НЕЙТРОНОПРОДУЦИРУЮЩИЙ МИШЕННЫЙ УЗЕЛ Российский патент 2022 года по МПК G21G4/02 H05H6/00 

Изобретение относится к ядерной физике, в частности к конструкции узла мишени в устройствах для получения пучков нейтронов (нейтронопродуцирующих) на основе ускорителя протонов.

В результате бомбардировки бериллия пучком протонов достаточной энергии в бериллии происходит генерация нейтронов. Облучение протонным пучком приводит к интенсивному нагреву бериллиевой мишени, что, в отсутствие достаточного теплоотвода, может привести к ее разрушению.

Известные нейтронопродуцирующие мишенные узлы можно разделить на два основных вида со статическими и динамическими мишенями.

В статических мишенях поток заряженных частиц, направленных на рабочее тело мишени, и активное нейтронообразующее вещество не меняют своего положения относительно друг друга. В таких мишенях наблюдается существенный износ активного (нейтронопродуцирующего) слоя и накопление наведенной активности. К тому же современные мишени требуют систем охлаждения с большими удельными тепловыми потоками (>1 кВт/см2), что затрудняет возможность создания простого и компактного нейтронопродуцирующего узла. В качестве примера статической мишени на относительно небольшой удельный тепловой поток можно привести нейтронопродуцирующие мишени, описанные в патентах США №4666651 (опубликован 19.05.1987 г.) и №5920601 (опубликован 06.07.1999 г.).

Недостатком статических мишеней является то, что в результате взаимодействия пучка протонов некоторой интенсивности с бериллием выделяется больше тепла, чем способна унести вода или любой другой известный хладагент.

Известен нейтронопродуцирующий мишенный узел с динамической мишенью по патенту РФ на изобретение №2326513 (опубликован 10.06.2008), в котором мишень выполнена в виде гибкой ленты, а устройство ее перемещения относительно потока заряженных частиц - в виде лентопротяжного механизма. Лентопротяжный механизм выполнен в виде двух приемо-подающих барабанов с направляющими ленту роликами.

Недостатком устройства является необходимость периодического охлаждения или замены мишенного узла, а также сложность конструкции, использующей лентопротяжный механизм для перемещения мишени.

Известен нейтронопродуцирующий мишенный узел с динамической мишенью в виде сплошного кольца, окруженного охлаждающей средой только снаружи. Однако такой узел не позволяет эффективно охлаждать мишень, поскольку наиболее нагретая часть охлаждающей жидкости, примыкающей к мишени,вращается вместе с барабаном.

Известен нейтронопродуцирующий мишенный узел с динамической мишенью по патенту США №4582667 (опубликован 15.04.1986 г.), выполненной в виде мишенной дорожки, расположенной по торцу диска, установленного с возможностью перемещения относительно потока заряженных частиц, направленных на мишень с устройством его перемещения. Мишень снабжена системой принудительного водяного охлаждения с использованием каналов охлаждения сложной формы выполненных в активном материале.

Недостатком устройства является сложность изготовления, в частности, за счет необходимости изготовления каналов сложной формы в самой мишени.

Техническим результатом, на получение которого направлено изобретение, является создание простого, в том числе и в эксплуатации и компактного нейтронопродуцирующего мишенного узла с динамической мишенью и эффективной системой охлаждения простой конструкции, не требующей предварительной обработки мишени.

Технический результат достигается в устройстве нейтронопродуцирующего мишенного узла, содержащего неподвижную вакуумную камеру со входом для пучка протонов и выходом для пучка генерируемых нейтронов, вращающийся внутри нее полый барабан с бериллиевым кольцом, установленным на его торце на пути пучка протонов, выполненный с осевой трубой, которая закреплена с возможностью вращения в отверстиях вакуумной камеры, а через эту трубу осуществлен ввод в барабан и вывод из барабана охлаждающей бериллиевое кольцо жидкости, кроме того, соосно с осевой трубой внутри вращающегося барабана установлена неподвижная крыльчатка, выполненная с возможностью направления потока охлаждающей жидкости на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого кольца, а также с возможностью препятствования вращению объема охлаждающей жидкости вместе с барабаном.

Предпочтительно выполнение вакуумной камеры в форме полого цилиндра, причем в центрах обеих торцевых поверхностей которого симметрично установлены уплотнения осевой трубы вращающегося барабана, обеспечивающие вакуумную герметичность соединения стенок вакуумной камеры и осевой трубы барабана.

Предпочтительно выполнение уплотнения осевой трубы вращающегося барабана в отверстиях вакуумной камеры магнитожидкостными.

В одном из вариантов исполнения осевая труба вращающегося барабана закреплена с возможностью вращения в неподвижных опорах с уплотнениями, обеспечивающими вакуумную герметичность соединения.

