《電子加速器》課件

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1、第三章 第三節(jié) 電子加速器,.3.3.1.電子加速器的工作原理： 3.3.1.1 低能端（0.1 MeV0.3 MeV）電子簾加速器 3.3.1.2 .中能端（0.3 MeV5 MeV）地那米加速器 3.3.1.3. 高能端（3Mev10Mev）電子直線加速器 3.3.2電子輻照加速器的主要性能及其檢測 3.3.2.1. 10MeV電子直線加速器的組成及主要性能 3.3.2.2. 電子能量的測定 3.3.2.3. 電子束流強的檢測 3.3.2.4. 掃描均勻性 3.3.2.5. 掃描寬度 3.3.2.6. 電子束斑形狀的分析,第三章，第三節(jié)電子加速器,電子加速器由以下一些部件組成： 加速器主體

2、（加速管，束流掃描器等）：電子束在此被一系列的電極或微波電場加速； 高壓功率源： 對低中能加速器，通常是直流高壓，加速的是連續(xù)的電子束。 對高能加速器，也可能是高頻高壓微波功率源，此時，加速的是脈沖電子束； 電子槍：是電子束的源頭，由燈絲和陽極組成，燈絲用來發(fā)射電子，陽極用來引出電子，使其進(jìn)入加速管被加速。 磁場系統(tǒng)： 聚焦：加速管中受加速的電子，由于受同性電荷相互排斥的影響會散開，要有聚焦線圈產(chǎn)生的磁場將它們聚焦； 導(dǎo)向：為了束流不要打偏，按預(yù)定軌道運動，需要導(dǎo)向； 掃描：輸出的電子束截面呈圓形點狀，需用掃描磁鐵將其掃描擴展成為均勻的有一定寬度的電子束才能引出和利用。 這些功能要用磁場系統(tǒng)來

3、完成。,第三章，第三節(jié)電子加速器,真空系統(tǒng)：鈦窗： 因電子在真空的加速管中加速， 但束流要引出到空氣中才能輻照產(chǎn)品。 用鈦窗以隔離大氣和真空。鈦窗需要不斷的冷卻，鈦窗的破裂是嚴(yán)重事故。 水冷系統(tǒng)：加速器的線圈，速調(diào)管，電源等大功率部件，需要水冷避免溫升太高。 控制系統(tǒng)：控制整套加速器安全運行，并有連鎖保護(hù)功能。 3.3.1電子加速器的分類： 輻照電子加速器種類繁多，性能用途各異，就按其能量范圍，典型機型以及它們的主要應(yīng)用，可分為3類： 3.3.1.1 低能端（0.1 MeV0.3 MeV）電子簾加速器 3.3.1.2 .中能端（0.3 MeV5 MeV）地那米加速器 3.3.1.3. 高能端（

4、3Mev10Mev）電子直線加速器電子簾加速器,第三章，第三節(jié)電子加速器,電子簾加速器 是一種高壓型加速器 主體是一個帶鉛屏蔽的不銹鋼圓柱型筒（真空室）， 中間有一根長燈絲（即電子槍陰極）， 燈絲外是束流控制部件，它們都處于負(fù)高壓。 電子被高壓加速，形成電子簾。 圓筒下側(cè)有一個長條形窗口，上面蒙有鈦膜，電子束（簾）通過它進(jìn)入大氣環(huán)境中，打到被輻照物上，窗下面是一個包有鉛皮的處理箱。 電子簾加速器的能量范圍為150到300keV， 最大功率150--200kW，電子束寬度可達(dá)2m。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,電子簾加速器的主要技術(shù)指標(biāo)是 電壓（例如，300kV）， 線功率密度（例如，1.8kW

