CN111642053A - 一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构 - Google Patents

Abstract

本发明属于中子发生器技术领域，具体涉及一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，用于为中子发生器的靶电极(10)提供制冷，包括内部设有能够通过冷却液的循环流道的冷却液导流管，冷却液导流管的尾端连接靶电极(10)，并向靶电极(10)提供循环的冷却液进行制冷。该紧凑型导流结构具有绝缘性能好、利于焊接、机械强度高、容易加工等特点，有益于所要安装的小型中子发生器的系统尺寸的缩小。

Description

一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构

技术领域

本发明属于中子发生器技术领域，具体涉及一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构。

背景技术

对于离子源接地，靶端加载负高压，利用离子源和靶之间的间隙进行加速的小型中子发生器，需要对处于高压端的靶片进行冷却，由于小型中子发生器对尺寸的严格要求，希望冷却结构尽量简单、尺寸尽量小。

靶片安装在靶电极上，靶电极上通常加载的电压达到-130kV，靶上束流功率大于300W。对靶片冷却通常的做法是从真空室外的地电位上引入绝缘冷却液经过导流管将冷却液送到靶片背面对其进行循环冷却，要求冷却液电阻值足够大、冷却液导管的击穿电压大于150kV，还需要冷却液导管的爬电距离足够长，冷却液导管与靶电极和真空腔连接结构密封性要好，还要在不影响靶电极高压馈入的前提下，冷却液导管的结构越简单越好，尺寸越小越好。

发明内容

针对小型中子发生器的靶电极的制冷需要，本分明的目的是提供一种对处于高压端的靶电极(内部设有靶片)进行绝缘冷却的紧凑型导流结构，实现对靶电极的绝缘、冷却和靶结构支撑。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，用于为中子发生器的靶电极提供制冷，其中，包括内部设有能够通过冷却液的循环流道的冷却液导流管，所述冷却液导流管的尾端连接所述靶电极，并向所述靶电极提供循环的所述冷却液进行制冷。

进一步，所述冷却液导流管包括外管和设置在所述外管内的内管，所述内管的顶端位于所述外管内部，所述外管的内壁和所述内管的外壁之间的空间以及所述内管的内部空间共同构成所述循环流道；所述内管的顶端的外壁与所述外管的内壁密封连接，所述内管和所述外管的尾端设置在所述靶电极上，所述外管与所述靶电极密封连接，并用于对所述靶电极进行支撑；所述外管和所述内管的材质为石英玻璃。

进一步，所述靶电极的一端设有冷却液通道，内部为设有靶片的密封的靶基内腔，所述外管的尾端设置在所述冷却液通道内，所述外管尾端的开口的外壁与所述冷却液通道之间密封连接；所述内管尾端的开口延伸至所述靶基内腔内。

进一步，所述靶电极内还设有高压连接杆，所述高压连接杆的尾端连接所述靶基内腔的侧壁，所述高压连接杆的主体贯穿在所述内管内部，所述高压连接杆的顶端延伸至所述外管的顶端之外，所述高压连接杆的顶端用于连接高压电。

进一步，

还包括设置在所述外管的顶端的外壁上的绝缘外螺纹环，所述绝缘外螺纹环的外壁设有外螺纹；

还包括设置在所述外管的顶端上的绝缘螺纹塞，所述高压连接杆的顶端穿过所述绝缘螺纹塞延伸至所述外管的顶端之外，所述绝缘螺纹塞用于封堵述外管的顶端，所述绝缘螺纹塞与所述高压连接杆之间为密封连接；

还包括绝缘压盖，所述绝缘压盖用于配合所述绝缘外螺纹环的外螺纹将所述绝缘螺纹塞压紧在所述外管的顶端上；

还包括设置在所述绝缘压盖与所述绝缘外螺纹环之间的密封圈，用于实现所述绝缘压盖与所述绝缘外螺纹环之间的密封。

进一步，所述绝缘螺纹塞和所述绝缘压盖的材质为聚四氟乙烯，所述绝缘外螺纹环的材质为有机玻璃。

进一步，还包括冷却液输入管，所述冷却液输入管的一端穿过所述外管的侧壁与所述内管连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的出口，所述冷却液输入管与所述外管的侧壁之间为密封连接；还包括冷却液输出管，所述冷却液输出管的一端与所述外管连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的入口。

进一步，所述冷却液输入管和所述冷却液输出管设置在靠近所述内管的顶端的位置上，所述冷却液输入管和所述冷却液输出管垂直于所述外管，且相对的位于所述外管的两侧。

进一步，所述冷却液输入管和所述冷却液输出管的材质为石英玻璃；所述冷却液为氟化液。

本发明的有益效果在于：

1.冷却液导流管采用石英玻璃制作，因为石英玻璃在绝缘等级上与陶瓷和聚四氟乙烯相当，机械强度和真空性能与陶瓷相当，优于聚四氟乙烯，电击穿电压到达35kV/mm，利于焊接，机械强度高，容易加工成冷却液导流管所需的小尺寸的循环流道的结构。再加上石英玻璃与金属很容易粘接形成牢固的整体，使其容易跟靶电极密封连接。

