相關(guān)申請的交叉引用本申請要求于2014年11月17日提交的美國臨時申請?zhí)?2/080,589的權(quán)益，其全部內(nèi)容通過引證結(jié)合于此。確認政府支持根據(jù)授予美國能源部的合同號de-ac52-06na25396，通過政府支持構(gòu)成本發(fā)明。政府對發(fā)明有某些權(quán)利。聯(lián)合研究協(xié)議的締約方根據(jù)crada號la11c10660，此處描述的研究工作是根據(jù)在losalamosnationalsecurity有限責任公司和northstarmedicalradioisotopes有限責任公司之間的合作研究和開發(fā)協(xié)議進行的。本申請總體上涉及用于制備諸如mo-99等放射性同位素的系統(tǒng)、設備和方法。
背景技術(shù)：
：锝-99m(“tc-99m”)是核醫(yī)學中最常用的放射性同位素。tc-99m用于在美國執(zhí)行的所有成像程序的大約三分之二。每年進行數(shù)千萬次使用tc-99m的診斷程序。tc-99m是由鉬-99(“mo-99”)的放射性衰變產(chǎn)生的子同位素。mo-99衰變至tc-99m，半衰期為66小時。用于美國核醫(yī)學的絕大多數(shù)mo-99是在老化的外來反應堆中產(chǎn)生的。這些反應堆中的很多反應堆仍然使用實心高濃鈾(“heu”)靶材來生產(chǎn)mo-99。heu的濃度為大于20％的鈾-235(“u-235”)。這些反應堆的維修和修理停堆中斷了向美國和世界其他大部分地區(qū)供應mo-99。母體放射性同位素mo-99的半衰期相對較短，禁止積存儲備。加拿大國家研究反應堆作為主要生產(chǎn)者之一，將于2016年停止正常生產(chǎn)。技術(shù)實現(xiàn)要素：不涉及使用heu的生產(chǎn)mo-99的技術(shù)可能涉及例如將鉬-100的靶材(或多個靶材)暴露于電子束。與射束的相互作用導致一些鉬-100靶材材料轉(zhuǎn)化成鉬-99。鉬-100靶材材料可以例如以盤保持器內(nèi)的靶盤的形式存在，盤垂直于射束方向定向。射束可以先穿過窗，然后穿過最近的靶盤，然后穿過下一個最近的盤，依此類推。射束與窗和靶材的相互作用可以加熱窗和靶材物體，因此當射束照射靶材時，可以使用冷卻劑(例如，氦氣)來從窗和/或靶材去除熱量。典型的窗是平坦的，但是平坦窗可能是有問題的，因為來自冷卻劑氣體在窗上的高熱沉積速率和壓力可以有助于高應力，并且能量束可以非均勻地加熱窗，主要在射束穿過窗的中心處。因此，窗的中心可以相對不移動的周邊熱膨脹。在這些條件下，膨脹中心可以從原始平坦窗的平面中彎曲，因為來自射束的加熱與加壓冷卻劑的組合在窗上產(chǎn)生應力，導致窗變形，并且這可以導致窗失效。因此，本文公開了在電子束照射期間最小化窗上的應力，同時從靶盤保持器內(nèi)部冷卻窗和靶材的技術(shù)。在一些公開的技術(shù)中，一種用于生產(chǎn)放射性同位素的設備可以包括殼體、殼體內(nèi)的盤保持器、以及在盤保持器內(nèi)彼此基本平行地定向的多個靶盤。該設備還可以包括第一彎曲窗和第二彎曲窗。這些窗可以位于盤保持器的相對側(cè)上，其彎曲表面朝向盤保持器內(nèi)的盤向內(nèi)定向。在其他實施例中，在靶材的一側(cè)上僅設置一個窗，或者提供超過兩個窗，例如，在靶材的三個或更多個側(cè)邊上。在盤保持器的相對側(cè)上具有兩個彎曲窗的實施例的操作期間，第一電子束可以穿過第一窗，然后穿過靶盤，從而產(chǎn)生同位素。第二電子束也可以穿過第二個窗，然后穿過靶盤，從而產(chǎn)生額外的同位素。射束照射導致加熱窗和靶盤。盤保持器中的一個或多個入口允許來自殼體的冷卻劑進入盤保持器并冷卻盤和/或彎曲窗。盤保持器中的出口允許冷卻劑離開盤保持器。與非彎曲窗相比，彎曲的窗形狀減少了由射束引起的加熱和冷卻劑壓力造成的在窗上的應力。在一些實施例中，用于生產(chǎn)mo-99的設備包括殼體、殼體內(nèi)的盤保持器、以及鉬-100的多個靶盤。靶盤在盤保持器內(nèi)部基本上彼此平行地定向。