Предпочтительно выполнение уплотнения осевой трубы вращающегося барабана в неподвижных опорах магнитожидкостными.

В одном из вариантов исполнения неподвижная крыльчатка выполнена с осью, закрепленной в неподвижных опорах.

Предпочтительно выполнение бериллиевого кольца из сегментов.

В одном из вариантов исполнения в торцевой поверхности барабана, обращенной к пучку протонов, выполнены радиально расположенные сквозные проемы, в которых вакуумноплотно установлены бериллиевые сегменты кольца.

Предпочтительно выполнение бериллиевых сегментов одинаковыми с размером не менее 50 мм и толщиной около 1,1 мм.

В одном из вариантов исполнения крыльчатка состоит из центральной части, жестко соединенной с осью и лопастей, установленных на периферии центральной части.

Предпочтительно выполнение центральной части крыльчатки сплошной со сглаженным профилем, расширяющимся от центра к периферии, и направляющим входящий поток охлаждающей жидкости, на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого сегмента.

Предпочтительно выполнение неподвижных опор полыми с трубками для подачи или отвода воды.

На фиг.1 показан продольный разрез нейтронопродуцирующего мишенного узла, где:

1. – неподвижная вакуумная камера;

2. – направление движения пучка протонов;

3. – направление движения пучка нейтронов;

4. – вращающийся барабан;

5. – бериллиевое кольцо;

6. – осевая труба вращающегося барабана

7. – магнитожидкостные уплотнения осевой трубы

8. – неподвижная крыльчатка;

9. – ось неподвижной крыльчатки;

10. – центральная часть неподвижной крыльчатки;

11. – лопасти неподвижной крыльчатки;

12. – неподвижная опора;

13. – трубка подачи воды;

14. – трубка отвода воды;

15. – направление движения охлаждающей жидкости;

Заявляемый нейтронопродуцирующий мишенный узел содержит неподвижную вакуумную камеру 1 в форме полого цилиндра со входом для пучка протонов 2 и выходом для пучка генерируемых нейтронов 3, вращающийся внутри нее полый барабан 4 с бериллиевым кольцом 5, установленным на его торце на пути пучка протонов 2, выполненный с осевой трубой 6, которая герметично закреплена с возможностью вращения в отверстиях в центрах обеих торцевых поверхностей вакуумной камеры 1, а через эту осевую трубу 6 осуществлен ввод в барабан 4 и вывод из барабана 4 охлаждающей бериллиевое кольцо 5 жидкости 15, кроме того, соосно с осевой трубой 6 внутри вращающегося барабана 4 установлена неподвижная крыльчатка 8, выполненная с возможностью направления потока охлаждающей жидкости 15 на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого кольца 5, а также с возможностью препятствования вращению объема охлаждающей жидкости 15 вместе с барабаном 4. Вакуумная герметичность соединения стенок вакуумной камеры 1 и осевой трубы 6 барабана 4 обеспечена магнитожидкостными уплотнениями 7. Неподвижная крыльчатка 8 выполнена с осью 9, закрепленной в неподвижных опорах 12, и из центральной части 10, жестко соединенной с осью 9 и лопастей 11, установленных на периферии центральной части 10. При этом центральная части 10 крыльчатки 8 выполнена сплошной со сглаженным профилем, расширяющимся от центра к периферии, и направляющим входящий поток охлаждающей жидкости 15, на обращенную внутрь барабана 4 поверхность бериллиевого кольца 5. Неподвижные опоры 12 выполнены полыми с трубками подачи 13 или отвода воды 14.

Заявляемый нейтронопродуцирующий мишенный узел работает следующим образом. Вакуумная камера 1, опоры 12 и крыльчатка 8 на оси 9 остаются неподвижными. Внешний привод (на фиг. 1 не показан) сообщает непрерывное вращательное движение барабану 4, в результате чего бериллиевые сегменты кольца 5 по очереди, сменяя друг друга, пересекают протонный пучок 2. Через вращающийся барабан 4 внешним насосом (на фиг. 1 не показан) непрерывно интенсивно прокачивается вода 15 или иная охлаждающая жидкость. Во время работы устройства барабан 4 полностью заполнен текущей водой 15. Вода 15 подается через одну из неподвижных опор 12, протекает по осевой трубе 6 вращающегося барабана 4, попадает во внутренний объем барабана 4. На выходе из трубы струи воды 15 перенаправляются криволинейной поверхностью центральной части 10 крыльчатки 8 таким образом, что под скользящим углом омывают непосредственно сегменты бериллиевого кольца 5, способствуя его охлаждению. Втекающий в барабан 4 объем воды увлекается барабаном 4 в направлении вращения. Лопасти 11 неподвижной крыльчатки 8 способствуют интенсивному перемешиванию объема воды 15 и препятствующие вращению объема воды 15 вместе с барабаном 4. Нагретая в результате взаимодействия с бериллиевым кольцом 5 вода 15 отводится по осевой трубе 6 барабана 4 через вторую неподвижную опору 12. При этом охлаждение сегментов бериллиевого кольца 5 осуществляется протекающей водой 15, а меру нагрева в результате воздействия протонного пучка 2 можно регулировать изменением скорости вращения барабана 4 и изменением диаметра бериллиевого кольца 5, изменяя, таким образом, время экспозиции сегмента мишени в протонном пучке 2.