2.氟化液具有良好绝缘性能、流动性能和导热性能，三个性能均优于变压器油，流动性能与水相当，导热性能仅次于水。无毒无味，不挥发，不侵蚀。是绝佳的绝缘冷却液，可减小、简化系统结构和体积。

3.由氟化液和冷却液导流管(双层石英玻璃管)组成的绝缘体的绝缘层厚度达到8毫米，体击穿电压大于200kV。

4.由于靶电极10需要设置在真空腔室中，而冷却液导流管与靶电极10相连的尾端处于真空中的部分横截面最大尺寸只有20mm，相比于陶瓷等其它结构材料组成的冷却结构，在横截面尺寸上小2倍以上。使得靶电极10的结构的设计简化，尺寸缩小，同时带来真空腔室的直径缩小。有益于所要安装的小型中子发生器的系统尺寸的缩小。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构的示意图；

图2是本发明具体实施方式中冷却液导流管的顶端位置(设置冷却液输入管7和冷却液输出管4的位置)的局部放大示意图；

图3是本发明具体实施方式中冷却液导流管的尾端位置(冷却液导流管和冷却液通道11连接位置)的局部放大示意图；

图中：1-高压连接杆，2-绝缘螺纹塞，3-绝缘压盖，4-冷却液输出管，5-密封圈，6-绝缘外螺纹环，7-冷却液输入管，8-外管，9-内管，10-靶电极，11-冷却液通道，12-靶片，13-靶基内腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，用于为中子发生器的靶电极10提供制冷，包括内部设有能够通过冷却液的循环流道的冷却液导流管，冷却液导流管的尾端连接靶电极10，并向靶电极10提供循环的冷却液进行制冷。冷却液导流管包括绝缘螺纹塞2、绝缘压盖3、冷却液输出管4、密封圈5、绝缘外螺纹环6、冷却液输入管7、外管8、内管9等部件。

内管9设置在外管8内，内管9的顶端(即远离靶电极10的一端)位于外管8内部(靠近外管8的顶端)，外管8的内壁和内管9的外壁之间的空间以及内管9的内部空间共同构成循环流道；内管9的顶端的外壁与外管8的(顶端附近的)内壁密封连接(即密封循环流道的一端)，内管9和外管8的尾端设置在靶电极10上，外管8与靶电极10密封连接，并用于对靶电极10进行支撑；外管8和内管9的材质为石英玻璃。

外管8的外直径为20mm，内直径为14mm，管壁厚度为3mm，长度大于等于500mm，两端开口磨平；内管9的外直径为10mm，内直径为6mm，管壁厚度为2mm，长度大于等于490mm，两端开口磨平。

如图3所示，靶电极10的一端设有冷却液通道11，内部为设有靶片12的密封的靶基内腔13(靶片12与靶基内腔13之间密封连接)，外管8的尾端设置在冷却液通道11内，外管8尾端的开口的外壁与冷却液通道11之间通过粘接的方式密封连接；内管9尾端的开口延伸至靶基内腔13内，内管9尾端的开口与外管8尾端的开口之间相距20mm左右。

靶电极10内设有高压连接杆1，高压连接杆1的尾端连接靶基内腔13的侧壁，高压连接杆1的主体贯穿在内管9内部，高压连接杆1的顶端延伸至外管8的顶端之外(也就是延伸到冷却液导流管的顶端之外)，高压连接杆1的顶端用于连接高压电(即连接加速高压输入线)。

绝缘螺纹塞2、绝缘压盖3、绝缘外螺纹环6设置在外管8的顶端，用于外管8的顶端的密封和高压连接杆1的固定；

绝缘外螺纹环6设置在外管8的顶端的外壁上，绝缘外螺纹环6的外壁设有外螺纹；

绝缘螺纹塞2设置在外管8的顶端上，高压连接杆1的顶端穿过绝缘螺纹塞2延伸至外管8的顶端之外，绝缘螺纹塞2用于封堵述外管8的顶端，绝缘螺纹塞2与高压连接杆1之间为密封连接；

绝缘压盖3用于配合绝缘外螺纹环6的外螺纹将绝缘螺纹塞2压紧在外管8的顶端上；

密封圈5设置在绝缘压盖3与绝缘外螺纹环6之间，用于实现绝缘压盖3与绝缘外螺纹环6之间的密封。

绝缘螺纹塞2和绝缘压盖3的材质为聚四氟乙烯，绝缘外螺纹环6的材质为有机玻璃，绝缘外螺纹环6通过粘接设置在外管8上。

如图2所示，冷却液输入管7的一端穿过外管8的侧壁与内管9连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的出口，冷却液输入管7与外管8的侧壁之间为密封连接；冷却液输出管4，冷却液输出管4的一端与外管8连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的入口。冷却液首先经冷却液输入管7进入内管9导流到靶基内腔13内对靶片12进行冷却，再由内管9和外管8之间的循环流道流向冷却液输出管4回流到循环冷却机内，形成冷却液导流回路。