該設備還包括第一彎曲窗和第二彎曲窗。第一彎曲窗和第二彎曲窗位于盤保持器的相對側(cè)上，其相應的彎曲表面朝向盤保持器內(nèi)的盤向內(nèi)定向。在操作期間，第一電子束穿過第一窗，然后穿過由鉬-100制成的靶盤，從而產(chǎn)生放射性同位素鉬-99。第二電子束也可以穿過第二窗，然后穿過鉬-100的靶盤，從而產(chǎn)生鉬-99的額外的放射性同位素。該設備還包括與靶盤和/或兩個彎曲窗的內(nèi)表面接觸的冷卻劑。在操作期間，當電子束穿過彎曲的窗并照射鉬-100的靶盤時，冷卻劑通過殼體流到盤保持器，在此處冷卻盤和窗。與平坦窗相比，彎曲的窗形狀減少了由射束引起的加熱和冷卻劑壓力造成的在窗上的應力。通過參考附圖進行的以下詳細描述，所公開的技術(shù)的前述以及其他目的、特征和優(yōu)點將變得更加明顯。附圖說明圖1a是用于制備放射性同位素的示例性設備的分解等距視圖，其包括殼體、靶盤保持器，靶盤和朝向靶盤彎曲(即，凸起到殼體中)的兩個彎曲窗；圖1b是圖1a的設備的組裝圖；圖1c是用于制備放射性同位素的示例性系統(tǒng)的示意圖；圖2a是示出示例性尺寸的示例性彎曲窗的剖視圖。尺寸以英寸(1.339英寸、1.230英寸、和0.01英寸等等)以及毫米(34、32、0.25)為單位，出現(xiàn)在圖2a的括號中。所示出的曲率半徑的值為1.50英寸[38毫米]。窗直徑、隨著半徑變化的厚度、以及總體尺寸將隨著電子束穿過窗時在使用期間產(chǎn)生的相對機械和熱應力而變化，同時冷卻劑流過設備，以從設備的內(nèi)部冷卻照射的盤和窗；圖2b示出了用于圖1b的設備的示例性彎曲窗和靶材保持器的細節(jié)；圖2c是圖1b的設備的示例性靶材保持器和靶材的等距視圖；圖2d是沿著垂直于通過設備的冷卻劑流動方向的平面截取的圖1b的設備的剖視圖；圖3是示例性靶材通道幾何形狀的根據(jù)以m/s為單位的流速和以g/s為單位的流量的以w/m2-k為單位的氦的傳熱系數(shù)的圖；圖4示出了在示例性設備中用于加熱前窗和靶盤1至8的根據(jù)半徑(cm)的內(nèi)部發(fā)熱量(w/cc)的圖。最低曲線提供為窗繪制的數(shù)據(jù)，下一個最低曲線提供為盤1(最接近窗的盤)繪制的數(shù)據(jù)，下一個最低曲線提供為盤2繪制的數(shù)據(jù)，以此類推，直到提供為盤8繪制的數(shù)據(jù)的最高曲線；圖5示出了用于計算流體動力學計算的共軛傳熱網(wǎng)；圖6示出了氦氣冷卻劑的壓力等值線；圖7示出了xz平面中的速度等值線圖；如圖所示，射束方向在窗中點位于圖的平面中，并且冷卻劑速度在到達靶材邊緣之前是最慢的，并且對于在窗和第一靶材之間流動的冷卻劑最快，冷卻劑流速隨著冷卻劑接近窗和第一靶材之間的最小距離的平面而增加，在該平面處，流動達到最大速度，隨后，冷卻劑速度降低；圖8示出了冷卻通道平均速度的繪圖；速度對于第一冷卻通道是最高的，并且對于接下來的24個冷卻通道是大致相同的；圖9示出了從293.15k到900k的氣體溫度的繪圖；圖10示出了通過合金718窗的中心厚度的溫度曲線，在插入部分中顯示前窗的溫度等值線圖；圖11示出了前窗和50個鉬靶盤中的前25個的峰值溫度的繪圖；圖12示出了來自xz平面視圖的靶材組件(即，殼體和靶盤)的溫度等值線圖，其射束能量為42mev，電流為5.71毫安；圖13示出了負荷描述和有限元分析的情況；圖14示出了應力類別和等效應力極限；圖15是試驗溫度對退火718合金的uts的影響的圖；圖16是根據(jù)溫度的沉淀硬化inconel合金718的uts的圖；圖17示出了僅具有所施加的機械負荷(300psi壓力)的合金718窗的vonmises應力圖(即，應力等值線圖)；圖18a至18c示出了在兩個不同位置處的線性應力(膜、彎曲和膜加彎曲)；圖19示出了窗的變形的繪圖；圖20示出了通過機械負荷將cfd模型結(jié)果耦合到fe模型而獲得的窗結(jié)果的熱應力結(jié)果；圖21示出了在窗上的熱和機械負荷，產(chǎn)生了0.180mm的峰值變形；變形不位于窗的頂部，因此不期望影響冷卻劑間隙寬度和冷卻劑流動特性；圖22是示出試驗溫度對退火的inconel合金718的屈服強度的影響的圖；圖23示出了根據(jù)溫度的沉淀硬化inconel合金718的屈服強度；圖24a是具有帶交叉通道的大致圓柱形形狀的示例性靶材的等距視圖；圖24b是垂直于靶材中間的圓柱形的縱軸截取的圖24a的靶材的剖視圖；圖24c是沿著縱軸截取的圖24a的靶材的剖視圖；圖24d是圖24c的一部分的放大圖；以及圖25是包括多個小球形元件的示例性靶材的等距視圖。