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在BNCT及其他中子应用技术研究中,通常要求中子产额越高越好,提高氘束流能量或提高氘束流强度是提高中子产额的有效途径,束流能量和束流强度的提高会导致铍靶上束流功率增大,造成靶面温度上升,铍靶能否承受较高的束流功率,成为9Be(d, xn)反应加速器中子源需要解决的关键问题之一,而采用水冷大面积高速旋转铍靶将是解决问题的有效途径。本节将设计一个水冷大面积高速旋转铍靶方案,并在靶上氘束流强度5 mA、氘束流能量5~25 MeV条件下,通过模拟靶面温度分布,对方案可行性进行评估。
所设计的水冷大面积高速旋转靶系统结构示意图如图9所示,物理参数见表1。旋转靶采用两层结构,分别为金属铍靶以及铜托,金属铍的厚度选择对应入射氘核在铍中的最大射程。铜托的作用是增加铍靶的散热,材料选择纯铜[导热系数:398 W/(m·K)],纯铜的热阻比其他铜类合金更小,散热能力更强。旋转靶的转速设计为1 000 r/min,氘束流束斑半径为0.01 m。 9Be(d, xn)加速器中子源运行时,高功率的氘束流轰击在高速旋转的铍靶靶面上,形成一个环形带,靶面周期性的接受束流轰击,从而降低了单位面积的束流平均功率密度,同时,铜托背面采取强迫水冷措施将热量随循环冷却水带出,有效地降低靶面温度。
名称 参数 束流强度/mA 5 束斑半径/m 0.01 靶直径/cm 20 铜托厚度/mm 0.1 靶转速/(r·min−1) 1 000 靶面旋转一周所需的时间/ms 60 靶点的平均加热时间/ms 1.9 冷却水平均温度/ºC 30 铍的密度/( kg·m−3) 1 848 铍的比热容/[J·(kg·ºC)−1)] 1 820 纯铜的导热系数/[W·(m·ºC)−1] 398 -
根据水冷大面积高速旋转靶的设计参数以及结构,由热传导理论可知,传热物体的热流向量q与其内部温度场及导热系数有关。热流向量的方向为热流量最大的方向,大小等于该方向单位时间内流过单位面积的热量。温度场为时间和位置的函数,可用温度梯度来描述。对于各项同性的均匀的材料,其传热方程为
其中
$K$ 为该材料的导热系数。在物体中取一闭合曲面
$S$ ,闭合曲面$S$ 围成的体积为$V$ ,$S$ 内无内热源时,由能量守恒定律可知,单位时间内体积为$V$ 的材料内内能变化量等于单位时间流入闭合曲面$S$ 的热量与单位时间流出闭合曲面$S$ 的热量之差,即其中:方程左侧第一项为单位时间流入闭合曲面的热量;第二项为单位时间流出闭合曲面
$S$ 的热量;方程右侧为单位时间内体积为$V$ 的材料内内能变化量;$\rho $ 为材料密度;$c$ 为材料比热,$T$ 为温度。本工作基于上述热传导理论,计算了不同入射氘束流能量下垂直入射靶时的靶面温度随时间的变化,结果如图10所示。由图中可以看出,由于铍的比热容较大,加热时间内温度的升高速度较慢,在加热时间的1.9 ms内,冷却水带走的热流量小于氘束流轰击靶面产生的热流量,因此靶点温度持续升高。在冷却时间58.1 ms内,氘束流不再轰击靶点,仅有冷却水进行冷却,靶点温度基本都在12.5 ms时迅速降低至冷却水的温度。
随着入射氘束流能量(功率)的提高,靶点最高温度也随之提高。25 MeV/5 mA氘束流情况下,靶点最高温度为91.1 ºC;20 MeV/5 mA的氘束流情况下,靶点最高温度为78.8 ºC;15 MeV/5 mA的氘束流情况下,靶点最高温度为66.6 ºC;10 MeV/5 mA的氘束流情况下,靶点最高温度为54.4 ºC; 5 MeV/5 mA的氘束流情况下,靶点最高温度为42.2 ºC,均符合铍靶稳定运行的要求。综合以上结果,金属铍具有熔点高、比热高的优势,采用大面积高速旋转强迫水冷技术,可以使铍靶在125 kW束流功率下温度控制在100 ºC内,可保证金属铍靶使用的稳定性。
Research on the Accelerator Neutron Source Characteristics Based on 9Be(d, xn) Reaction with Thick Target in the Low and Medium Energy Range
doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2022017
- Received Date: 2022-02-15
- Rev Recd Date: 2022-04-14
- Available Online: 2022-11-09
- Publish Date: 2022-09-20
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Key words:
- accelerator neutron source /
- 9Be(d, xn) reaction /
- metal beryllium target /
- PHITS /
- energy spectrum /
- angular distribution
Abstract: In this paper, the energy spectrum and angular distribution data of neutron source of 9Be (d, xn) reaction accelerator with thick target are evaluated and calculated by using PHITS program. The applicability of JQMD, INCL and INCL/DWBA nuclear reaction physical models to calculate the neutron radiation field distribution of 9Be (d, xn) reaction with thick target is discussed. The results show that the energy spectrum and angular distribution data of the thick target 9Be(d, xn) reaction calculated by the PHITS program based on the INCL/DWBA nuclear reaction physical model are in good agreement with the experimental data, and can provide more accurate neutron radiation field data for the study and application of the characteristics of 9Be (d, xn) reaction neutron source with thick target. In addition, the scheme of water-cooled large-area rotating beryllium target is designed, and the simulation study of target surface temperature is carried out under the condition of 5~25 MeV/5 mA incident deuterium energy. The results show that the maximum temperature of target surface can be controlled below 100 ºC.
Citation: | Qiaoyue JIANG, Yixuan WANG, Jinqiu PENG, Shiyu ZHANG, Xiaohou BAI, Kang WU, Xu YANG, Hang ZHANG, Junrun WANG, Yu ZHANG, Zheng WEI, Zeen YAO. Research on the Accelerator Neutron Source Characteristics Based on 9Be(d, xn) Reaction with Thick Target in the Low and Medium Energy Range[J]. Nuclear Physics Review, 2022, 39(3): 396-404. doi: 10.11804/NuclPhysRev.39.2022017 |