冷却液输入管7和冷却液输出管4设置在靠近内管9的顶端的位置上，冷却液输入管7和冷却液输出管4垂直于外管8，且相对的位于外管8的两侧。

冷却液输入管7和冷却液输出管4的材质为石英玻璃，外直径为10mm，内直径为6mm，管壁厚度为2mm，长度大于等于100mm；冷却液为流动性和绝缘性能很高的氟化液。

冷却液在本发明所提供的一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构内的循环过程：冷却液从循环冷却机的出口导入冷却液输入管7后流入内管9，然后喷向靶片12的背面，冷却液填满靶基内腔13后回流到内管9与外管8之间的循环流道，通过冷却液输出管4回流到循环冷却机内，从而形成冷却液回路。高压连接杆1穿过内管9连接靶电极10的靶基座，将-100kV左右的高压馈入到靶电极10上，构成冷却液导流管的石英玻璃管的总厚度为5mm(外管8和内管9的壁厚的和)，冷却液层厚3mm，冷却液和石英玻璃管的击穿电压均可达到30kV/mm，使得整个紧凑型导流结构的体击穿电压可达到200kV以上。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，用于为中子发生器的靶电极(10)提供制冷，其特征是：包括内部设有能够通过冷却液的循环流道的冷却液导流管，所述冷却液导流管的尾端连接所述靶电极(10)，并向所述靶电极(10)提供循环的所述冷却液进行制冷。

2.如权利要求1所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：所述冷却液导流管包括外管(8)和设置在所述外管(8)内的内管(9)，所述内管(9)的顶端位于所述外管(8)内部，所述外管(8)的内壁和所述内管(9)的外壁之间的空间以及所述内管(9)的内部空间共同构成所述循环流道；所述内管(9)的顶端的外壁与所述外管(8)的内壁密封连接，所述内管(9)和所述外管(8)的尾端设置在所述靶电极(10)上，所述外管(8)与所述靶电极(10)密封连接，并用于对所述靶电极(10)进行支撑；所述外管(8)和所述内管(9)的材质为石英玻璃。

3.如权利要求2所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：所述靶电极(10)的一端设有冷却液通道(11)，内部为设有靶片(12)的密封的靶基内腔(13)，所述外管(8)的尾端设置在所述冷却液通道(11)内，所述外管(8)尾端的开口的外壁与所述冷却液通道(11)之间密封连接；所述内管(9)尾端的开口延伸至所述靶基内腔(13)内。

4.如权利要求3所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：所述靶电极(10)内还设有高压连接杆(1)，所述高压连接杆(1)的尾端连接所述靶基内腔(13)的侧壁，所述高压连接杆(1)的主体贯穿在所述内管(9)内部，所述高压连接杆(1)的顶端延伸至所述外管(8)的顶端之外，所述高压连接杆(1)的顶端用于连接高压电。

5.如权利要求4所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：

还包括设置在所述外管(8)的顶端的外壁上的绝缘外螺纹环(6)，所述绝缘外螺纹环(6)的外壁设有外螺纹；

还包括设置在所述外管(8)的顶端上的绝缘螺纹塞(2)，所述高压连接杆(1)的顶端穿过所述绝缘螺纹塞(2)延伸至所述外管(8)的顶端之外，所述绝缘螺纹塞(2)用于封堵述外管(8)的顶端，所述绝缘螺纹塞(2)与所述高压连接杆(1)之间为密封连接；

还包括绝缘压盖(3)，所述绝缘压盖(3)用于配合所述绝缘外螺纹环(6)的外螺纹将所述绝缘螺纹塞(2)压紧在所述外管(8)的顶端上；

还包括设置在所述绝缘压盖(3)与所述绝缘外螺纹环(6)之间的密封圈(5)，用于实现所述绝缘压盖(3)与所述绝缘外螺纹环(6)之间的密封。

6.如权利要求5所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：所述绝缘螺纹塞(2)和所述绝缘压盖(3)的材质为聚四氟乙烯，所述绝缘外螺纹环(6)的材质为有机玻璃。

7.如权利要求2所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：还包括冷却液输入管(7)，所述冷却液输入管(7)的一端穿过所述外管(8)的侧壁与所述内管(9)连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的出口，所述冷却液输入管(7)与所述外管(8)的侧壁之间为密封连接；还包括冷却液输出管(4)，所述冷却液输出管(4)的一端与所述外管(8)连通，另一端用于连接外部的循环冷却机的入口。

8.如权利要求7所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：所述冷却液输入管(7)和所述冷却液输出管(4)设置在靠近所述内管(9)的顶端的位置上，所述冷却液输入管(7)和所述冷却液输出管(4)垂直于所述外管(8)，且相对的位于所述外管(8)的两侧。

9.如权利要求8所述的用于中子发生器高压单元的紧凑型导流结构，其特征是：所述冷却液输入管(7)和所述冷却液输出管(4)的材质为石英玻璃；所述冷却液为氟化液。

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