5、/cm） 窗寬（例如，1.4m） 以及機器的總功率（例如，250kW）， 其中80%的能量產(chǎn)生加工效果， 整個機器從電網(wǎng)上支取的能效約50%， 其中約有60%以上的束流可以穿過鈦窗（25）打到被輻照的產(chǎn)品上， 這種效率是普通工藝所無法比擬的。,第三章，第三節(jié)電子加速器,電子簾加速器的主要用途: 谷物等農(nóng)產(chǎn)品的輻射滅菌， 表面涂層輻射固化，特別是用于工程塑料， 板材和玻璃等建筑裝飾材料及 錄音磁帶等高端產(chǎn)品涂層固化， 海水淡化膜， 鋰離子電池微孔復(fù)合隔膜等其他功能膜的制備， 廢氣處理， 橡膠硫化等。 當(dāng)前反恐形勢嚴(yán)峻，電子簾還可用于郵件或包裹表面的消毒滅菌。 為反控斗爭的需要。2001年美國郵政

6、部購買了8臺電子束加速器，用于對通向重要政府機關(guān)的文件進(jìn)行消毒，以確保安全。 中南海,第三章，第三節(jié)電子加速器,中能端（0.3 MeV5 MeV）地那米加速器 高頻高壓加速器（地那米） 在世界上應(yīng)用最廣，性能也比較穩(wěn)定。 技術(shù)上的主要特點是 以負(fù)載性能良好的并激耦合倍壓線路作為高頻高壓發(fā)生器，產(chǎn)生直流高壓。 其束流能量一般在2--5 MeV， 功率為幾十到上百kW。,第三章，第三節(jié)電子加速器,加速器的升壓原理 高頻振蕩器5起振后， 在空心變壓器4上得到高頻電壓 頻率為120kHz左右，電壓約150kV， 弧型高頻電極3、8與空心變壓器相連， 高頻耦合環(huán)2、7與高頻電極構(gòu)成耦合電容，同時還起到分

7、壓環(huán)的作用。 高頻功率通過耦合電容分別輸送到各個整流器上，經(jīng)過整流后就有直流電流流過， 由于各個整流器是串聯(lián)起來的，這樣就能產(chǎn)生很大的電壓降，從而獲得高壓。 因此產(chǎn)生高頻電壓的高頻振蕩器就是此種加速器的最主要部件之一。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,實際應(yīng)用: 電線電纜的聚乙烯絕緣材料 聚乙烯發(fā)泡塑料的輻射交聯(lián)， 橡膠硫化， 高強度耐溫聚乙烯熱塑管等。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,3.3.1.3. 高能端（3Mev10Mev）電子直線加速器 電子直線加速器是指用微波電磁場加速電子的直線型加速器。 電子成束團(tuán)狀，脈沖輸出 根據(jù)微波的類型可分為 行波 駐波型 其電子能量一般都較高（5 MeV）， 輸

8、出功率在幾kW到幾十kW， 在輻射加工安全許可范圍內(nèi)，高能（5 MeV）電子對被照射物具有最深的有效穿透， 因而得到廣泛利用于：。,,電子直線加速器的主要應(yīng)用 醫(yī)療器械的滅菌消毒 食品的輻射保鮮，儲存工藝的研究 由于殺茵效果好，輻照食品特別適用于航天員、長期遠(yuǎn)航的艦艇海員，邊防軍人，野外基地人員，以及特護(hù)病人； X射線安全檢測 利用X射線以及熒光能譜分析等技術(shù)，研究建立快速分辨、檢測各種汽油，炸藥，液體爆炸物以及毒品等的方法； 無損檢測廣泛應(yīng)用于大型高壓容器，高壓鍋爐，大型主軸，鍛件，航空，航天，火箭，導(dǎo)彈，核電站壓力殼等； 工業(yè)CT檢查 在檢查復(fù)雜的構(gòu)件方面顯示了特有的優(yōu)勢， 可廣泛應(yīng)用于導(dǎo)

9、彈火藥柱體的密度分布， 大型燃?xì)廨啓C空心葉片尺寸及缺陷， 反應(yīng)堆燃料元件缺陷等方面的檢測。 為檢查導(dǎo)彈內(nèi)部，特別是使用固體燃料時燃料位置的縫隙，已經(jīng)研制成裝在汽車上的電子直線加速器，可以在現(xiàn)場進(jìn)行探測。,,海關(guān)，口岸的輻射檢疫 空間環(huán)境測試 電子學(xué)組件或材料在空間不友好輻射環(huán)境中辛存的能力對于人造衛(wèi)星的應(yīng)用是致為重要的。關(guān)鍵是在部署之前準(zhǔn)確評估由輻射效應(yīng)引起的退化。EBIS Iotron能夠提供評估組件和系統(tǒng)抵抗臨界能量 1 到 10 MeV 電子和質(zhì)子輻照服務(wù)。樣品在人工或真空中接受均勻的高度受控的劑量照射。也可以同時測量電子學(xué)參數(shù)。 此外，我們能夠提供專家對與核、空間、和軍事作業(yè)有關(guān)的輻射

