辐射条件下冷冻靶靶丸表面及充气管温度特性数(2)

从图3b可看出，氦气腔内温度云图关于赤道也基本对称，温度最高点出现在南北两激光入射口，这两处的热量来源主要是外界辐射热，辐射热量在向腔内传递的过程中不断被氦气等介质带走，因此云图上腔内大部分处于低温区域。另外，在氦气腔温度云图中并未发现充气管处有明显温度变化，说明转接管的热量被诊断环、氦气和金腔有效传递至冷臂，没有大量传入腔内造成局部高温。

a——铝套筒；b——氦气腔；c——转接管；d——充气管；e——靶丸图3 冷冻靶温度云图Fig.3 Temperature contour of cryogenic target

从图3c、d可看出，转接管沿程温度变化较为剧烈，而充气管沿程温度变化较为平缓，说明有较多的热量通过诊断环和氦气等传递至冷臂，仅有较少的热量通过充气管传递至靶丸。

从图3e可看出，靶丸表面温度云图基本呈南北两极高、赤道低的分布形式，南北两极处由于直接受到外界辐射从而出现局部高温，赤道处于金腔的传热距离最短位置从而出现局部低温。靶丸右侧连接充气管，充气管会携带一部分热量进入靶丸从而抬升靶丸与充气管接触处的温度。靶丸与充气管连接处温度较高，会使得均化过程中充气管内冰核难以维持，从而导致靶丸内与外界气源直接相连，造成堵管困难。

3 结果分析与讨论

本文通过模拟不同辐射工况下，冷冻靶靶丸表面(简称靶表)及充气管沿程温度分布变化规律，以解决实验中遇到的充气管难以堵管的问题。

3.1 屏蔽罩温度对靶表及充气管沿程温度分布的影响

分别模拟了屏蔽罩温度为30、60、90、120 K 4种工况下靶表及充气管沿程温度分布形式，其余边界条件同典型工况。不同屏蔽罩温度下靶丸南北两极平面温度、充气管沿程及靶丸赤道平面温度示于图4。需要说明的是，图4a中0°为靶丸与充气管连接处，90°为靶丸北极点，270°为靶丸南极点；图4b中沿程距离的原点为靶丸中心点，规定沿充气管方向为正向，靶丸所在区域为-0.42～0.42 mm，金腔与充气管耦合处所在区域为1.30～1.33 mm。

从图4a可看出，靶丸南北两极平面温度呈南北两极高、赤道处低的分布趋势，随着屏蔽罩温度的上升，靶丸南北两极平面平均温度整体基本呈线性增长；由于受充气管导热作用，靶丸与充气管连接处温度较高。从图4b可看出，受屏蔽罩温度的影响，充气管末端温度有明显差异，且充气管末端温度与屏蔽罩温度基本呈线性关系，屏蔽罩温度每上升30 K，充气管末端温度上升约1 K；在沿程距离1.30～1.51 mm处充气管与金腔接触，外界的热量通过充气管传递至靶丸的过程中被金腔吸收，不同屏蔽罩温度工况下充气管与金腔的接触位置温度差异较小；在沿程距离0.42～1.30 mm范围内，充气管仅与腔内氦气接触换热，冷却作用较弱，充气管沿程温度未发生明显变化；沿程距离-0.42～0.42 mm为靶丸赤道平面温度，图中对该区间温度分布曲线进行局部放大，可发现，不同屏蔽罩温度下靶丸赤道平面温度分布趋势基本一致，均为靠近充气管侧温度较高，远离充气管侧温度较低，随着屏蔽罩温度的上升，靶丸赤道平面平均温度及温差呈线性递增，如图5所示，屏蔽罩温度上升30 K，靶丸赤道平面平均温度上升约0.044 K，靶丸赤道平面最大温差上升约1.93 mK。屏蔽罩温度的提高会使得靶丸赤道平面温差增大，充气管内的晶核更难以维持，无法堵管。

图4 不同屏蔽罩温度下靶丸南北两极平面温度和充气管沿程及靶丸赤道平面温度Fig.4 Temperatures of epipolar plane and capsule and filling tube in equatorial planeunder different shielding-temperature conditions

图5 不同屏蔽罩温度下靶丸赤道平面温差及平均温度Fig.5 Temperature-difference and average-temperature of capsule in equatorial plane under different shielding-temperature conditions

3.2 封口膜透射率对靶表及充气管沿程温度分布的影响

对于腔内靶丸，其所受到的热负荷一部分来自于充气管导热，绝大部分热量来自于南北两极封口膜所透射的外界辐射，鉴于此，需分析讨论不同封口膜透射率对靶表及充气管沿程温度分布的影响。本文模拟了封口膜透射率分别为0.001、0.01和0.1等3种工况，其余边界条件同典型工况，如图6、7所示。

从图6可看出，封口膜透射率为0.001和0.01工况下靶表温度分布形式基本一致，均是南北两极温度较高，充气管对侧赤道处温度最低，但随着封口膜透射率的增大，靶表低温区域移至靶丸与充气管连接处，充气管对侧不再是温度最低的区域。为进一步分析靶表温度分布特性，研究了不同封口膜透射率下靶丸南北两极平面温度、充气管沿程及靶丸赤道平面温度，如图7所示。

文章来源：《中国辐射卫生》 网址: http://www.zgfswszz.cn/qikandaodu/2021/0209/364.html