《电子加速器》课件

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1、第三章 第三节 电子加速器,.3.3.1.电子加速器的工作原理： 3.3.1.1 低能端（0.1 MeV0.3 MeV）电子帘加速器 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）电子直线加速器 3.3.2电子辐照加速器的主要性能及其检测 3.3.2.1. 10MeV电子直线加速器的组成及主要性能 3.3.2.2. 电子能量的测定 3.3.2.3. 电子束流强的检测 3.3.2.4. 扫描均匀性 3.3.2.5. 扫描宽度 3.3.2.6. 电子束斑形状的分析,第三章，第三节电子加速器,电子加速器由以下一些部件组成： 加速器主体

2、（加速管，束流扫描器等）：电子束在此被一系列的电极或微波电场加速； 高压功率源： 对低中能加速器，通常是直流高压，加速的是连续的电子束。 对高能加速器，也可能是高频高压微波功率源，此时，加速的是脉冲电子束； 电子枪：是电子束的源头，由灯丝和阳极组成，灯丝用来发射电子，阳极用来引出电子，使其进入加速管被加速。 磁场系统： 聚焦：加速管中受加速的电子，由于受同性电荷相互排斥的影响会散开，要有聚焦线圈产生的磁场将它们聚焦； 导向：为了束流不要打偏，按预定轨道运动，需要导向； 扫描：输出的电子束截面呈圆形点状，需用扫描磁铁将其扫描扩展成为均匀的有一定宽度的电子束才能引出和利用。 这些功能要用磁场系统来

3、完成。,第三章，第三节电子加速器,真空系统：钛窗： 因电子在真空的加速管中加速， 但束流要引出到空气中才能辐照产品。 用钛窗以隔离大气和真空。钛窗需要不断的冷却，钛窗的破裂是严重事故。 水冷系统：加速器的线圈，速调管，电源等大功率部件，需要水冷避免温升太高。 控制系统：控制整套加速器安全运行，并有连锁保护功能。 3.3.1电子加速器的分类： 辐照电子加速器种类繁多，性能用途各异，就按其能量范围，典型机型以及它们的主要应用，可分为3类： 3.3.1.1 低能端（0.1 MeV0.3 MeV）电子帘加速器 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）电子直线加速器电子帘加速器,第三章，第三节电子加速器,电子帘加速器 是一种高压型加速器 主体是一个带铅屏蔽的不锈钢圆柱型筒（真空室）， 中间有一根长灯丝（即电子枪阴极）， 灯丝外是束流控制部件，它们都处于负高压。 电子被高压加速，形成电子帘。 圆筒下侧有一个长条形窗口，上面蒙有钛膜，电子束（帘）通过它进入大气环境中，打到被辐照物上，窗下面是一个包有铅皮的处理箱。 电子帘加速器的能量范围为150到300keV， 最大功率150-200kW，电子束宽度可达2m。,第三章，第三节电子加速器,电子帘加速器的主要技术指标是 电压（例如，300kV）， 线功率密度（例如，1.8kW/c

5、m） 窗宽（例如，1.4m） 以及机器的总功率（例如，250kW）， 其中80%的能量产生加工效果， 整个机器从电网上支取的能效约50%， 其中约有60%以上的束流可以穿过钛窗（25）打到被辐照的产品上， 这种效率是普通工艺所无法比拟的。,第三章，第三节电子加速器,电子帘加速器的主要用途: 谷物等农产品的辐射灭菌， 表面涂层辐射固化，特别是用于工程塑料， 板材和玻璃等建筑装饰材料及 录音磁带等高端产品涂层固化， 海水淡化膜， 锂离子电池微孔复合隔膜等其他功能膜的制备， 废气处理， 橡胶硫化等。 当前反恐形势严峻，电子帘还可用于邮件或包裹表面的消毒灭菌。 为反控斗争的需要。2001年美国邮政部购

6、买了8台电子束加速器，用于对通向重要政府机关的文件进行消毒，以确保安全。 中南海,第三章，第三节电子加速器,中能端（0.3 MeV5 MeV）地那米加速器 高频高压加速器（地那米） 在世界上应用最广，性能也比较稳定。 技术上的主要特点是 以负载性能良好的并激耦合倍压线路作为高频高压发生器，产生直流高压。 其束流能量一般在2-5 MeV， 功率为几十到上百kW。,第三章，第三节电子加速器,加速器的升压原理 高频振荡器5起振后， 在空心变压器4上得到高频电压 频率为120kHz左右，电压约150kV， 弧型高频电极3、8与空心变压器相连， 高频耦合环2、7与高频电极构成耦合电容，同时还起到分压环的

