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电离辐射平安与防护专业实务工业辐照电子加速器应知应会目录1 .概述31. 1. 电子力口速器32. 2.电子加速器的主要分类52.1.1, 根据加速器能量分类51.2. 2.根据加速电场的形式分类81.2. 3.根据屏蔽和出入口控制类型分类91. 3.思考题102.电子加速器的结构组成和原理112.1. 几种常见的工业辐照电子加速器111. 1.1.高压倍加器型加速器112. 1.2.电子帘加速器133. 1.3.高频高压型加速器154. 1. 4.绝缘芯变压器加速器(Insulating Core Transformer, ICT)215. 1.5.空芯变压器型加速器236. 1. 6. 电子直线力口速器267. 1. 7. Rhodotron 加速器272. 2.电子加速器的基本组成292. 2. 1.电子枪293. 2. 2.加速结构324. 2. 3.高压电源或高频功率源345. 2. 4.电子束流引出装置356. 2. 5.真空系统377. 2. 6.束下传输系统388. 2. 7.冷却系统409. 2. 8.绝缘气体介质4110. . 9.控制系统4211. 2. 10.联锁系统432. 3.思考题44第1页共63页图1-2自屏蔽型电子加速器第n类辐照在屏蔽室内进行。源在照射时，通过入口控制系统保证人员不 能进入正在照射的辐照室。（如图1-3）图1-3出入口控制型电子加速器1. 3.思考题1 .工业辐照电子加速器是什么？2 .电子加速器各种应用的基础是什么？3 .电子加速器装置与60CO辐射源相比优劣势各有哪些？4 .电子辐照加速器按能量分类可分几个能区？各能区的范围和应用分别是 什么？5 .辐射加工用电子加速器装置按加速电场的形式如何分类？各类的区别是 什么？第10页共63页2.电子加速器的结构组成和原理2.1. 几种常见的工业辐照电子加速器高压倍加器型加速器图2-1高压倍加器模型图 2-2 Cockcroft-Walton 倍加电路高压倍加器型加速器是直流高压加速器的一种，是最早出现的高压加速器 类型。其高压电源采用的是经典的Cockcrofty-Walton倍加电路（串激式倍压电路）。1932年用人工加速粒子实现的第一次核反响，就是在一台倍压型加速器上 实现的。今大，倍压型加速器作为科学功臣其象征意义比实用意义更大，如图2-1,是中国科学院高能物理研究所广场上的高压倍加器模型。其外形与尺寸和上世纪七十年代隐藏在实验大厅里的真实的加速器一模一样。第11页共63页该类加速器所采用的倍加电路原理如图2-2,高压变压器通过整流元件 K1-K3,使主电容C1C3不断地被充电。空载时，主电容器上的电压都将到达 2Va,于是在主电容器柱上便得到了 6Va的总的空载直流高压。其中Va是高压 变压器次级电压的幅值。对于倍加级数为N的串激倍加电路，其空载极限直流 输出高压等于2NVa。当高压倍加器运行时，输出的直流高压中会产生电压降落 和电压脉动。它们随着N的增大而迅速增大，N增大到一定级数后便变得不可 接受了。但它们与电路的供电频率和电容成反比，所以采用较高的工作频率和 较小的电容可以适度增加级数N来提高输出电压。所以实际应用中高压倍加器 大多采用了比工频高许多的工作频率，（从几百Hz到几百kHz）,相应地倍加级 数到达十几甚至几十级。后来进一步还出现了对称倍加电路和三相倍加电路等 改进。使高压倍加器最终到达类数MV的高压和数十kW级的功率输出，并实 现类小型化，可将高压发生器甚至整个加速器都装进一个充满绝缘气体的钢筒 中。倍压加速器具有结构简单、造价低、建造快、可以提供较大的束流功率等 优点。其最大的缺点是，这种电路的储能很大。是所有类型的高压加速器里储 能问题最严重的。因其电路内有大量电容器，小小火花放电，就可能酿成一场 大的击穿灾难，甚至导致设备颠覆性的破坏。高压倍加器主要用作高能加速器 的注入器、中子发生器、离子注入机。而把它作为电子加速器用于辐射加工并 实现规模产业的有日本的日新公司（NHV）。