辐射条件下冷冻靶靶丸表面及充气管温度特性数(3)

从图7a可看出，随着封口膜透射率的增大，靶丸南北两极平面平均温度明显增大，且3种工况下均呈南北两极温度高、赤道处温度低的分布趋势。从图7b可发现，不同封口膜透射率工况下，沿程距离为1.5 mm的充气管外端温度基本一致，说明充气管外端温度主要受铝套筒及金腔温度控制，腔内辐射条件对充气管外端温度的影响可忽略不计；随着沿程距离逐渐减小，充气管受到的通过封口膜透射的辐射热量作用增强，具体表现为封口膜透射率越大，充气管沿程温度越高；封口膜透射率达到0.1时，充气管与靶丸连接处的温度已明显高于充气管与金腔接触处的温度(沿程距离～1.3 mm)。不同透射率条件下靶丸赤道平面温度分布也表现出不同的规律：当封口膜透射率为0.001和0.01时，靶丸赤道平面温度在靶丸与充气管连接处较高、对侧较低；当封口膜透射率增至0.1时，靶丸赤道平面温度分布趋势基本不变，但在靶丸与充气管连接处温度明显下降，即靶丸接收到大量辐射热，其温度已超过充气管与金腔接触处(沿程距离～1.3 mm)，受充气管的导热作用，靶丸与充气管连接处温度明显下降，从而造成堵管。

图6 不同封口膜透射率下靶表温度云图Fig.6 Temperature contour of cryogenic target under different sealing-film-transmittance conditions

图7 不同封口膜透射率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.7 Temperatures of epipolar plane and capsule and filling tube in equatorial planeunder different sealing-film-transmittance conditions

为进一步探究可堵管的临界封口膜透射率，分别研究了封口膜透射率为0.05和0.025两种工况下充气管沿程及靶丸赤道平面温度，如图8所示。

从图8可看出，封口膜透射率为0.025时，靶丸与充气管连接处温度基本与靶丸和充气管连接处对侧温度相同，此时封口膜透射率为维持堵管的临界透射率。

3.3 铝套筒表面发射率对靶表及充气管沿程温度分布的影响

分别模拟了铝套筒发射率为0.1、0.5、1.0等3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，结果如图9所示。

图8 不同封口膜透射率下充气管沿程及靶表赤道平面温度Fig.8 Temperature of capsule and filling tube in equatorial plane under different sealing-film-transmittance conditions

从图9a可看出，在不同铝套筒表面发射率工况下，靶丸南北两极温度分布均呈南北两极高、赤道低的趋势，随着铝套筒表面发射率增大，靶丸表面平均温度升高。从图9b分析得到，充气管外端(沿程距离1.5 mm)温度随铝套筒表面发射率的增大而增大，这是由于铝套筒表面发射率较大时，铝套筒所吸收的辐射热量较多，铝套筒表面温度升高，充气管外端温度也随之升高；随着沿程距离的缩减，3种工况下充气管沿程温度均按照相同的趋势递减；不同铝套筒表面发射率工况下靶丸赤道平面温度分布趋势基本相同，靶丸与充气管连接处温度均较高，这会造成在冰层均化过程中充气管中的冰核难以维持，无法堵管。

图10为不同铝套筒表面发射率下靶丸赤道平面最大温差及平均温度。可看出，靶丸赤道平面平均温度和最大温差均随铝套筒表面发射率基本呈线性变化，铝套筒表面发射率提升0.1，靶丸赤道平面平均温度增大约2.08 mK，靶丸赤道平面最大温差增大约0.10 mK。

图9 不同铝套筒表面发射率下靶丸南北两极温度和充气管沿程及靶丸赤道平面温度Fig.9 Temperatures of epipolar plane and capsule and filling tube in equatorial planeunder different Al-enclosure-emissivity conditions

图10 不同铝套筒表面发射率下靶丸赤道平面平均温度及最大温差Fig.10 Average-temperature and temperature-difference of capsule in equatorial plane under different Al-enclosure-emissivity conditions

4 结论

本文以实验中遇到的充气管晶核无法堵管问题为背景，研究分析了辐射条件下，屏蔽罩温度、封口膜透射率及铝套筒表面发射率3种因素对靶表及充气管沿程温度特性的影响规律，得到以下结论。

1) 靶丸赤道平面平均温度及最大温差同屏蔽罩温度基本呈线性变化，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；由于靶丸与充气管连接处温度较高，晶核仍难以持续维持，无法堵管。在实验中，为尽可能提升靶表温度均匀性，可适当降低屏蔽罩温度，使得屏蔽罩温度接近靶丸平均温度。

2) 改变封口膜透射率可有效解决无法堵管的问题，经过研究发现，在本文讨论的边界条件下，封口膜透射率大于0.025时靶丸与充气管连接处温度相对较低，晶核可维持，充气管能堵管。因此可根据实验工况计算出满足堵管要求的临界封口膜透射率，采用略高于临界透射率的封口膜，以在不过分破坏靶表温度均匀性的前提下满足堵管需求。

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