專利名稱：一種自膨脹密封靶件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及核技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中射線輻照靶件的封裝裝置及其制造方法，具體涉及要求密封輻照對象、密封過程無高溫和輻照后分析過程中不產(chǎn)生其它氣體的封裝裝置及其制造方法。
背景技術(shù)：
129I是核廢料中超長壽命核素的成份之一，人工中子嬗變技術(shù)可以將它轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的核素從而達(dá)到去污目的。將碘-1 置于中子環(huán)境中，使之與中子發(fā)生(n，Y)反應(yīng)生成短壽命(半衰期12. 5h)的碘-130，碘-130在短時間內(nèi)衰變?yōu)榉€(wěn)定的Xe-130。從安全、 成本和等效性等多方面考慮，在前期實(shí)驗中許多國家均以天然的碘-127代替碘-1 摸索相關(guān)的條件實(shí)驗。碘-127與中子發(fā)生(η，γ)反應(yīng)生成短壽命的碘-128(半衰期25Min)， 碘衰變?yōu)閄e-128，相關(guān)的技術(shù)途徑可以直接應(yīng)用于碘-1 的嬗變技術(shù)。由于測量的對象是氣體，所以必須將靶件密封。要求密封過程中不引入碳?xì)洳牧?，不會產(chǎn)生高溫，靶殼穩(wěn)定可靠耐高溫。
靶件制備是進(jìn)行各種射線輻照實(shí)驗前的必備過程。如果靶芯在輻照過程中產(chǎn)生了氣體，并且氣體作為分析對象不允許逃逸，就必須將靶芯封裝在靶件里。目前封裝的方法有很多，可以使用尼龍或聚四氟乙烯等材料壓接或粘接封裝，也可以用玻璃材料或金屬材料焊接封裝。但是尼龍等碳?xì)洳牧系娜秉c(diǎn)是無法耐高溫，如果輻照過程中產(chǎn)生高溫，這種材料就容易被破壞。另外，如果需要對靶芯進(jìn)行氣體溫度特性的分析，碳?xì)洳牧显诟邷叵聦⒘呀獬龃罅康臍怏w，不利于分析對象。玻璃材料雖沒有普通碳?xì)洳牧系娜秉c(diǎn)，但有是其容易破碎，大口徑的焊封需要較長的材料，使得其密封尺寸不易把握，且可靠性不高；金屬材料是制作靶件的可靠材料，可通過粘接或焊接的方法達(dá)到密封目的。但是粘接中要用到碳?xì)溆袡C(jī)材料，同樣會有上述的缺點(diǎn)；焊接雖然不用碳?xì)洳牧希呛附舆^程中會產(chǎn)生高溫，這對于不能耐高溫的靶芯來說很容易被熔融或氣化，影響到輻照結(jié)果。
申請?zhí)枮?01020617304. X的“用于反應(yīng)堆輻照生產(chǎn)碘_125的氙氣靶件”專利公開了一種將氬弧焊和冷焊相結(jié)合制備氣體靶件的方法，將靶件整體采用氬弧焊后僅留一個小孔，將氣體靶芯裝入后，再將小孔采用冷焊密封。此種預(yù)留小孔的方法僅僅適用于氣體靶芯的密封，對于大多數(shù)的固體靶芯來說，由于靶芯尺度較大，而靶件制作時必須是先裝靶芯再焊封，導(dǎo)致靶件的預(yù)留孔較大，難以采用上述的針對小孔的冷焊方法實(shí)現(xiàn)密封。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用金屬能夠隨溫度的變化自動收縮或膨脹的特性，提出了一種自膨脹密封制靶件及其制造方法，本發(fā)明在制靶過程中可以避免使用碳?xì)洳牧?、避免靶芯承受高溫?并且靶殼本身可以承受輻照過程中產(chǎn)生的高溫，解決了現(xiàn)有技術(shù)制作靶件過程中遇到的材料放氣和高溫封靶的難題。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為