其产品能量范围0.53.0MeV,功率 50100kWo日本NHV是据早期资料，其所使用的高压电源是一种中频（数千Hz） 对称型的Cockcrofty-Walton电路。图2-3是NHV的产品宣传照片。日新CNE-500800系列日新CNE100g500系列图2-3日本NHV公司的两种倍压加速器第12页共63页2. 1. 2.电子帘加速器电子帘加速器是一种发射帘状电子束的高压加速器。它在20世纪70年代 后开展起来的。它的能量范围一般为（75300）keV,功率一般在（5350）kW。电 子帘加速器没有常规高压加速器的加速管和扫描装置，只具有一个单间隙的加 速结构，电子束从阴极引出后这一加速机构一次加速至最高能量，直接引出钛 窗。因而其体积小、外形规整、结构简单、便于实现自屏蔽、对厂房要求低， 这些优点使其得到了快速开展。电子帘加速器是一种自屏蔽型加速器，基本结构如图2-4,主体是一个铅屏 蔽的内腔为圆截面或椭圆截面的长条形真空容器（称为加速腔）。加速腔的中心部 分是一套包括发射控制系统在内的长条形阴极系统（早期的阴极是单根长鸨丝称 单灯丝结构）。加速腔壁接地，阴极系统通过电缆连负高压。阴极与加速腔壁之 间形成一个单加速间隙电场。加速腔的引出侧开有一个长条形窗口，上面安装 有钛膜（即引出钛窗），窗下是一个由铅皮屏蔽的辐照处理室。阴极产生的初始电 子束形状是一条直线，直线状的电子束在单加速电场中加速后便形成如同窗帘 状的电子瀑布（故其被称为电子帘加速器）。电子束流穿过钛膜进入辐照处理室的 大气环境中，射到受照物质上进行辐射加工。屏蔽屏蔽第13页共63页空压机高低套管分压电阻高压电阻高压绝缘套筒高探空率/阴极支撑控制榻极/ 极 隐/ 高乐支撑我空阀帘栅极隔离变压器次级线啕初级线圈低温泉'铜窗体金属薄.黑 囿化产品r作箱体机械系束流吸收体2. .但是单根长鸨丝阴极有一些严重的缺点：、单丝的发射能 力有限，束流不易做大；、长鸨丝发射的束流不够均匀和稳 定。近代的电子帘加速器做了改进，采用了一组平行灯丝的 多灯丝结构，如图2-5,其每根灯丝的长度可以做的较短， 防止单根长灯丝发射束流均匀性差的问题。而可通过增加灯 丝的数量来增加束流的宽度，这样引出的束流可以做得很 宽，而又能兼顾束流的均匀性。多灯丝结构的电子帘加速器 在辐射平面两个方向上的线度都比一般的电子束大，不需要 扫描，而且束流功率也比拟大，因此生产效率很高，被辐照 物通常能以每分钟几十米甚至上百米的速度通过辐射加工区 完成辐射加工。图2-5多灯丝电子帘加速器结构图电子帘加速器用途很广，如外表涂层固化、各种功能膜的制备、烟气净化、废水治理、橡胶硫化、医用材料制备等等。由于具有简单、轻便、价廉、 自屏蔽以及很好的灵活性，受到很多新的应用领域欢迎，开展迅速。在300keV 以下的低能区范围内，电子帘加速器逐渐取代了扫描型高压加速器装置，成为 市场的主导设备。主要由美国Energy Sciences Inc.（ESI）公司、PCT Engineered Systems 公司、Advanced Electron Beam（AEB 公司,已被日本造船 Hitachi Zosen 收购）、日本Nissin High Voltage Co., Ltd（NHV日新）公司等生产。我国北京机械 工业自动化研究所、中国科学院高能物理研究所和中广核加速器技术 也都分别开展了电子帘加速器的研制工作，研制出了实验装置，中广核加速器第14页共63页技术已有一台用于烟包光油固化的设备形成销售。图2-6是PCT公司 产品的外形（左为EP系列，右为LE系列）。图2-6在线用自屏蔽电子帘加速器2.1. 3.高频高压型加速器高频高压加速器（Dynamitron）亦称"地那米"加速器，是一种中能直流高压型 加速器，在世界上应用范围最广，性能比拟稳定。它与传统的倍压加速器类 似，也是用倍压整流电路产生直流高压的。不同的是，传统倍压加速器用的是 电容串联耦合型级联倍压整流电路，而高频高压型加速器那么用的是电容并联耦 合型级联倍压整流电路。同时将供电频率升高到了 100kHz左右，降低了对耦合 电容容量要求（只约为几个pf）,这就可以巧妙的利用电极与整流柱电晕环之间 的分布电容作为耦合电容，解决了整流电路高压端耦合电容需要耐受兆伏级电 压的难题。