ. Техническая документация. 2010. С.71.
4. Nirta Solid Compact Model TS06 Operating Manual // ELEX COMMERCE.  Belgrade, Serbia. 2010.
5. Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей // Издательство «Наука». - Москва., 1972. 720 с.
6. Хмелёв В.Н. Ультразвук. Распыление жидкостей: монография // Общероссийское литературное сообщество, Бийск. 2017. - 272 с.
7. Баскаков А.П., Берг Б.В., Витт О.К. Теплотехника: Учеб. для вузов // Под ред. А.П. Баскакова. - 2-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 224 с.
8. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи // Издательство АТП. - Екатеринбург., 2015. 320 с.
9. Цветков Ф.Ф., Григорьев Б.А. Тепломассообмен: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: Издательство МЭИ. 2005. - 550 с.
10. Kotaro Nagatsu et al. Fully automated production of iodine-124 using a vertical beam // Applied Radiation and Isotopes. V69. 2011. - 146-157 pp.
Приложение 1. Расчет коэффициента теплоотдачи
Охлаждение твердотельной мишени потоком воздуха является частным случаем продольного обтекания пластины. Расчёты коэффициента теплоотдачи проводятся с использованием критериальных уравнений. Коэффициент теплоотдачи α находится из следующего уравнения [7]:
(1)
2⋅
где  - коэффициент теплоотдачи, Вт/(мК);
- коэффициент теплопроводности теплоносителя, Вт/(м⋅К);
- характерный размер, м.
- число Нуссельта.
Для нахождения числа Нуссельта необходимо определить режим течения теплоносителя, используя число Рейнольдса:
(2)
где  - скорость течения теплоносителя, м/с;
- характерный размер, м.
2
- коэффициент кинематической вязкости теплоносителя, м/c;
- число Рейнольдса.
5
5
При числах Рейнольдса Re < 5⋅10 режим ламинарный, при  Re > 5⋅10режим турбулентный.
Параметры, используемые в аналоге [3]:
- скорость потока воздуха: 40 м/с;
3
- расход воздуха: 0,003 м/с;
2
- площадь воздуходува: 0,006 м;
- характерный размер: 0,02 м;
- температура воздуха: 20°С;
- коэффициент теплопроводности [5]: 0,0259 Вт/(м⋅К);
-6
2
- кинематическая вязкость [5]: 15,06⋅10м/с.
Число Рейнольдса:
(3)
5
< 5⋅10 - режим течения ламинарный.
Согласно [8], для газов число Нуссельта (ламинарный режим течения) приобретает вид:
(4)
Отсюда число Нуссельта:
(5)
Из уравнения (1):
(6)
2
2
Таким образом, коэффициент теплоотдачи при использовании способа, предложенного в [3], составляет 169,93 Вт/(м⋅К). Из уравнения Ньютона Рихмана [7] (ΔТ примем равным 100°С, площадь поверхности мишени 3,8 см):
(7)
Охлаждение твердотельной мишени потоком гелия также является частным случаем продольного обтекания пластины. Расчёты коэффициента теплоотдачи проводятся с использованием тех же критериальных уравнений, указанных выше.
Параметры, используемые в аналоге [4]:
- скорость потока гелия: 12,66 м/с;
3
- расход гелия: 0,001 м/с;
2
- площадь воздуходува: 0,000079 м;
- характерный размер: 0,02 м;
- температура гелия: 25°С;
- коэффициент теплопроводности [5]: 0,151 Вт/(м⋅К);
-6
2
- кинематическая вязкость [5]:107,7 ⋅10м/с.
Число Рейнольдса:
(8)
5
< 5⋅10 - режим течения ламинарный.
Отсюда число Нуссельта:
(9)
Отсюда число Нуссельта:
(10)
Из уравнения (1):
(11)
2
Таким образом, коэффициент теплоотдачи при использовании способа, предложенного в [4], составляет 208,61 Вт/(м⋅К). Рассчитаем тепловой поток:
(12)
Охлаждение передней стенки мишени мелкодисперсно распылённой водой, с использованием фазового перехода, представляет собой кипение. Для расчета коэффициента теплоотдачи при кипении используют различные полуэмпирические модели. Наиболее приближенной теорией процесса теплообмена при кипении является модель Д.А. Лабунцова [9]. Для воды при атмосферном давлении расчет коэффициента теплоотдачи производится по формуле:
- давление, бар;
2
- тепловой поток, Вт/м. (13)
123
2
2
Таким образом, коэффициент теплоотдачи при кипении зависит от плотности теплового потока и давления жидкости. Для расчета воспользуемся стандартными параметрами производства изотопа I на циклотроне [10] c энергией частиц 12 МэВ, током 30 мкА и площадью поверхности мишени 3,8 см. Исходя из этого плотность теплового потока  Вт/м.
Отсюда коэффициент теплоотдачи:
(14)
При температуре кипения воды 100°С температура поверхности мишени равна:
(15)
Таким образом ΔТ = 128,7-100 = 28,7°С.
Тепловой поток:
(16)