—種自膨脹密封靶件，包括靶芯、用于放置靶芯的金屬靶殼以及用于封堵金屬靶殼的金屬堵頭，其特征在于，所述金屬靶殼的開口端與金屬堵頭的形狀相匹配；所述金屬靶殼和金屬堵頭之間設(shè)置有防止金屬堵頭落入金屬靶殼內(nèi)的限位裝置；所述金屬堵頭的材料熱膨脹系數(shù)大于0. 00001/°C。
上述金屬堵頭的形狀為圓柱體；上述的限位裝置包括設(shè)置在金屬靶殼開口端的限位錐面。
或者，上述金屬堵頭的形狀為圓柱體；上述的限位裝置包括設(shè)置在金屬堵頭下端的圓錐臺以及設(shè)置在金屬靶殼開口端且與金屬堵頭下端錐臺形狀相匹配的限位錐面。
上述金屬堵頭的外部尺寸按照下式進(jìn)行計算
dc = dB+ λ X (T1-T2) X P X dB
其中dc為堵頭的外徑；λ為設(shè)置系數(shù)，取值范圍為0. 6 0. 9 ;dB為靶殼開口端的內(nèi)徑；P為堵頭所用金屬的熱膨脹系數(shù)J1為堵頭封裝環(huán)境的溫度；τ2為堵頭冷卻后的溫度。
上述金屬堵頭外端面上設(shè)置有手柄，所述手柄和金屬堵頭間用細(xì)長圓柱連接。
上述細(xì)長圓柱連接的高度大于3mm，直徑為dc/4。
上述金屬堵頭的材料為鋁、銅、鐵；所述金屬靶殼開口端內(nèi)表面和金屬堵頭外表面的加工粗糙度小于等于0.6。
上述自膨脹密封靶件的制造方法，包括以下步驟
[1]根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)，選取金屬堵頭的材料；
[2]根據(jù)金屬靶殼開口端的內(nèi)徑尺寸、金屬堵頭材料的熱膨脹系數(shù)、金屬堵頭的冷卻溫度與封裝溫度之差，計算金屬堵頭的外徑尺寸；
[3]加工制作靶芯、金屬堵頭和金屬靶殼；
[4]在封裝環(huán)境下將靶芯放置在金屬靶殼內(nèi)，金屬堵頭低溫冷卻；
[5]在封裝環(huán)境下將金屬堵頭安裝至金屬靶殼開口端；
[6]安裝好的靶件自然回溫到封裝環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)靶件的密封。
上述的封裝環(huán)境溫度為15°C 30°C，上述的低溫冷卻溫度低于_150°C。
本發(fā)明具有以下的有益效果
1、本發(fā)明的靶件包殼主體材料為金屬，在輻照和熱分析過程中靶殼不會產(chǎn)生雜質(zhì)氣體影響氣體實(shí)驗對象的測量；
2、本發(fā)明的靶件在密封過程中的環(huán)境溫度小于30°C，不會對靶芯造成熱損傷；
3、本發(fā)明利用金屬材料的熱膨脹原理，將金屬堵頭進(jìn)行低溫收縮后再在常溫下膨脹，實(shí)現(xiàn)靶件內(nèi)部的全金屬密封，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠等優(yōu)點(diǎn)；
4、本發(fā)明在靶殼開口端內(nèi)表面和金屬堵頭的外表面處設(shè)置有錐角，有利于金屬堵頭與槽口密封安裝時的導(dǎo)入；同時將槽壁開口的內(nèi)表面和堵頭的外表面加工為光潔面，有利于密封；設(shè)置在靶殼開口端的錐角以及金屬堵頭的錐角還可以防止金屬堵頭過于伸入到靶件內(nèi)部，起到限位作用。
5、本發(fā)明金屬堵頭上設(shè)置有手柄，手柄與金屬堵頭之間用細(xì)長圓柱連接，減少了低溫封堵過程中的熱傳導(dǎo)。


圖1是金屬堵頭的結(jié)構(gòu)示意圖2是金屬靶殼的結(jié)構(gòu)示意圖3是密封后靶件的整體示意其中1-金屬堵頭；2-金屬靶殼；3-靶芯；4-手柄，5-限位錐面，6_圓錐臺，7_金屬靶殼的開口端，8-細(xì)長圓柱。