克服了传统高压倍加器压降大、储能大、纹波大等固有缺点。得益 于上述技术运用，高频高压型加速器具有束流能量高、输出功率大、高压纹波 小，以及静电储能小（打火破坏性小）、内阻低、结构紧凑、工作稳定可靠、检修 方便等优点。其缺点主要是电能的利用效率较低，一般5065%。用于辐射加工 的高频高压加速器的束流能量从（0.45.0）MeV,束流功率可以到达300kWo第15页共63页2.1. 3.1.目前高频高压加速器是辐射加工领域应用最广泛的加速器 类型。其主要工业应用领域为：.材料改性：如线缆、轮胎、 热缩材料、发泡材料、涂层固化、半导体材料等；.消毒灭 菌：医卫用品、食品；.环保应用：电子束三废（废气、废 水、废渣）的处理等。较高能量的高频高压加速器电子束加装 转换靶转换为X射线后也可用于厚实物品的辐照、食品辐 照、医疗器械的消毒灭菌等。高频高压型加速器的高压倍加电路见图2-7,它是在上世纪六十年代，由美 国辐射动力公司（RDI）从高气压型静电加速器的几何结构受到启发，发现当交流 电源的频率升高到100kHz左右时，可以利用电极板间的分布电容来解决电容的 耐压问题，于是将这种并联耦合的方案用于高压加速器电源，生产研制成功了 高频高压加速器。其工作原理为：高频电极与耦合电极（电晕环）之间的构成耦合 电容Cse,整流硅堆（主要元件为二极管）本身及与其并联的分布电容为Cac,电 路的负载为电子束加速系统。所有一侧的耦合电容Cse形成并联电路，耦合电 容间通过整流硅堆连接。高频振荡器从电网取电后产生的低压高频电压馈入LC 谐振回路后，经由高频变压器升压后传送到两块半圆弧形电极板（高频电极）上， 两个高频电极的电位交替变化，通过耦合电容和整流硅堆，从一侧电晕环向另 一侧电晕环充电，位于侧的各级耦合电容同时充电，由于整流硅堆的单向导 电性，充电只能向一个方向前行，这样在电路中的每个Cac上可获得的直流高 压V0,并从低电位逐级升高直至整流硅堆链的端部高压球帽处，可以获得 NV0（N为电路中整流硅堆的数量）的直流高压，这也决定了电子束加速系统的最 终能把电子束流加速到多大能量。第16页共63页其基本结构如图2-8所示，整个电路（图2-7中虚线局部）置于充有高气压的 绝缘气体的钢筒内，气体介质既对高频高压也对直流高压提供绝缘。钢筒内壁 安装有两个半圆筒形状的金属高频电极，两个电极分别连接于谐振线圈（高频变 压器）的两端，形成LC振荡电路。外设的高频振荡器为LC谐振电路提供低压高 频电源。高频电极与钢筒外壳电气绝缘。钢筒中心是由电晕环和整流硅堆组成 的多级并联耦合的级联倍压整流电路。电晕环也为半圆环，分别与高频电极相 对，交替排列分布。电晕环之间串联连接着整流硅堆。整流硅堆链一端接地， 另一端接高压球帽。高压球帽是一个较大的半圆球形状的金属电极。高压电极 为电子束加速系统提供所需的端电压。（负高压）。从高压球帽内的电子枪产生的 电子束流在高压球帽提供的负高压作用下通过在高真空环境下的高电压梯度加 速管内时得到加速，从加速管中出来的高能电子束由扫描磁铁在水平和垂直两 个方向进行扫描，然后穿过钛窗钛箔对产品进行辐射加工。第17页共63页图2-8高频高压型电子加速器结构图高频高压型加速器按主体结构形式可分为直立式、全卧式和角尺型。2. 1. 3. 2.直立式结构直立式为传统结构，是目前使用最多的结构，通常加速器能量在L5MeV 或以上。优点是结构紧凑，主体机械设计加工比拟简单，与束下传输系统的匹 配性好。缺点是：此种结构的加速器的主体结构安装在加速器厅内，检修时须 用行车将压力钢筒吊起，因此需要厂房有一定的起吊高度，厂房基建投资比拟 大，如图2-9所示。图2-9传统直立式结构示意2. 1. 3. 3.卧式结构卧式结构是将加速器水平横放在建筑物的地面上（参看图2-10）,显然它的 机械设计比拟复杂，但对于建造较高能量的加速器来说会带来很大的好处；检 修时只需拉开钢筒小车，无须起吊钢筒，因此建筑物较低，检修方便，厂房投 资小。对于低能小加速器来说，卧式结构可方便做成紧凑的自屏辐照装置（图2-第18页共63页10) o缺点是电子束为水平方向输出，使得辐照物必须上下移动，束下传输系统 匹配性比拟差。