7、作用。 高频功率通过耦合电容分别输送到各个整流器上，经过整流后就有直流电流流过， 由于各个整流器是串联起来的，这样就能产生很大的电压降，从而获得高压。 因此产生高频电压的高频振荡器就是此种加速器的最主要部件之一。,第三章，第三节电子加速器,实际应用: 电线电缆的聚乙烯绝缘材料 聚乙烯发泡塑料的辐射交联， 橡胶硫化， 高强度耐温聚乙烯热塑管等。,第三章，第三节电子加速器,3.3.1.3. 高能端（3Mev10Mev）电子直线加速器 电子直线加速器是指用微波电磁场加速电子的直线型加速器。 电子成束团状，脉冲输出 根据微波的类型可分为 行波 驻波型 其电子能量一般都较高（5 MeV）， 输出功率在几

8、kW到几十kW， 在辐射加工安全许可范围内，高能（5 MeV）电子对被照射物具有最深的有效穿透， 因而得到广泛利用于：。,电子直线加速器的主要应用 医疗器械的灭菌消毒 食品的辐射保鲜，储存工艺的研究 由于杀茵效果好，辐照食品特别适用于航天员、长期远航的舰艇海员，边防军人，野外基地人员，以及特护病人； X射线安全检测 利用X射线以及荧光能谱分析等技术，研究建立快速分辨、检测各种汽油，炸药，液体爆炸物以及毒品等的方法； 无损检测广泛应用于大型高压容器，高压锅炉，大型主轴，锻件，航空，航天，火箭，导弹，核电站压力壳等； 工业CT检查 在检查复杂的构件方面显示了特有的优势， 可广泛应用于导弹火药柱体的

9、密度分布， 大型燃气轮机空心叶片尺寸及缺陷， 反应堆燃料元件缺陷等方面的检测。 为检查导弹内部，特别是使用固体燃料时燃料位置的缝隙，已经研制成装在汽车上的电子直线加速器，可以在现场进行探测。,海关，口岸的辐射检疫 空间环境测试 电子学组件或材料在空间不友好辐射环境中辛存的能力对于人造卫星的应用是致为重要的。关键是在部署之前准确评估由辐射效应引起的退化。EBIS Iotron能够提供评估组件和系统抵抗临界能量 1 到 10 MeV 电子和质子辐照服务。样品在人工或真空中接受均匀的高度受控的剂量照射。也可以同时测量电子学参数。 此外，我们能够提供专家对与核、空间、和军事作业有关的辐射环境中电元件和

10、电子学组件的使用提出建议 电子学加固和辐射剂量校准 电子直线加速器产生的束流打靶产生的射线，可模拟核爆的辐射 用以研究电子学器件的辐射加固或 剂量仪器的校准。 在航空航天技术中，各种关键部件，集成芯片，半导体器件等都会受到高能宇宙射线的辐照。 加速器的电子束，X射线可用以研究电子学器件的耐辐照性能， 辐射加固或剂量仪器的校准等。,第三章，第三节电子加速器,微波加速原理 圆筒电极间的距离 D=v/2fa V电子速度 Fa频率， D=5cm V=3E10cm/s Fa=3000 MHz 电子就能连续加速 微波系统的主要部件有 速调管 调制器 激励源， 等,第三章，第三节电子加速器,1-电子枪，2-

11、输入导向线圈，3-漂移管，4-聚焦线圈，5-加速管， 6-输出导向线圈，7-扫描盒，8离子真空泵，9-吸收负载， 10-波导窗，11-微波功率源，,第三章，第三节电子加速器,性能与特点： 电子直线加速器的最高电子能量已超过几万MeV， 工业辐照电子直线加速器的最高能量定为10MeV。 束流强度取决于注入器的入射强度和高频电源的荷载能力。 脉冲电流可达几百mA， 平均流强为1mA至十几mA， 束流功率为1kW到十几kW。,第三章，第三节电子加速器,第三章，第三节电子加速器,3.3.2电子辐照加速器的主要性能及其检测 3.3.2.2. 电子能量的测定 a) 通过深度剂量分布曲线确定电子束能量 从加

12、速器输出的电子能量并不是完全单能的，而是有一定的能量分布，ICRU 35号报告给出， 电子束在铝中的最可几能量Ep和实际射程Rp之间，有一个简单的经验公式： 当电子能量为MeV，射程单位为cm时，有： Ep =0.20+5.09 Rp（5.0MeVEp25MeV） 因此，只要测定电子束在铝块中的吸收剂量分布曲线，找出Rp，就可得到电子能量Ep。,第三章，第三节电子加速器,b) 模体 深度剂量分布曲线用吸收模体测定，选用叠层法（图3）。 铝片与薄膜剂量计交替构成参考叠层。 薄片的标称厚度应是Rp/12或更薄，以确保绘制深度曲线有足够的精度。 叠层的横向尺寸不小于3Rp 3Rp以避免边缘效应对剂量