具體實(shí)施方式
如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明自膨脹密封靶件包括靶芯3、用于放置靶芯的金屬靶殼2以及用于封堵金屬靶殼的金屬堵頭1，金屬靶殼的開口端7與金屬堵頭1的形狀相匹配；金屬靶殼和金屬堵頭之間設(shè)置有防止金屬堵頭落入金屬靶殼內(nèi)的限位裝置；金屬堵頭的材料熱膨脹系數(shù)大于0. 00001/°C。
金屬堵頭和金屬靶殼的開口端的結(jié)構(gòu)尺寸匹配且有經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。具體說， 金屬堵頭的形狀為圓柱體；相應(yīng)的限位裝置包括設(shè)置在金屬靶殼開口端的限位錐面5 ；或者，上述金屬堵頭的形狀為圓柱體；相應(yīng)的限位裝置包括設(shè)置在金屬堵頭內(nèi)端的圓錐臺6 以及設(shè)置在金屬靶殼開口端且與金屬堵頭內(nèi)端錐臺形狀相匹配的限位錐面5;或者，上述金屬堵頭的形狀為圓柱體；相應(yīng)的限位裝置為設(shè)置在金屬堵頭外端面的圓錐臺。錐角可以防止金屬堵頭1過于伸入到金屬靶殼內(nèi)部，起到限位作用。通常錐角為5 20°。
金屬靶殼開口端內(nèi)表面和金屬堵頭外表面加工為光潔面，粗糙度小于等于0. 6。這樣可以使得密封時接觸面更大，膨脹密封更牢靠。
金屬靶殼和金屬堵頭1可以選擇同一種金屬或兩種不同的金屬，這是因為金屬材料在加熱后不會產(chǎn)生很多氣體影響測量對象，另外金屬具有熱膨脹性且金屬的熔點(diǎn)范圍分布很廣，可塑性強(qiáng)，便于加工；金屬材料的選取要具體考慮以下幾個主要因素一、熱膨脹系數(shù)盡可能大，通常大于0. 00001/°C ；二、射線與該金屬作用后的產(chǎn)物不影響放射性和穩(wěn)定核素等目標(biāo)的測量；三、熔點(diǎn)要滿足要求，這是因為有些靶芯3在輻照中會產(chǎn)生放熱；此外還要求便于加工制作，性價比高等，通?？蛇x用鋁、銅、鐵等。
在將金屬堵頭1冷卻后再與常溫下的金屬靶殼2密封安裝時，為了減少安裝過程中，人手熱傳導(dǎo)的影響，在金屬堵頭1上設(shè)置有手柄4，手柄4可以為金屬材料，這時需要在手柄4與堵頭之間采用尺度較小的細(xì)長圓柱8過渡細(xì)連接，減小熱傳導(dǎo)率；細(xì)長圓柱連接的高度一般大于3mm，直徑約為de/4。
密封靶件的制造方法如下
[1]根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)，選取金屬堵頭的材料；熱膨脹系數(shù)盡可能大，通常大于 0. 00001/°C，熔點(diǎn)要高，通常大于500°C。
[2]根據(jù)金屬靶殼開口端的內(nèi)徑尺寸、金屬堵頭材料的熱膨脹系數(shù)、金屬堵頭的冷卻溫度與封裝溫度之差，計算金屬堵頭的外徑尺寸；
如圖1和2所示為例，金屬堵頭的外部尺寸d。按照下式進(jìn)行計算
dc = dB+ λ X (T1-T2) X P X dB
其中d。為堵頭的外徑；λ為設(shè)置系數(shù)，取值范圍為0. 6 0. 9 ;dB為靶殼開口端的內(nèi)徑；P為堵頭所用金屬的熱膨脹系數(shù)J1為堵頭封裝環(huán)境的溫度；T2為堵頭冷卻后的溫度。λ的選取可確保二者在封堵時輕松配合安裝。
[3]按照設(shè)計尺寸和步驟2中的計算尺寸加工制作靶芯、金屬堵頭和金屬靶殼；用酒精或丙酮清洗去除金屬靶殼和金屬堵頭的表面油污；