具體實施方式本文公開了用于生產(chǎn)放射性同位素的系統(tǒng)、設備和方法。所公開的系統(tǒng)可以包括設備，該設備可操作，以保持照射一個或多個靶材，同時還可操作，以引導冷卻劑通過靶材和可以由照射加熱的設備的其他部分。本文公開的示例性設備可以包括細長殼體、靶材保持器、一個或多個彎曲窗以及一個或多個靶材。靶材由殼體內(nèi)的靶材保持器保持在期望的定向，使得所施加的輻射穿過彎曲的窗并進入或穿過靶材，以在靶材中產(chǎn)生所需的放射性同位素。靶材可以包括以特定方式設置以與施加的輻射相互作用的任何數(shù)量的單獨靶材單元，例如，盤或球體。殼體還被配置成引導冷卻劑通過靶材保持器，在靶材上方，和/或至少穿過彎曲窗的內(nèi)表面，以抽出由照射產(chǎn)生的熱量。窗可以具有以期望的方式成形入射輻射束的曲率，以有效地在靶材中產(chǎn)生放射性同位素。一些示例性設備包括殼體、殼體內(nèi)的盤保持器、以及在盤保持器內(nèi)彼此基本平行地定向的多個靶盤。該設備還可以包括第一彎曲窗和第二彎曲窗，這些窗位于盤保持器的相對側(cè)上，其相應的彎曲表面朝向盤保持器內(nèi)的盤向內(nèi)定向。在操作期間，第一電子束穿過第一窗，然后穿過靶盤，從而產(chǎn)生同位素。第二電子束也可以穿過第二個窗，然后穿過靶盤，從而產(chǎn)生額外的同位素。射束照射導致加熱窗和靶盤。盤保持器中的入口允許來自殼體的冷卻劑進入盤保持器并冷卻盤和彎曲窗。盤保持器中的出口允許冷卻劑離開盤保持器。彎曲的窗形狀可以幫助成形射束，并且可以幫助最小化由射束引起的加熱和冷卻劑壓力造成的在窗上的應力。在特定實施例中，提供了用于生產(chǎn)mo-99的設備。該設備包括殼體、殼體內(nèi)的盤保持器、以及保持在盤保持器中的鉬-100的多個靶盤。靶盤在盤保持器內(nèi)部保持定向成基本上彼此平行，在盤之間具有狹窄的空間。該設備還包括第一彎曲窗和第二彎曲窗，第一彎曲窗和第二彎曲窗位于盤保持器的相對側(cè)上，其相應的彎曲表面朝向盤保持器內(nèi)的盤向內(nèi)定向。在操作期間，第一電子束穿過第一窗，然后穿過由鉬-100制成的靶盤，從而產(chǎn)生放射性同位素鉬-99。第二電子束也可以穿過第二窗，然后穿過鉬-100的靶盤，從而產(chǎn)生鉬-99的額外的放射性同位素。來自電子束源的第一電子束穿過第一彎曲窗。同時或稍后，第二電子束穿過第二彎曲窗。當電子束穿過窗并且然后穿過鉬-100的靶盤時，冷卻劑的流動通過殼體到達盤保持器，在所述盤保持器處，冷卻劑冷卻盤和窗。在任何公開的實施例中，曲率半徑可以被提供給內(nèi)凸到通過的冷卻劑氣體流內(nèi)的窗。這種窗形狀增強了在凸起的內(nèi)部窗表面上的冷卻劑流動，這改善了熱傳遞并降低了窗溫度。彎曲的窗形狀還可以導致機械應力和壓力引起的熱應力的降低。圖1a和1b示出了示例性設備10，其包括殼體12、靶材保持器14、靶盤16(例如，50個mo-99盤)的大體圓柱形堆疊部、以及兩個相對的彎曲窗18。彎曲窗18向內(nèi)凸出(即，具有朝向靶材保持器14內(nèi)的靶盤16向內(nèi)定向的凸曲面以及遠離靶材的凹彎曲外表面)。如圖1b所示，殼體12可以是大致管狀的并且在垂直于輻射束軸的方向上可以是細長的。殼體12可以具有矩形橫截面或其他橫截面形狀。殼體12可以包括尺寸適于以相應形狀容納窗18的圓形開口20。如圖2c所示，靶材保持器14可以包括一個大致長方體框架。保持器14可以包括穿過保持器的開口28，這些開口與殼體中的兩個窗18和兩個開口20對準。靶盤16的堆疊部被放置在開口28中的保持器14內(nèi)部，盤與保持器28中的開口和窗18對準。