图2-10卧式结构示意图和实物图2 . 1. 3. 4.角尺结构参见图2-11,采用高压电源和电子加速器系统相别离的结构，前者为卧式，后者垂直安放。两者通过高压同轴圆管连接。其优点是：O1EA采用角尺形设计，只需对加速器局部及束流引出局部进行屏蔽，而 高压电源局部一般不需要屏蔽。AO2EA由于电源局部卧置，设备高度大大降低，厂房建造本钱约节省30% 以上。AO3EA躺下后的卧式高压电源筒内的倍压柱更便于检修。AO4EA加速管置于独立的钢筒内，减弱了与倍压柱之间的相互干扰。检修 调试时更便于判断故障点所在。AO5EA当加速器能量不是很高时，辐射防护可以采用自屏蔽设计。即以铁 和铅构成紧凑的局部屏蔽。摆脱了庞大厚重的水泥墙，就可以直接将加速器嵌第19页共63页3 .电子加速器的平安与防护 453. 1.辐射平安原那么与防护准那么453. 1. 1.辐射平安原那么453.1.2.辐射防护准那么463. 2.外照射危害的防护473. 2. 1.时间防护473. 2. 2.距离防护483. 2. 3.屏蔽防护483. 3.加速器装置工作场所的分区483. 3. 1.控制区483. 3. 2.监督区493. 4.辐射平安管理491. 4. 1.业主、辐射防护负责人、合格专家的职责493. 4. 2.操作人员与运行管理503. 5.辐照装置的监督检查523. 5. 1.日常管理和监督523. 5. 2.日常维护和检查533. 5. 3.电子加速器辐照装置的监督检查大纲543. 6.应急响应计划与事故处理563. 6. 1.应急响应计划563. 6. 2.应急培训与演练563. 6. 3.事故处置与报告573 . 7.思考题：57.辐照装置的事故分析与预防573.1. 辐射事故概况573.1.1. 越南河内的电子加速器事故573.1.2. 1.2.天津电线总厂静海县府君庙乡北五里村辐照分厂事故593.1.3. 天津滨海北方辐照技术辐照事故603.2. 辐射事故的预防614. 3. 思考题62参考文献62第2页共63页入车间的生产线。或对原厂房进行改建扩建，实现生产线的升级换代。如图2- 12的半自屏蔽设计，图2-13的全自屏蔽设计，图2-14的卧式角尺型全自屏蔽 设计。目前中广核达胜高频高压加速器结构最全是生产厂商，上述结构都有相 关产品在市场运行。图2-11 DDL2.0/50-1400角尺型加速器的结构形式图2-12 DDLH2.0/50-1400角尺型半自屏蔽加速器的结构形式图2-13 DDLZ1.0/80-1600角尺型自屏蔽加速器的结构形式第20页共63页卧式加速器气体处 理系统屏蔽体及束下控制系统图2-14 DDWZ0.8/60-1600卧式角尺型自屏蔽加速器结构2. 1. 4.绝缘芯变压器加速器(Insulating Core Transformer, ICT)绝缘芯变压器型电子加速器，也是一种大功率高压型电子加速器装置。其 高压电源采用的是电感串联耦合电路。其最初是由美国高压工程公司(High Voltage Engineering Corp, HVEC)于1963年研制的，但后来HVEC被法国收购 To目前生产绝缘芯变压器型加速器的公司主要有法国的维维拉德公司(VIVIRAD)和美国的沃氏公司(Wasik Associates) 两家公司 都提供0.52.0MeV、流强25100mA的绝缘芯变压器型加速器。沃氏产品以低 能机为主，最高能量到3.0MeV为止。维维拉德公司的产品在低能段几乎和沃 氏相同，但还包括了 3.05.0MeV等机型，如4MeV/50mA和5MeV/40mA等。 中国曾购买过他们3.0MeV产品。绝缘芯变压器型加速器根据能量的不同有两种结构，一种为双钢筒，即把 高压电源与加速器分别放在两个钢筒内，用高压电缆将高压馈送到加速器装置 ±o通常2MeV以下机型采用这种结构(750keV以下机型通过电缆连接，采用自 屏蔽。800keV以上机型通过充气同轴管连接，采用防护墙屏蔽)；另一种为单钢 筒，即将高压电源、电子枪、加速管等封入一个钢筒内。此种结构，因整流倍第21页共63页 压柱是实心的，整流柱内部没有位置放置加速管，只能将高压电源与加速系统 并排地安放在钢筒中，因此钢筒内部的空间利用率比拟低（例如VIVIRAD的 3MeV产品）。