[4]在封裝環(huán)境下將靶芯放置在金屬靶殼內(nèi)，金屬堵頭低溫冷卻；封裝環(huán)境一般是指溫度處于15°C 30°C的實(shí)驗室環(huán)境；金屬堵頭低溫冷卻時的環(huán)境溫度為液態(tài)空氣、液氬、液氮或液氦溫度，通常低溫環(huán)境的溫度為低于_150°C。將金屬堵頭1放置在液態(tài)空氣、 液氬、液氮或液氦等低溫液體中，當(dāng)金屬堵頭1達(dá)到低溫環(huán)境的低溫T2時，其外徑尺寸將縮小，最終約等于dB。
[5]在封裝環(huán)境下將金屬堵頭取出并迅速放入處于T1溫度下的金屬靶殼開口端 7，必要時可以迅速施加一定的外力使金屬堵頭1埋入金屬靶殼開口端更深一些，增加密封可靠性。迅速放入是指金屬堵頭1必須在盡可能短的時間之內(nèi)放入靶件內(nèi)，防止回溫膨脹， 通常操作時間小于10秒；
[6]安裝好的靶件自然回溫到封裝環(huán)境溫度，使得金屬堵頭1的外圈和金屬靶殼口端7緊配合，實(shí)現(xiàn)靶件的密封和制造。
實(shí)施例
在中子輻照CuI靶件進(jìn)行碘的人工嬗變實(shí)驗中，要求分析嬗變后的氣體產(chǎn)物氙， 因此需要將靶件進(jìn)行密封。同時CuI的熔點(diǎn)為605°C，不宜焊封。采用本發(fā)明方法進(jìn)行制靶如下。
首先，選定金屬材料。常用金屬材料中，鋁的膨脹系數(shù)最大，為0. 0000236/°C，并且中子與鋁作用不會產(chǎn)生長壽命的物質(zhì)，便于及時冷卻測量，還有一個更大的優(yōu)點(diǎn)是鋁的密度小，封裝后質(zhì)量小。因此選用鋁作為金屬靶殼和金屬堵頭1的材料。為了機(jī)械加工的便利，選用具有一定機(jī)械強(qiáng)度的6061鋁更合適。
其次，尺寸計算和制作。靶芯3為圓柱形，所以金屬靶殼和金屬堵頭的設(shè)計均為圓柱形。靶芯3外直徑為10mm，為了便于靶芯3裝入，金屬靶殼開口端7內(nèi)徑(^為11. 5mm，在 20°C下安裝，金屬堵頭1冷卻到液氮溫度，即-196°C。根據(jù)前面的公式可計算出金屬堵頭1 外直徑
dc = 11. 5+0. 8 X [20- (-196) ] X 0. 0000236 X 11. 5 = 11. 546mm。
按照dB和d。尺寸制作好靶件和金屬堵頭1。為了便于安裝，手柄4與金屬堵頭1 一體化加工，手柄4與堵頭之間采用尺度較小的細(xì)長圓柱8過渡細(xì)連接，減小熱傳導(dǎo)率，防止手握安裝時熱能傳遞的太快，導(dǎo)致金屬堵頭1還沒有放進(jìn)金屬靶殼開口端7時時就已經(jīng)膨脹；金屬靶殼2中部的內(nèi)表面和金屬堵頭1的外圈處設(shè)置有錐角，錐角為10°，用于金屬堵頭1與槽壁開口 7密封安裝時的導(dǎo)入和金屬堵頭1的限位，防止金屬堵頭1落入金屬靶殼底部。
最后，將金屬靶殼開口端和金屬堵頭1洗凈風(fēng)干之后，將金屬靶殼置于20°C實(shí)驗環(huán)境，金屬堵頭1放入液氮中侵泡10分鐘以上。隨后取出金屬堵頭1，手握手柄4迅速將它放入金屬靶殼內(nèi)。讓金屬靶殼和金屬堵頭1自然回溫到20°C，金屬堵頭1膨脹后即可達(dá)到密封效果。
權(quán)利要求