靶材保持器14可以包括彼此稍微間隔開的多個散熱片22，其中，每個散熱片22包括其中一個開口28并且保持其中一個靶材。保持器14包括在散熱片22之間延伸的冷卻劑流動通道。散熱片22可以包括圓形或外圓角流入端24和尖的擴散流出端26，以減少流入端24和流出端26之間的靶材上的冷卻劑壓降。多個散熱片22可以經(jīng)由上和下連接板30保持在一起，如圖2c所示。在窗18的內(nèi)表面和第一和最后一個靶盤之間還設有空間，以允許冷卻劑流過窗的內(nèi)表面以及盤。圖2b提供了靶材保持器14和窗18的示例性尺寸。與非彎曲的窗形狀或其他彎曲的窗形狀相比，窗18的彎曲形狀可以減少由射束引起的加熱和冷卻劑壓力導致的在窗上的應力。圖2a示出了具有示例性尺寸的示例性窗18的剖視圖。尺寸以英寸(僅舉幾例，1.339英寸、1.230英寸以及0.01英寸)以及毫米(34、32、0.25)為單位，出現(xiàn)在圖2a的括號中。所示出的曲率半徑的值為1.50英寸[38毫米]。窗直徑、隨著半徑變化的厚度、以及總體尺寸將隨著電子束穿過窗時在使用期間產(chǎn)生的相對機械和熱應力而變化，同時冷卻劑流過設備，以從設備的內(nèi)部冷卻照射的盤和窗。設備10是用于在利用冷卻劑流連續(xù)地去除由施加的輻射產(chǎn)生的熱量的同時制備放射性同位素的各種設備的實例。圖1c是示出可以與設備10或其他相似設備一起使用的示例性冷卻劑系統(tǒng)的示意圖。冷卻劑系統(tǒng)可以利用諸如氦等各種冷卻劑材料來從靶材、窗和/或其他設備部件去除熱量。冷卻劑系統(tǒng)可以以期望的壓力和流速將冷卻劑施加到設備10，并且可以將從設備提取的熱量交換到散熱器(例如，水體)或某個其他目的地。在一些實施例中，冷卻系統(tǒng)可以包括具有約217gm/s的入口質(zhì)量流速和約2.068mpa的入口壓力的基于閉環(huán)氦的冷卻系統(tǒng)。例如，入口質(zhì)量流速和入口壓力可以應用在靶材保持器的流入端24處。如圖1b所示，殼體12可以包括具有端部開口13的細長管狀體。端部開口13可以耦合到冷卻劑系統(tǒng)，以引導冷卻劑通過其中一個開口13、通過靶材保持器14、并且通過另一個開口13流出。在替代實施例中，靶材可以具有各種不同的配置。例如，圖24a至24d示出了具有大致圓柱形的整體形狀的示例性單件靶材40，其具有多個交叉通道，以允許冷卻劑流過靶材。靶材40可以設置有面向彎曲窗的軸向端部42以及位于冷卻劑流動的上方和下方的實心上部和下部44。流動通道可以在靶材40的不同部分中包括各種尺寸和形狀。例如，靶材40可以包括更接近軸向端部42的更寬的狹槽型流動通道46、更接近軸向中心的更窄的狹槽型流動通道48和/或在軸向中心部分的針孔型流動通道50。通道46和48可以在上部和下部實心部分44之間豎直延伸，而針孔型通道50可以具有更短的高度并且在同一豎直平面中堆疊幾個。流動通道的不同尺寸和形狀可以引起靶材上的加熱速率的變化，在具有輻射的更大加熱的區(qū)域中具有更大的冷卻劑流動和/或表面面積。示例性靶材40被配置成從兩個軸向端部照射，因此軸向?qū)ΨQ，盡管其他實施例可以是不對稱的，例如，當僅從一個軸向端部照射時。圖25示出了具有大致圓柱形整體形狀并且包括多個小球形靶材元件62的另一示例性靶材60。靶材60可以被定向成具有來自一個或兩個軸向端部的輻射。球形元件62之間的空間可以允許冷卻劑流過整個靶材。靶材60可以包括將元件62保持為期望的包裝形式的球形外殼或保持器。外殼或保持器可以包括網(wǎng)狀物、篩網(wǎng)或其他至少部分穿孔的材料，以允許冷卻劑流過其進入靶材。冷卻劑流動可以垂直于圓柱形整體形狀的軸。在其他相似的實施例中，靶材可以包括由包裝的小球形元件組成的矩形(例如，正方形)橫截面的整體形狀。矩形形狀可以提供穿過靶材的更均勻的冷卻劑流量分布。可以以不同的方式包裝球形元件，以調(diào)整其總體密度并調(diào)節(jié)球體之間的開放空間的相對體積和配置。在另外的其他實施例中，靶材可以包括海綿狀或多孔材料，其是整體的，作為單件，但包括用于加壓冷卻劑通過靶材的通道。