一種采用鎵銦液態金屬冷卻的旋轉氚靶裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種采用鎵銦液態金屬冷卻的旋轉氚靶裝置，主要用于強流氘氚聚變中子發生器旋轉氚靶系統產生高通量氘氚聚變中子束，可以在中子物理、醫學物理、輻射防護及核技術應用等研宄領域發揮重要作用。
【背景技術】
[0002]氘氚聚變中子發生器利用強流氘離子束轟擊氚靶發生氘氚聚變反應產生14MeV高能聚變中子，可應用于中子物理、醫學物理、輻射防護及核技術應用等研宄領域。
[0003]強流離子束的轟擊會在中子發生器的氚靶靶片上沉積大量的熱量，瞬間熱流密度最高可達約幾十kW/cm2，而氚靶靶片上吸氚的鈦膜部分厚度只有幾個y m，如果上述熱量不能在短時間經由靶片底襯的循環冷卻介質迅速排出，會引起靶片溫度過高，一旦靶片表面溫度超過200°C，靶片中的氚會大量逸出損失，甚至導致靶片直徑燒毀。
[0004]目前國內外強流中子發生器普遍采用的是含氚量較高的強制水冷型大面積高速旋轉氚鈦靶系統。采用圓形或球冠形靶片，其上含氚鈦膜呈環帶形狀分布，靶片面積較大、直徑多在20cm以上，可繞其中心軸線高速旋轉，轉速一般為1000?5000轉每分鐘。工作時氘離子束入射方向不變、均勻地輪番地轟擊旋轉靶片上的氚鈦膜環帶，同時在靶片底襯通以流量為20-30升每分鐘的高速循環冷卻水，這樣可基本保證靶片不至于過熱而導致氚的釋放損失，也不會出現靶片燒毀的情況；但此冷卻方式由于靶襯底冷卻水流的引入會對出射中子的單色性造成一定的影響。另外，實際使用的經驗表明，由于水流傳熱性能的限制和旋轉靶片的機械結構、強度等原因，限制了入射氘離子束流強度及氘氚反應產生中子強度的進一步提高。本發明以常溫下鎵銦液態金屬替代水作為冷卻介質，因為液態金屬的導熱系數達到10-50W/m.Κ，是水的幾十倍，工作溫度范圍為0°C?2000°C，利用液態金屬較高的導熱能力可以更有效提高靶片底襯的傳熱量，增強傳熱效果；同時由于鎵和銦的原子序數較高，也可進一步降低冷卻介質對靶片出射中子單色性的影響。
【發明內容】
[0005]針對現有技術中存在的問題，本發明提供了一種采用鎵銦液態金屬冷卻的旋轉氚靶裝置，用于強流氘氚聚變中子發生器旋轉氚靶系統產生高通量氘氚聚變中子束。
[0006]本發明采用的技術方案為:一種采用鎵銦液態金屬冷卻的旋轉氚靶裝置，包括旋轉氚靶主體及鎵銦液態金屬循環冷卻系統，旋轉氚靶主體由真空旋轉空心軸、旋轉氚靶片、冷卻結構、氣動渦輪傳動機構、真空抽氣管道、加速器接口、束流冷卻螺旋管組成，鎵銦液態金屬循環冷卻系統由管路、水冷式冷凝機組、電磁泵組成，其中，旋轉氚靶片與真空旋轉空心軸通過螺紋連接固定在一起進行高速旋轉運動，氣動渦輪傳動機構安裝于具有葉片的真空旋轉空心軸上，利用壓縮空氣實現旋轉氚靶片與真空旋轉空心軸的高速旋轉，轉速可達3500rpm,冷卻結構由擋板、冷卻介質進口、冷卻介質出口、機械密封組成，鎵銦液態金屬進入冷卻結構中對靶片進行冷卻，然后經由鎵銦液態金屬循環冷卻系統散熱后循環進入旋轉氚靶主體。