绝缘芯变压器型电子辐照加速器结构简单、束流强度大、能量转 换效率高达90%以上、工作稳定可靠、价格适中、维护费用较低，能量范围在 0.33.0MeV之间、束流功率可以到达100kW以上。其缺点主要是储能大，打火 破坏性强。主要应用于辐照电线电缆、生产热收缩管、膜及烟道废气处理等。工作原理：绝缘芯变压器的磁芯被分成多个绝缘的节，每节上均绕有次级 线圈，如图2-15所示。初级线圈用低压交流电源激励，所有的次级线圈上就会 感应产生一定的交流电压。变压器原边接地，在每一级副边上，整流器和电容 将交流高压整流成直流高压，各级直流高压串联起来，由地电位到高压端累积 为直流高压。一般每节的高压为数十千伏。图2-15绝缘芯变压器型加速器原理简图1-初级线圈；2-次级线圈；3-变压器铁芯（分段绝缘）；4-绝缘层；K-整流器；C-电容器基本结构：绝缘芯变压器的基本结构简图和加速器次级线圈实物图，如图 2-16所示，绝缘芯变压器一般放置在加速器密闭的钢筒内，置于高压绝缘气体 的环境中，绝缘气体多采用SF6。变压器的铁芯和次级线圈都与一个整流器相 连。早期的绝缘芯变压器采用的是单相的结构，近代的绝缘芯变压器已不再采 用单相变压器，而是采用的三相绝缘芯变压器，其有三个圆柱形分节磁芯，每 一层都装有分压环，使铁芯、线圈、整流器处于均匀电场中。采用工频或中频 交流供电。第22页共63页超压电极环形磁扼均压环向整流器次级线圈电容铁芯初级线圈环形磁柜绝缘层li图2-16绝缘芯变压器型加速器结构简图和加速器次级线圈实物图图2-17沃氏550kV/25-60mA机型实物图2.1. 5.空芯变压器型加速器工业用空芯变压器型电子加速器，也是一种高压变压器型的大功率电子加 速器。是由俄罗斯西伯利亚核物理研究所（Budke门institute of Nuclear Physics, BINP）在1971年研制生产的，一般也称为ELV型加速器（如图2-19）。其能量范围 为0.22.5MeV,电子束流可达400mA,最大功率可达400kW（ELV-12型）。该类 型加速器采用变压器耦合方式工作，具有结构紧凑、体积相对小、束流功率 大，运行稳定，电源利用效率高（假设采用固态的中频转换器，效率高达85%以上） 等优点，其最大缺点也是储能大、高压打火是容易造成器件损坏。国内该类型 加速器约有五十多台。近年来，中科院兰州近代物理研究所和中广核达胜加速第23页共63页 器技术已各自研发出了产品，并且已有用于轮胎预硫化生产线上的在 线自屏蔽产品问世。工作原理：空芯变压器型电子加速器的高压电源采用电感并联耦合的级联 整流倍压电路。加速器由50Hz, 230/380V交流电供电，通过频率变换器变换成 400Hz的单相交流，送到初级线圈，再将能量耦合到所有次级线圈上，每个次 级线圈绕组约3000匝，获得的最大电压为20kV。每个次级线圈和整流器、滤 波电容组成一个整流单元，如图2-18所示。单个整流单元一般可得到40kV的 直流输出电压。整流单元的连接方式有串联和并联-串联两种方式。串联连接的 整流单元可以获得更高的电压，而串联-并联组合的电路获得更大的输出电流。 各级整流电路叠加后，最终在末端的高压电极上产生高压。串联电路申联一并联电路图2-18整流电路基本结构：空芯变压器型加速器电感并联耦合电路基本结构如图2-19,加 速器的高压电源、高压电极、加速管等都放置在钢筒内，内部充满SF6绝缘气 体。高压电源变压器的初级线圈缠绕成圆锥形，紧靠着钢筒内壁上的导磁体安 放，线圈底端那么被安装在钢筒底部的圆盘形磁导体上。初级线圈分布在整个高 压局部。变压器有多个次级线圈，次级线圈分节，并联组成多级变压器，次级 线圈之间用整流器和滤波电容连接，构成一个整流单元。整流单元串联相接， 从而实现高压倍加。加速管位于整个钢筒的中心，也是变压器和整流器的中 心。加速管上接电子枪和注入系统，几个次级线圈专为电子枪和注入系统供 电。与传统的变压器型高压电源相比，电感并联耦合型高压加速器没有中心的 磁芯，因此体积也相应较小。