在另外的實施例中，超過兩個彎曲窗可以包括在殼體中，以允許從超過兩個不同的方向照射靶材。例如，矩形橫截面殼體可以包括四個窗，在四個側(cè)邊的每個側(cè)邊上具有一個，冷卻劑垂直于所有四個彎曲窗的中心軸線流動。在這種實施例中，靶材可以包括長方體形狀，例如，具有面向四個窗的四個平坦表面和面向冷卻劑入流和冷卻劑出流的另外兩個表面。長方體靶材可以包括與冷卻劑流動方向?qū)实耐ǖ阑蚱渌ǖ?開口，以便于冷卻劑的有效性。在其他實施例中，靶材可以包含球形或卵形靶材?？梢允褂萌魏涡螤畹陌胁?。因此，靶材保持器具有任何對應的形狀，以相對于窗保持靶材，并且便于冷卻劑流過和/或通過殼體內(nèi)的靶材。示例性凸射束進入窗的設計方法用于任何類型的帶電粒子束的射束入口窗可以通過由顆粒/窗材料相互作用引起的能量耗散經(jīng)受體積加熱。除了由低射束相互作用材料(通常是具有低分子量的材料)制成的非常薄的窗外，典型的實施例窗需要主動冷卻，并且冷卻劑在某種程度上必然被加壓，以產(chǎn)生流動。然后，窗受到兩種機制的應力：1)來自壓力負荷的機械應力以及2)材料中溫度梯度的熱應力。這些應力必須保持在某種限度以下，以防止窗故障。雖然在某些情況下可能采用不太保守的限制，但容許應力標準的普遍接受的和經(jīng)常要求的標準是asme鍋爐和壓力容器規(guī)范”(以下簡稱“code”)。本實施例的彎曲窗可以適應這個標準不能適應平坦窗的情況。本實施例的彎曲窗可以具有復雜的曲率和/或可變的厚度，因此code的適當部分是第viii章節(jié)、第5部分(其通過引用并入本文)，其規(guī)定了需要分析設計方法的應用的要求，通常是有限元計算方法。code的這一部分詳細描述了如何將各種應力類型(膜、彎曲和二次(熱))單獨和組合地與容許應力比較。確定用于特定設備設置的彎曲窗的參數(shù)/尺寸可以使用迭代方法來進行。窗直徑通?？梢酝ㄟ^粒子束尺寸來定義，并且通常是接近高斯射束輪廓的半最大全寬(fwhm)的兩倍的值。對于其他射束輪廓，可以取決于體積加熱減少的速率。使窗彎曲，具有降低熱和機械應力的作用，但曲率對也必須考慮的冷卻劑流動確實具有影響。用于產(chǎn)生用于給定設備的彎曲窗的迭代過程可以以平坦窗設計開始，例如，具有可變厚度，以最小化熱應力。然后，可以在平坦窗不能獲得可接受的解決方案的地方引入凸曲率。窗是凸形，彎曲到靶材中，并且以確保穿過窗的良好的冷卻劑流動的方式引入冷卻劑?？梢韵到y(tǒng)地調(diào)節(jié)曲率，可選地與厚度一起調(diào)節(jié)，該曲率通常徑向增加，以減小機械應力。應力可以與code定義的如第viii章節(jié)第5部分中限定的等效應力限制進行比較。根據(jù)應力類型對凈等效應力的相對貢獻，厚度或曲率或厚度和曲率二者可能需要調(diào)整和反復計算。通過該過程，可以獲得彎曲窗的輪廓，等待制造和測試。圖2a示出了使用上述迭代過程創(chuàng)建的示例性彎曲窗20的尺寸，圖2b和2d示出了包括兩個示例性彎曲窗18的示例性設備10。一個或兩個窗18凸起到冷卻劑氣流中。窗18可以具有在面向內(nèi)的至少部分或大部分或全部窗表面上的球體(球面曲率)的半徑以及凹面外表面的不同或相似的曲率半徑。這種窗形狀有助于冷卻窗，同時減少熱應力。對于圖2a的示例性彎曲窗20，尺寸以英寸為單位給出，且還以毫米為單位(其為括號內(nèi)的值)給出。對于與圖1b的設備10相似的示例性設備進行了工程分析，包括用氦冷卻的直徑為33.2mm、厚度為0.5mm的50個mo-99盤。分析還包括冷卻窗18的內(nèi)表面，同時適于形成放射性同位素的電子束被引導到設備的窗，使得射束將穿透窗并轟擊設備內(nèi)部的盤16，以形成放射性同位素。該分析的射束能量和總射束電流分別為42mev和約5.71微安(每側(cè)2.86微安，每側(cè)為120kw)。評估了根據(jù)壓力和流速的熱傳遞和液壓性能，并檢查了射束窗的熱機械性能。使用33.2mm直徑靶材的靶材設計來自初始靶材優(yōu)化，并使用mcnpx(montecarlon-particleextended)加熱計算對該靶材進行熱和流體分析。