Таким образом, достигается техническим результат, на получение которого направлено изобретение, в виде создание простого, в том числе и в эксплуатации и компактного нейтронопродуцирующего мишенного узла с динамической мишенью и эффективной системой охлаждения простой конструкции, не требующей предварительной обработки мишени.

Изобретение относится к конструкции узла мишени в нейтронопродуцирующих устройствах на основе ускорителя протонов. Устройство нейтронопродуцирующего мишенного узла содержит неподвижную вакуумную камеру со входом для пучка протонов и выходом для пучка генерируемых нейтронов, вращающийся внутри нее полый барабан с бериллиевым кольцом, установленным на его торце на пути пучка протонов. Барабан выполнен с осевой трубой, закрепленной с возможностью вращения в отверстиях вакуумной камеры, а через эту трубу осуществлен ввод в барабан и вывод из барабана охлаждающей бериллиевое кольцо жидкости. Соосно с осевой трубой внутри вращающегося барабана установлена неподвижная крыльчатка, выполненная с возможностью направления потока охлаждающей жидкости на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого кольца, а также с возможностью препятствования вращению объема охлаждающей жидкости вместе с барабаном. Техническим результатом является создание простого, в том числе и в эксплуатации, и компактного нейтронопродуцирующего мишенного узла с динамической мишенью и эффективной системой охлаждения простой конструкции, не требующей предварительной обработки мишени. 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Нейтронопродуцирующий мишенный узел, содержащий неподвижную вакуумную камеру со входом для пучка протонов и выходом для пучка генерируемых нейтронов, вращающийся внутри нее полый барабан с бериллиевым кольцом, установленным на пути пучка протонов, отличающийся тем, что бериллиевое кольцо установлено на торце полого барабана, который выполнен с осевой трубой, закрепленной с возможностью вращения в отверстиях вакуумной камеры, причем через эту осевую трубу осуществлен ввод в барабан и вывод из барабана охлаждающей бериллиевое кольцо жидкости, кроме того, соосно с осевой трубой внутри вращающегося барабана установлена неподвижная крыльчатка, выполненная с возможностью направления потока охлаждающей жидкости на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого кольца, а также с возможностью препятствования вращению объема охлаждающей жидкости вместе с барабаном.

2. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что вакуумная камера выполнена в форме полого цилиндра, причем в центрах обеих торцевых поверхностей которого симметрично установлены уплотнения осевой трубы вращающегося барабана, обеспечивающие вакуумную герметичность соединения стенок вакуумной камеры и осевой трубы барабана.

3. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.2, отличающийся тем, что уплотнения осевой трубы вращающегося барабана в отверстиях вакуумной камеры выполнены магнитожидкостными.

4. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что осевая труба вращающегося барабана закреплена с возможностью вращения в неподвижных опорах с уплотнениями, обеспечивающими вакуумную герметичность соединения.

5. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.4, отличающийся тем, что уплотнения осевой трубы вращающегося барабана в неподвижных опорах выполнены магнитожидкостными.

6. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что неподвижная крыльчатка выполнена с осью, закрепленной в неподвижных опорах.

7. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что бериллиевое кольцо выполнено из сегментов.

8. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.7, отличающийся тем, что в торцевой поверхности барабана, обращенной к пучку протонов, выполнены радиально расположенные сквозные проемы, в которых вакуумноплотно установлены бериллиевые сегменты кольца.

9. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что бериллиевые сегменты выполнены одинаковыми с размером не менее 50 мм и толщиной около 1,1 мм.

10. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что крыльчатка состоит из центральной части, жестко соединенной с осью, и лопастей, установленных на периферии центральной части.

11. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.10, отличающийся тем, что центральная части крыльчатки выполнена сплошной со сглаженным профилем, расширяющимся от центра к периферии, и направляющим входящий поток охлаждающей жидкости на обращенную внутрь барабана поверхность бериллиевого сегмента.

12. Нейтронопродуцирующий мишенный узел по п.1, отличающийся тем, что неподвижные опоры выполнены полыми с трубками для подачи или отвода воды.