第24页共63页图2-19 ELV型加速器结构简图1-钢筒；2-初级线圈；3, 4-导磁结构；5-次级线圈和整流器；6-加速管；7-注入控制器；8-高压电极；9-注入器；10, 11 注入控制器的光学管道，12.区域分割器；13电容器；14.均压组件；15-真空阀；16-初级线圈端子；17, 18-扫描线圈；19-扫描盒；20-束流引出窗；21 真空泵；22-十字头；23-真空阀；24-高压电极座；25-磁透镜；26-高压屏蔽；27-钳位调整装置图2-20初级线圈图2-21次级线圈第25页共63页图2-22安装中的电子加速器2.1. 6.电子直线加速器电子直线加速器(Linac)是带电粒子在高频电场加速下，沿直线轨道传输的 加速器装置。它是辐射加工5-10MeV高能领域内的主要机型。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，根据微波的 类型可分为行波和驻波型电子直线加速器。由于工业辐照平安的限制，其电子 能量一般控制在5-10MeV,该能量的电子对被照射物具有较大的穿透深度因而 得到广泛利用。电子直线加速器基本结构见图2-23。加速器电子枪1工作在脉 冲状态，注入加速管的电子束能量、脉冲流强、束流直径和发散角等可根据需 要设计。一般采用皮尔斯型电子枪，并采用在较低温度下电子发射电流密度较 大的LaB6作阴极材料。加速管5由聚束段和加速段两局部组成。加速管还采用 恒温水冷却措施。聚焦线圈4根据理论计算中的束包络聚焦要求设置。微波功 率源11采用磁控管或速调管对电子进行加速。磁控管或速调管所需脉冲高压由 脉冲调制器供给。脉冲调制器一般采用软管线性脉冲调制器，由直流高压电源 向充电变压器、脉冲形成线的电容器进行谐振充电。高功率脉冲闸流管为放电开关，脉冲形成线线经闸流管、脉冲变压器初级绕组组成 放电回路，在脉冲变压器初级形成高压，在变压器次级输出脉冲高压。在电压 稳定度要求较高时，调制器需要采用脉冲电压稳定装置。磁控管或速调管输出 的微波功率经波导、定向耦合、环流器等组成的微波传输系统，通过陶瓷窗进 入加速管，对于系统中的剩余功率，由另配的吸收负载所吸收。如图2-24电子辐照直线加速器的结构框图，各组成局部的主要作用为：调 制器产生两路高压脉冲，一路送入激励功率源(速调管)，功率源产生的高功率微第26页共63页波脉冲经微波传输系统馈入加速管，在加速管中建立加速电场；另一路高压脉 冲加载到电子枪上，引出电子束。电子束注入加速管，受到加速电场的同步加 速。聚焦系统保证束流在加速过程中始终沿着中心轨迹传输，保持小的束团直 径。用于辐射加工的直线加速器中还有扫描磁铁和扫描盒系统。加速管出射的 高能电子束经输运系统传输到扫描磁铁，扫描磁铁将束流在一个固定的角度内 循环往复的扫描，用以扩大电子束出射的宽度，以满足辐照较大尺寸物品的需 求。图2-23电子直线加速器1-电子枪；2-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-微波功率源电手枪电源|T电子枪配电高氏电源配电高氏电源绝嫁气体由空系统调制器控制系统控制台微波激励海加速管图2-24电子辐照直线加速器结构框图速网竹一该波系统水冷系统2. 1. 7. Rhodotron 加速器Rhodotron加速器也是一种谐振型加速器，电子束在高频电磁场中加速。 采用了相对较低的工作频率(107.5MHz或215MHz),电子枪输出的电子束进入 谐振腔内经过一次加速后，再经由谐振腔外的偏转磁铁偏转，返回到谐振腔中 再次加速，经屡次这样的加速后获得高能束流。理论上Rhodotron加速器的最第27页共63页 大特色之一是可以输出任意能量的束流，灵活制定辐射加工方案，实现多束流 输出通道。即同一台机器，可以同时输出不同能量的电子束和X射线。 Rhodotron加速器可以输出连续束，且具有较高的束流功率。当面对需要大剂 量且适合lOMeV高剂量率电子束辐照产品对象时，Rhodotron具有明显优势； 但如果只需要中、低吸收剂量，而因此使Rhodotron降低束流功率运行那么并不 具特别优势。但Rhodotron可降低束流能量（如5MeV7.5MeV）用大功率电子束 轰击重金属靶产生高能X射线束，便可以适应大厚度、高密度、中、低吸收剂 量的产品辐照了。