10、環(huán)境中電元件和電子學(xué)組件的使用提出建議 電子學(xué)加固和輻射劑量校準(zhǔn) 電子直線加速器產(chǎn)生的束流打靶產(chǎn)生的射線，可模擬核爆的輻射 用以研究電子學(xué)器件的輻射加固或 劑量儀器的校準(zhǔn)。 在航空航天技術(shù)中，各種關(guān)鍵部件，集成芯片，半導(dǎo)體器件等都會受到高能宇宙射線的輻照。 加速器的電子束，X射線可用以研究電子學(xué)器件的耐輻照性能， 輻射加固或劑量儀器的校準(zhǔn)等。,第三章，第三節(jié)電子加速器,微波加速原理 圓筒電極間的距離 D=v/2fa V電子速度 Fa頻率， D=5cm V=3E10cm/s Fa=3000 MHz 電子就能連續(xù)加速 微波系統(tǒng)的主要部件有 速調(diào)管 調(diào)制器 激勵源， 等,第三章，第三節(jié)電子加速器,1

11、-電子槍，2-輸入導(dǎo)向線圈，3-漂移管，4-聚焦線圈，5-加速管， 6-輸出導(dǎo)向線圈，7-掃描盒，8離子真空泵，9-吸收負(fù)載， 10-波導(dǎo)窗，11-微波功率源，,第三章，第三節(jié)電子加速器,性能與特點： 電子直線加速器的最高電子能量已超過幾萬MeV， 工業(yè)輻照電子直線加速器的最高能量定為10MeV。 束流強度取決于注入器的入射強度和高頻電源的荷載能力。 脈沖電流可達(dá)幾百mA， 平均流強為1mA至十幾mA， 束流功率為1kW到十幾kW。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,第三章，第三節(jié)電子加速器,3.3.2電子輻照加速器的主要性能及其檢測 3.3.2.2. 電子能量的測定 a) 通過深度劑量分布曲線確定

12、電子束能量 從加速器輸出的電子能量并不是完全單能的，而是有一定的能量分布，ICRU 35號報告給出， 電子束在鋁中的最可幾能量Ep和實際射程Rp之間，有一個簡單的經(jīng)驗公式： 當(dāng)電子能量為MeV，射程單位為cm時，有： Ep =0.20+5.09 Rp（5.0MeVEp25MeV） 因此，只要測定電子束在鋁塊中的吸收劑量分布曲線，找出Rp，就可得到電子能量Ep。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,b) 模體 深度劑量分布曲線用吸收模體測定，選用疊層法（圖3）。 鋁片與薄膜劑量計交替構(gòu)成參考疊層。 薄片的標(biāo)稱厚度應(yīng)是Rp/12或更薄，以確保繪制深度曲線有足夠的精度。 疊層的橫向尺寸不小于3Rp 3Rp以

13、避免邊緣效應(yīng)對劑量計的影響。 疊層的總厚度不小于1.5 Rp，且應(yīng)包括插入的薄膜劑量計的厚度。 10MeV的電子在鋁塊中的射程Rp=2cm，由此 選取鋁堆的尺寸為60mm60mm30mm，模體，30片。 這里的鋁堆應(yīng)是純鋁,,第三章，第三節(jié)電子加速器,3) 劑量片 對大劑量測量，輻射顯色燃料薄膜（50mm）劑量計是最合適的劑量測量方法。 選用美國FarWest公司的變色膜，它對入射能量基本上不靈敏，相對精度可控制在5%。 變色后的透光率，用Vis/UV分光光度計讀出，通過標(biāo)準(zhǔn)劑量計刻度曲線，轉(zhuǎn)換成吸收劑量。 4). 測量結(jié)果 把模體放在移動掃描平臺裝置的中心，模體遠(yuǎn)離容器邊緣。 傳輸裝置以恒定