包括更薄的盤的隨后優(yōu)化，導致使用90％致密材料和12mmfwhm射束的直徑為29mm的優(yōu)化直徑。與熱分析中使用的50個盤長的靶材相比，該靶材組件為82個盤。中間盤的加熱低，所以結(jié)論不變。在包括由50個mo盤和盤保持器組成的子組件的實施例上進行與流體流動相關(guān)的計算。為了計算，每個盤的厚度為0.5mm，直徑為33.2mm，并且每個盤被保持在盤保持器中，使得在盤的每個表面上的氦冷卻劑存在0.25mm的間隙。為了計算，封裝子組件的殼體由合金718制成。靶盤和前后窗通過焊接進行連接。用于計算的窗表面是彎曲的，具有球形幾何形狀并且中心線處的最小厚度為0.25mm(參見圖2a)。達到的溫度和產(chǎn)生的應力隨著窗厚度而增加，因此通過使窗向中心線方向變薄來最小化熱應力。由負荷引起的機械應力與窗厚度平方成反比，因此在這種情況下，通過使窗變厚來減小應力。壓力引起的應力也隨著窗直徑的平方而增加，因此直徑增加，厚度也必須增加。前后窗的形狀被設計為在將窗的內(nèi)表面暴露于最大冷卻劑流動條件的同時降低熱應力。盤保持器結(jié)合上游外圓角和下游擴散以最小化壓降，從而最大化氦氣流和熱傳遞。在操作期間，設備將使用靶盤之間的冷卻劑流動，這將建立將從前窗的內(nèi)表面延伸到后窗的內(nèi)表面的平行流動圖案。在一個實施例中，氦冷卻劑可以以217gm/s(平均161m/s通過靶材，301m/s跨過窗)和2.068mpa的入口質(zhì)量流量和壓力流動。馬赫數(shù)(0.16)小于0.3，最大密度變化小于5％；因此，以m<0.3流動的氣體可以被視為不可壓縮的流動。本實施例中跨過窗的馬赫數(shù)為0.378。通過使用平板矩形通道相關(guān)性，計算傳熱系數(shù)(htc)。在計算雷諾數(shù)和努塞爾數(shù)時，通道的液壓直徑將用于定義通道幾何形狀。以下所示的經(jīng)典colburn等式將用于定義充分發(fā)展的湍流的局部努塞爾數(shù)nud：其中，pr是流體普朗特數(shù)，red是雷諾數(shù)，其由下式定義：在上述等式中，υ是通道的橫截面上的平均流體速度，dh(4ac/p)是液壓直徑，ρ是流體密度，μ是粘度。然后，根據(jù)以下等式定義傳熱系數(shù)：在上述等式中，k定義為冷卻劑的熱導率。在使用如下平均流速以及2.068mpa入口壓力的實施例中，其中在217g/s的情況下冷卻劑通過靶材通道的平均流速為161m/s，傳熱系數(shù)(htc)為12990w/m2-k。如果冷卻劑的平均速度提高了15％，提高至185m/s，則htc將增加約11.7％。實施例包括鉬靶盤和inconel合金718窗。在表1中列出鉬靶盤和inconel合金718窗對氦的熱負荷。在表2中列出氦冷卻劑的熱液壓流動條件。表3列出了293k下氦的特性?？梢宰⒁獾?，在該流速和功率下，氦的總平均溫度為約130℃。表1：42mev和5.71ma處的電子束熱負荷靶盤151kw前面1.296kw背面1.296kw總計153kw表2：估計的熱液壓流動條件通道幾何形狀32.7mmx0.25mm每通道的流速1.316l/s通道速度161m/s入口速度約50m/s馬赫數(shù)0.16雷諾數(shù)13800努塞爾數(shù)41.623傳熱系數(shù)12990w/m2k表3：293k處的氦的性質(zhì)根據(jù)盤半徑進行內(nèi)部發(fā)熱的數(shù)值分析輸入，如圖4所示。共軛熱傳遞分析使用計算流體動力學(cfd)技術(shù)來解決使用ansyscfx(v.14.5.7)的穩(wěn)態(tài)共軛傳熱問題。50個鉬靶板的配置允許通過51個矩形通道的并行冷卻劑流。分析中使用的邊界條件如下：假設固定可用的頭部僅依賴于選定的鼓風機，使用了跨過靶材0.103mpa(15psi)的壓降。因此，入口處2.069mpa(300psi)的總壓力以及出口處1.965mpa(285psi)的靜壓力與系統(tǒng)質(zhì)量流量是解決方案的一部分。每個通道的標稱矩形截面為0.25mm(0.0098英寸)寬乘以32.7mm(1.287英寸)高。網(wǎng)格樣本如圖5所示。