Rhodotron加速器的结构原理示意图见2-25,它的加速原理是：位于谐振 （加速）腔之外的电子枪所发射出来的电子，经聚焦后注入谐振腔。如果电子注入 瞬间谐振腔的相位恰好是外负内正时，电子束立即被谐振腔内的径向电场加速 并指向腔体中心导体上的孔，由此完成一次加速。当电子束穿越中心导体从反 面射出时，谐振腔相位恰好反相变为内负外正，于是电子束得以在谐振腔的另 一边射出时再次被电场加速并指向对边腔体壁上的输出孔，经此两次加速后， 电子束的加速路径恰好走了一个腔体直径的距离，我们称它“完成了一次直径加 速。完成一次直径加速后的电子束，经外部磁铁偏转，转了一个小的角度后， 重新又被送回到谐振腔内，类似地进行下一次直径加速。如此循环往复，电子 束能量便不断倍增。因为整个加速过程中电子束的运动路径形状就像一个玫瑰 花，所以我们为这种加速器选择名称叫做"Rhodotron"（"Rhodos",希腊语，玫瑰 花）。例如：在Rhodotron TT100中，电子每次穿过谐振腔都会获得0.833MeV 的能量，11只磁铁反转，12次穿过加速腔后，电子便可获得lOMeV能量。在 加速器终端出口，束流被引导传输至辐照室，经扫描展开后引出。图2-25 Rhodotron加速器的剖面与电子路径示意图第28页共63页图2-27 Rhodotron加速器实物图2. 2.电子加速器的基本组成虽然电子加速器原理各异、种类繁多，但是基本组成结构是相同的。工业 辐照电子加速器具有以下共性局部，主要包括：电子枪、加速结构、直流高压 电源或高频功率源、控制系统、真空系统、引出窗及扫描系统等。以下分别做 一简单介绍。2. 2. 1.电子枪电子枪用于产生电子束，是电子束的源头，它由阴极（或灯丝）、聚焦极、阳 极（引出极）等组成，灯丝用来发射电子，阳极用来引出电子并使其会聚成束进入 加速系统被加速。第29页共63页1 .概述1.1. 电子加速器电子加速器是一种使用人工方法使电子在真空中受磁场力作用、电场力加 速而到达高能量的电磁装置。除少数大型高端的电子加速器作为科学研究工具 应用于基础科学研究外，目前，大量中小型电子加速器都是应用型加速器。其 中，工业辐照电子加速器是指主要用于辐照各种材料、参与化学反响和进行灭 菌消毒等工业生产过程的电子加速器装置。高能电子束是一种常用的电离辐射源，它与物质的相互作用，类似于丫射 线或X射线，会引发各种物理，化学，生物等效应，称之为电离辐射效应，是 电子加速器各种应用的基础。研究电离辐射与物质的相互作用，始于1895年伦 琴发现物致辐射和1896年贝克勒尔发现放射性。当时曾对玻璃、陶瓷、水及其 他材料进行了辐射实验，并开始用于医学透视和工业无损检测。19251932年 高压倍加器、静电加速器、质子回旋加速器相继问世，同期还研制了直线谐振 加速器，并说明电子感应加速器的原理(1941年建成)。1944年维克斯列尔， 1945年马克米兰各自独立地提出加速器物理的最基本思想一一自动稳相原 理，并在此基础上产生了同步回旋加速器、直线加速器、电子回旋加速器等一 系列新型加速器。仅在短短20多年时间内，就提出了加速器理论和一系列决定 制造的加速器技术开展方案。与此同时，辐照应用技术也在迅速开展。中小型加速器作为加速器开展的一个分支。进入20世纪50年代，也步入 了规模化工业应用。在美国，高压工程公司(HVEQ开发出绝缘芯变压器型加速 器，通用电气公司(GEC)开发出空芯变压器型加速器，福特公司开发了用于涂料 固化的加速器。到了 20世纪60、70年代又先后有美国辐射动力公司(Radiation Dynamics)研制了电容并联耦合型的高频高压型加速器(Dynamitron)；美国高压 工程公司(High Voltage Engineering)研制出了电感串联耦合型的高压型加速器(绝 缘芯变压器型加速器)；俄罗斯西伯利亚核物理研究所(Budker Institute of Nuclear PhysicsBINP)研制出电感并联耦合型的高压加速器(ELV型)；同时能量科学公司 (ESI)那么专门生产能量为(75300)keV的低能加速器，并推出了相关应用的工艺生 产线。