[0007]其中，使用導熱系數和原子序數較高的鎵銦液體金屬替代傳統水作為旋轉氚靶片的冷卻介質，在有效提高旋轉氚靶片的散熱的同時，由于鎵和銦的原子序數較高，進一步降低冷卻介質對靶片出射中子單色性的影響，鎵銦液態金屬在電磁泵的驅動下自冷卻介質進口流入后噴灑在旋轉氚靶片的背面，然后在重力作用下回落，自冷卻介質出口流出后進入鎵銦液態金屬循環冷卻系統，在經過水冷式冷凝機組制冷后，在電磁泵的驅動下循環進入冷卻結構中對旋轉氚靶片進行冷卻。
[0008]其中，加速器產生的高能量、高流強的氘束流通過加速器接口、真空旋轉空心軸、束流冷卻螺旋管后轟擊旋轉氚靶片，在束流冷卻螺旋管的保護下，有效防止散射的氘束流轟擊在真空旋轉空心軸上，造成溫度過高，造成氣動渦輪傳動機構的失效。
[0009]其中，鎵銦液態金屬在電磁泵的驅動下自冷卻介質進口流入后噴灑在旋轉氚靶片的背面，然后在重力作用下回落，自冷卻介質出口流出后進入鎵銦液態金屬循環冷卻系統，在經過水冷式冷凝機組制冷后，在電磁泵的驅動下循環進入冷卻結構中對旋轉氚靶片進行冷卻。機械密封實現冷卻結構與真空旋轉空心軸之間對液態金屬的動密封，防止液態金屬外泄。加速器產生的高能量、高流強的氘束流通過加速器接口、真空旋轉空心軸、束流冷卻螺旋管，后轟擊旋轉氚靶片，在束流冷卻螺旋管的保護下，可以有效防止散射的氘束流轟擊在真空旋轉空心軸上，造成溫度過高，影響氣動渦輪傳動機構等部件的正常運行。使用真空抽氣管道對真空旋轉空心軸進行實時抽氣，使真空旋轉空心軸一直保持氘束流傳輸需要的真空度。
[0010]本發明的優點在于:在相同靶片面積和轉速的條件下，利用鎵銦液態金屬較高的導熱能力可以更有效提高傳熱效果；同時可降低冷卻介質對靶片出射中子單色性的影響，提高實驗數據的準確性和測量精度。同時在高能量、高流強的氘束流通過加速器接口、真空旋轉空心軸、束流冷卻螺旋管后轟擊旋轉氚靶片，使用束流冷卻螺旋管，有效防止散射的氘束流轟擊在真空旋轉空心軸上，造成溫度過高，造成氣動渦輪傳動機構等部件的失效。
【附圖說明】
[0011]圖1是一種采用鎵銦液態金屬冷卻的旋轉氚靶裝置結構圖。
[0012]圖中標記含義為:
[0013]1、冷卻介質出口 ；2、冷卻介質入口 ；3、旋轉氚靶主體；4、冷卻結構；5、旋轉氚靶片；6、擋板；7、機械密封；8、真空旋轉空心軸；9、氣軸承進氣口 ；10、徑向軸承進氣口 ；11、推力軸承進氣口 ；12、氣動渦輪排氣腔；13、氣動渦輪排氣管；14、氣動渦輪傳動機構；15、氣動渦輪進氣腔；16、氣動渦輪進氣管；17、氣軸承進氣口 ；18、氣軸承進氣環形腔；19、徑向氣軸承排氣出口 ；20、氣軸承排氣口 ；21、真空抽氣管道；22、加速器接口 ；23、氘束流；24、束流冷卻螺旋管；25、束流冷卻螺旋管進出水口 ；26、管路；27、鎵銦液態金屬循環冷卻系統；28、水冷式冷凝機組；29、電磁泵。
【具體實施方式】
[0014]為了使本領域的技術人員較好的理解本發明，