鉬靶材組件使用大約1960萬個節(jié)點網(wǎng)格化。為了減少問題的計算工作量，在xy和xz平面內(nèi)使用了對稱性。流場和幾何形狀是對稱的，對稱平面處具有零法向速度，并且對稱平面上的所有變量具有零法向梯度。在圖6至圖9中示出了鉬靶材cfd分析的結(jié)果。圖6示出了相對表面壓力等值線。圖7示出了從xz平面視圖通過冷卻通道的速度等值線。圖8示出了在特定位置處的冷卻通道中的平均速度的條形圖，該位置被定義為平行于射束中心的平面。圖9示出了冷卻劑氦氣溫度范圍293.15k到900k。制備了束能量和電流為42mev和約5.71微安(μa)的組件和靶盤的穩(wěn)態(tài)溫度的繪圖。計算合金718窗中的峰值溫度，在前窗和后窗大約為663.6k。圖10示出了通過前窗中心厚度的溫度曲線。峰值靶盤溫度以1263°k的峰值溫度在靶盤10中出現(xiàn)。圖11中的條形圖示出了50個靶盤中的25個(對稱拍擊沉積)加上前窗的峰值溫度。圖12示出了xz平面視圖的殼體和靶盤的溫度等值線圖。合金718殼體的靜應力分析使用asmeb&pv規(guī)范第viii章節(jié)第5部分進行fe應力分析，其概述了分析設計方法的應用的要求。第二章節(jié)第d部分的強制性附錄i用于確定容許應力值。分析設計方法的應用需要驗證部件充足性，抵抗以下五種特定的故障模式：1.所有壓力容器均提供防過壓保護2.防止塑性破壞的保護：-彈性應力分析法設計容許應力sm：sm＝2/3σy或σult/3.5中較小的初級膜加彎曲應力：pm+pb≤1.5sm-彈塑性應力分析法真實應力-應變曲線包括非線性幾何的影響3.防止本地故障的保護：-局部初級膜加彎曲主應力的總和：(σ1+σ2+σ3)≤4sm4.防屈曲的保護：-沒有。無外加載條件5.循環(huán)加載防故障的保護：-沒有作用在合金718窗上的相關(guān)負荷和負荷定義如圖13所示。圖14示出了應力類別和等效應力極限(vonmisesyield準則)。殼體被加載壓力高達2.068mpa(300psi)，并且在上游被固定地限制，而下游在軸向上是自由的。退火合金718的極限拉伸強度值在687mpa至810mpa之間的范圍，其產(chǎn)生容許應力范圍196mpa至231mpa。在圖15中繪制根據(jù)試驗溫度的uts的值。沉淀硬化(ph)合金的強度性能明顯高于退火材料的強度性能。700k時的最小預期uts為1133mpa，強度比退火合金大約增加40％。在圖16中出現(xiàn)極限拉伸強度的平均值和最小值。負荷組合：p+ps+d應力線性化找到通過薄壁部分的厚度的應力分布，以將壓力容器的三維固體有限元分析(fea)模型與asmebpvc相關(guān)聯(lián)。圖17示出了僅具有所施加的機械負荷的合金718窗的vonmises應力圖。圖18b和18c示出了在圖18a所示的兩個不同位置處的線性應力(膜、彎曲和膜加彎曲)。采取保守的方法并使用811k(234mpa)的容許應力值，圖18a至18c中示出了對于兩個位置繪制的膜應力低于234mpa的容許閾值。此外，當觀察初級膜加彎曲應力時，pm+pb≤1.5sm，這也低于1.5sm極限(351mpa)。fea結(jié)果顯示窗中峰值變形為0.138mm(見圖19)。負荷組合通過機械負荷將cfd模型結(jié)果耦合到fe模型，窗的熱應力結(jié)果如圖20所示。熱膨脹的增加使得vonmises應力增加約2.33倍，因此這些二次應力分量是主要項。窗上的熱和機械負荷產(chǎn)生了0.180mm的峰值變形，如圖21所示。變形不位于窗的頂部，因此預期不會影響冷卻劑間隙寬度和冷卻劑流動特性。退火合金718在700k處的屈服強度也在圖22中轉(zhuǎn)換為根據(jù)圖22上的inco曲線的320mpa以及allvac曲線上的254mpa的值。然而，ph合金718在700k下的屈服強度為917.7mpa，比退火的allvac值高約3.6倍，比inco值高2.85倍。對于ph合金718，屈服強度的平均值和最小值出現(xiàn)在圖23中，溫度范圍為294k至1020k。