14、速度通過輻射區(qū)。 圖4示出10MeV/15kW加速器測量到的吸收曲線。 由此給出的實際射程Rp為2.02cm， 對應(yīng)的電子束最可幾能量Ep為10.5MeV。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,3.3.2.3. 電子束流強的檢測 a). 電子束的脈沖流強 電子束的脈沖流強及其穩(wěn)定性是采用BCT來監(jiān)測的。 原理是：電子束的脈沖流強，穿過閉合磁環(huán)時，在另一端的線圈上，會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，它與脈沖流強成正比（圖5）。 U輸出 = ( N初/N次) RL 為電子束的脈沖流強 N初為磁環(huán)的初級繞組 N次為磁環(huán)的次級繞組 RL為次極電流的負(fù)載電阻。 在束流測量時，束流通過磁環(huán)的是一個單圈的初級繞組，即N初 = 1 。

15、 在實測前用標(biāo)準(zhǔn)信號對BCT進(jìn)行了校準(zhǔn)和標(biāo)定，以保證次極輸出的監(jiān)測電壓與初極電子束流的強度，準(zhǔn)確對應(yīng)。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,10MeV/15kW加速器上，BCT測量到的脈沖電子束流的波形。 BCT幅值的變化，反映了束流的穩(wěn)定性。我們在1h內(nèi)測得它的變化2%。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,b). 平均流強的檢測。 從客戶的使用來講，更關(guān)心的是束流平均流強，它與吸收劑量成正比。 根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定：采用在束流輸出窗外的參考面上，用覆蓋住輸出窗寬度與束流掃描角引長線相交所形成面積的鋁收集靶上， 用精密直流電流表，直接測量收集靶對地的電流，此即為平均束流強度。 對本工作中的加速器， 測量到的平

16、均束流強度=1.6mA。 它比用脈沖流強換算的結(jié)果約低5%左右。 這是因為電子束在鋁收集靶上發(fā)生散射以及電子在空氣中產(chǎn)生電離復(fù)合等因素引起的， 實際的電子束流強度應(yīng)高于測量到的平均電子流強。,第三章，第三節(jié)電子加速器,3.3.2.4. 掃描均勻性 掃描方向輻射劑量的均勻性和掃描寬度W是電子束擴展的2個重要運行參數(shù)。 掃描寬度的監(jiān)測是確保束流對中和產(chǎn)品完全受照的關(guān)鍵。 GB/T 16841-1997對明確規(guī)定： 把單個劑量計排列(或長條劑量計)固定在條形板上（聚苯乙烯，聚苯烯，木板）。 劑量計排列的長度大于掃描寬度，以防止偏心。 條形板固定在傳送器上，距束窗一確定的距離。 劑量計排列間隔一般為2

17、-5cm， 中心劑量計對準(zhǔn)束窗中心， 橫軸與傳輸方向垂直。 在確定的運行參數(shù)下，使固定板通過輻照區(qū)。,,第三章，第三節(jié)電子加速器,3.3.2.5. 掃描寬度 掃描寬度是指劑量分布曲線中心按工藝要求確定的相對于平均最大劑量Dmax 的90%-95%的劑量區(qū)間對應(yīng)的寬度。 本工作中，Dmax =65.4 kGy 90%的劑量區(qū)間對應(yīng)的寬度：83 cm 此時對應(yīng)的半掃描角為：17o,第三章，第三節(jié)電子加速器,3.3.2.6. 電子束斑形狀的分析 電子束斑的形狀對掃描劑量分布的均勻性，傳送速度的控制等非常重要。 實驗上，可用變色膜劑量片直接觀測。變色膜為1cm1cm的方片，將它們沿與束斑掃描相垂直的方向緊密排列，貼在非金屬的襯墊上，以測定束斑的形狀。 束斑的形狀與離鈦窗的距離有關(guān)，在不同的高度測量了束斑的形狀。在窗距40cm的地方， 其半高全寬直徑約4.5cm，測得的結(jié)果示于圖8。,,