1.一種自膨脹密封靶件，包括靶芯、用于放置靶芯的金屬靶殼以及用于封堵金屬靶殼的金屬堵頭，其特征在于所述金屬靶殼的開口端與金屬堵頭的形狀相匹配；所述金屬靶殼和金屬堵頭之間設(shè)置有防止金屬堵頭落入金屬靶殼內(nèi)的限位裝置；所述金屬堵頭的材料熱膨脹系數(shù)大于0. 00001/°C。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自膨脹密封靶件，其特征在于所述金屬堵頭的形狀為圓柱體；所述的限位裝置包括設(shè)置在金屬靶殼開口端的限位錐面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的自膨脹密封靶件，其特征在于所述金屬堵頭的形狀為圓柱體；所述的限位裝置包括設(shè)置在金屬堵頭下端的圓錐臺以及設(shè)置在金屬靶殼開口端且與金屬堵頭內(nèi)端錐臺形狀相匹配的限位錐面。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的自膨脹密封靶件，其特征在于所述金屬堵頭的外部尺寸dC按照下式進(jìn)行計算dc = dB+ λ X (T1-T2) X P XdB其中斗為堵頭的外徑；λ為設(shè)置系數(shù)，取值范圍為0. 6 0. 9 ;dB為靶殼開口端的內(nèi)徑；P為堵頭所用金屬的熱膨脹系數(shù)J1為堵頭封裝環(huán)境的溫度；T2為堵頭冷卻后的溫度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的自膨脹密封靶件，其特征在于所述金屬堵頭外端面上設(shè)置有手柄，所述手柄和金屬堵頭間用細(xì)長圓柱連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的自膨脹密封靶件，其特征在于所述細(xì)長圓柱連接的高度大于3mm，直徑約為dc/4。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的自膨脹密封靶件，其特征在于，所述金屬堵頭的材料為鋁、 銅、鐵；所述金屬靶殼開口端內(nèi)表面和金屬堵頭外表面的加工粗糙度小于等于0. 6。
8.權(quán)利要求1所述自膨脹密封靶件的制造方法，其特征在于包括以下步驟[1]根據(jù)材料熱膨脹系數(shù)，選取金屬堵頭的材料；[2]根據(jù)金屬靶殼開口端的內(nèi)徑尺寸、金屬堵頭材料的熱膨脹系數(shù)、金屬堵頭的冷卻溫度與封裝溫度之差，計算金屬堵頭的外徑尺寸；[3]加工制作靶芯、金屬堵頭和金屬靶殼；[4]在封裝環(huán)境下將靶芯放置在金屬靶殼內(nèi)，金屬堵頭低溫冷卻；[5]在封裝環(huán)境下將金屬堵頭安裝至金屬靶殼開口端；[6]安裝好的靶件自然回升到封裝環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)靶件的制造。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的自膨脹密封靶件的制造方法，其特征在于所述的封裝環(huán)境溫度為15°C 30°C，所述的低溫冷卻溫度低于-150°C。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自膨脹密封靶件及其制造方法，采用金屬堵頭和金屬靶殼制成靶件，將金屬堵頭低溫收縮后，再在常溫環(huán)境下熱膨脹，實(shí)現(xiàn)靶件的自膨脹密封；該方法在制靶過程中可以避免使用碳?xì)洳牧险辰觿?、避免靶芯承受高溫，并且靶件本身可以承受輻照過程中產(chǎn)生的高溫，適用于固態(tài)、液態(tài)靶芯密封靶件的制作。
文檔編號H05H6/00GK102523676SQ20111045210
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月29日
發(fā)明者屠荊, 張文首, 李雪松, 歐陽曉平, 潘孝兵 申請人:西北核技術(shù)研究所