13、计的影响。 叠层的总厚度不小于1.5 Rp，且应包括插入的薄膜剂量计的厚度。 10MeV的电子在铝块中的射程Rp=2cm，由此 选取铝堆的尺寸为60mm60mm30mm，模体，30片。 这里的铝堆应是纯铝,第三章，第三节电子加速器,3) 剂量片 对大剂量测量，辐射显色燃料薄膜（50mm）剂量计是最合适的剂量测量方法。 选用美国FarWest公司的变色膜，它对入射能量基本上不灵敏，相对精度可控制在5%。 变色后的透光率，用Vis/UV分光光度计读出，通过标准剂量计刻度曲线，转换成吸收剂量。 4). 测量结果 把模体放在移动扫描平台装置的中心，模体远离容器边缘。 传输装置以恒定速度通过辐射区。 图

14、4示出10MeV/15kW加速器测量到的吸收曲线。 由此给出的实际射程Rp为2.02cm， 对应的电子束最可几能量Ep为10.5MeV。,第三章，第三节电子加速器,3.3.2.3. 电子束流强的检测 a). 电子束的脉冲流强 电子束的脉冲流强及其稳定性是采用BCT来监测的。 原理是：电子束的脉冲流强，穿过闭合磁环时，在另一端的线圈上，会产生感应电压，它与脉冲流强成正比（图5）。 U输出 = ( N初/N次) RL 为电子束的脉冲流强 N初为磁环的初级绕组 N次为磁环的次级绕组 RL为次极电流的负载电阻。 在束流测量时，束流通过磁环的是一个单圈的初级绕组，即N初 = 1 。 在实测前用标准信号对

15、BCT进行了校准和标定，以保证次极输出的监测电压与初极电子束流的强度，准确对应。,第三章，第三节电子加速器,10MeV/15kW加速器上，BCT测量到的脉冲电子束流的波形。 BCT幅值的变化，反映了束流的稳定性。我们在1h内测得它的变化2%。,第三章，第三节电子加速器,b). 平均流强的检测。 从客户的使用来讲，更关心的是束流平均流强，它与吸收剂量成正比。 根据行业标准的规定：采用在束流输出窗外的参考面上，用覆盖住输出窗宽度与束流扫描角引长线相交所形成面积的铝收集靶上， 用精密直流电流表，直接测量收集靶对地的电流，此即为平均束流强度。 对本工作中的加速器， 测量到的平均束流强度=1.6mA。

16、它比用脉冲流强换算的结果约低5%左右。 这是因为电子束在铝收集靶上发生散射以及电子在空气中产生电离复合等因素引起的， 实际的电子束流强度应高于测量到的平均电子流强。,第三章，第三节电子加速器,3.3.2.4. 扫描均匀性 扫描方向辐射剂量的均匀性和扫描宽度W是电子束扩展的2个重要运行参数。 扫描宽度的监测是确保束流对中和产品完全受照的关键。 GB/T 16841-1997对明确规定： 把单个剂量计排列(或长条剂量计)固定在条形板上（聚苯乙烯，聚苯烯，木板）。 剂量计排列的长度大于扫描宽度，以防止偏心。 条形板固定在传送器上，距束窗一确定的距离。 剂量计排列间隔一般为2-5cm， 中心剂量计对准

17、束窗中心， 横轴与传输方向垂直。 在确定的运行参数下，使固定板通过辐照区。,第三章，第三节电子加速器,3.3.2.5. 扫描宽度 扫描宽度是指剂量分布曲线中心按工艺要求确定的相对于平均最大剂量Dmax 的90%-95%的剂量区间对应的宽度。 本工作中，Dmax =65.4 kGy 90%的剂量区间对应的宽度：83 cm 此时对应的半扫描角为：17o,第三章，第三节电子加速器,3.3.2.6. 电子束斑形状的分析 电子束斑的形状对扫描剂量分布的均匀性，传送速度的控制等非常重要。 实验上，可用变色膜剂量片直接观测。变色膜为1cm1cm的方片，将它们沿与束斑扫描相垂直的方向紧密排列，贴在非金属的衬垫上，以测定束斑的形状。 束斑的形状与离钛窗的距离有关，在不同的高度测量了束斑的形状。在窗距40cm的地方， 其半高全宽直径约4.5cm，测得的结果示于图8。,