彈塑性分析預測，在當前的操作壓力為2.068mpa時，應力值為797.2mpa，低于700k時的ph合金718的屈服強度(但是接近材料比例極限)，如圖20所示。在分析中也顯示，在大于3.1026mpa(450psi)的壓力下，發(fā)生潛在的關(guān)鍵塑性破壞。這不能說適用于退火合金718：模擬顯示，在當前操作壓力為2.068時，峰值應力已經(jīng)超過了700k下的材料屈服強度。此外，在壓力為1.0342mpa(150psi)時發(fā)生塑性破壞。這將產(chǎn)生明顯低于當前2.068mpa(300psi)的操作壓力。下表簡化和總結(jié)了上述應力結(jié)果。表4：應力結(jié)果與合金處理沉淀硬化inconel合金718窗中的應力在典型的真實彈性極限內(nèi)運行，應力與應變成比例。然而，退火窗將塑性變形，應變將比應力增加更快。這就是當窗發(fā)生塑性變形時，會發(fā)生應變硬化。這是由于材料的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)的錯位產(chǎn)生和移動。綜上所述，可用于同位素生產(chǎn)的設備包括一對凸起到內(nèi)部的窗，并且預期優(yōu)于用于冷卻劑壓力和射束加熱應力的平坦窗。分析表明，為了在2.068mpa下操作，沉淀硬化窗材料(例如，沉淀硬化inconel合金718)比相應的退火合金更堅固。該設備給由鉬-100靶材最佳生產(chǎn)諸如鉬-99等放射性同位素所需的大功率、高通量靶材提供了一種解決方案。為了該描述的目的，本文描述了本公開的實施例的某些方面、優(yōu)點和新穎特征。公開的方法、設備和系統(tǒng)不應被解釋為以任何方式限制。相反，本公開單獨地和以彼此的各種組合和子組合的方式涉及各種公開的實施例的所有新穎和非顯而易見的特征和方面。方法、設備和系統(tǒng)不限于任何特定方面或特征或其組合，所公開的實施例也不要求存在任何一個或多個具體優(yōu)點或解決問題。將結(jié)合所公開技術(shù)的特定方面、實施例或示例描述的整數(shù)、特征、材料和其他特征應理解為可應用于本文所述的任何其他方面、實施例或示例，除非與其不兼容。在本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的所有特征和/或如此公開的任何方法或過程的所有步驟可以以任何組合的方式組合，除了至少一些這種特征和/或步驟是相互排斥的組合以外。本發(fā)明不限于任何前述實施例的細節(jié)。本發(fā)明延伸到本說明書(包括任何所附權(quán)利要求、摘要和附圖)中所公開的特征中的任何新穎特征或任何新穎組合，或者這樣公開的任何方法或過程的步驟中的任何新穎步驟或任何新穎組合。盡管為了方便呈現(xiàn)而以特定的順序描述了一些所公開的方法的操作，但是應當理解，這種描述的方式包括重新排列，除非特定語言需要特定的順序。例如，依次描述的操作在一些情況下可以被重新排列或同時執(zhí)行。此外，為了簡單起見，附圖可能未顯示所公開的方法可以結(jié)合其他方法使用的各種方式。如本文所使用的，術(shù)語“一”、“一個”和“至少一個”包含一個或多個指定元件。即，如果存在兩個特定元件，則也存在這些元件中的一個，因此存在“一個”元件。術(shù)語“多個”和“復數(shù)個”是指兩個或更多個指定元件。如本文所使用的，在元件列表中的最后兩個之間使用的術(shù)語“和/或”是指所列出的元件中的任何一個或多個。例如，短語“a、b和/或c”是指“a”、“b”、“c”、“a和b”、“a和c”、“b和c”、或“a、b和c”。如本文所使用的，術(shù)語“耦合”通常是指物理耦合或鏈接，并且不排除在沒有特定相反語言的耦合項之間存在中間元件。鑒于可應用所公開的技術(shù)的原理的許多可能的實施例，應當認識到，所示出的實施例僅是示例，而不應被認為限制本公開的范圍。相反，本公開的范圍至少與所附權(quán)利要求一樣寬泛。因此，我們要求均在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)的內(nèi)容。當前第1頁12