第3页共63页2. 2.1.1.直流高压型电子辐照加速器的电子束流一般为几个mA至 数百mA。它使用的电子枪有直热式和间热式两种。直热式 电子枪结构示意和实物图2-28和2-29所示，它由阴极、聚 焦极和阳极组成。阴极发射电子，阳极把电子束流引出来。 改变聚焦极的电位或几何参数，可以改变电子枪的输出束流 的形状，使其或会聚、或平行、或发散，以便与整个加速系 统的光学设计相匹配。23图2-28直热式电子枪结构图1-阴极2-聚焦极3-阳极图2-29直热式电子枪灯丝和电子枪实物图第30页共63页直热式电子枪的阴极一般用鸨丝或合金鸨丝做成。通上电流，鸨丝发热， 当温度升至2000C以上，便可不断发射电子，电子在阴极附近堆积起来，形成 电子云，当引出电极加正电压时，电场对电子云中电子产生拉力将电子拉出， 随后被被阴极和阳极（引出极）间的电场加速，进入加速管。阴极温度的变化，对 电子束流的变化影响很灵敏。因此，调节鸨丝电流便可调节电子束流的大小。间热式电子枪结构示意和实物图如图2-30和图2-31所示。它最常用的阴 极是六硼化镯（LaB6）材料制成，由灯丝向它间接加热。六硼化镯发射电子的温度 比鸨阴极的温度低一些，在15001600,并可获得较大的电子束流。同样 也可通过调节灯丝的电流，来调节电子束流的大小。加速管内的真空度和清洁状况，是决定电子枪工作寿命的重要因素。真空 过低和污染物蒸发，都可造成阴极外表被氧化和污染，导致灯丝“中毒，造成 发射能力严重下降。此外还可引发大量的反向离子轰击阴极外表，使得直热式 电子枪的灯丝局部变细、过热而很快被烧断。电子枪安装在加速管顶部，处于加速器最高电位。为了向处于高电位的电 子枪灯丝供电，通常采取两种方法。一种是通过电磁感应方法向高电位输送能 量。例如地那米加速器，它是通过电容耦合产生高压的，因此可以通过电容耦合向处于高电位的电子枪加 热回路输送能量。具体方法是在整流柱的高压端专门留出一个电晕环不参与整 流，而将其所接收的高频电压经降压稳压后输入一个灯丝变压器，这样就可以 向电子枪灯丝供电了。另如ELV加速器或绝缘芯变压器，它们都是通过电磁耦 合获得能量产生高压的，因此也可以用电磁耦合输送能量对电子枪加热，只要 在加速器高压端专门设置一只适当的次级线圈就可以了。这种供电方法简便有 效，被不少加速器所采用。该方法的缺点是，如果加速器的端电压需要随辐照 任务经常变化时，那么当加速器运行在低电压（低能量段）时，电磁耦合所产生的电 压可能过低，导致电子枪的加热电流上不去，而限制电子枪可输出的最大流 强。另一种给电子枪供电的方法是独立供电，可以不受高电压的影响。即用一 台小型永磁发电机安装在高压电极内，同时在地电位端安装一台调速电机，通 过绝缘棒拖动永磁发电机向电子枪供电。这种方法调节方便，不受高压限制， 较为理想，但是在高气压绝缘气体中多了一对高速运转的电机，多了一份出现第31页共63页故障的可能。至于低能段，如某些电子帘加速器，因为端电压低，采用隔离变 压器可能更为经济和方便。一一 4ml4台-售金1r；：；：；：；：；小卜I：小2/；：；：；：；：；：3 一一=匚图2-30间热式电子枪结构图1-阴极2-聚焦极3-阳极4-灯丝图2-31间热式电子枪结构实物2. 2. 2.加速结构电子束被加速获得能量是在加速结构中实现的。不同类型的加速器，其加 速结构是不一样的。例如，直流高压加速器的加速结构是一个整体耐电压达 MV级的管状真空器件，称为加速管（电子帘加速器不在此列，见后述）；直线加 速器的加速结构也是管状，不过它并无高压要求，而是由金属身体制成，习惯 上也叫它加速管，但实际上它是一种波导管；单腔加速器和Rhodotron的加速 结构就不是管状了，而是尺寸较大外形呈圆桶状的高频谐振腔，简称谐振腔或 加速腔。以上这些加速结构虽然彼此大不相同，但却有一个共同点，那就是其 内部都必须保持高真空。否那么，由于气体分子的碰撞，电子在里面将寸步难 行。第32页共63页 在高压加速器中，加速管是一个非常关键的部件。它必须具备以下性能: 第一，它必须长期可靠地耐受加速器MV级全电压，并在加速管的内部, 从高压到地，建立起轴向均匀分布的电场 加速场。第二，作为电子束的加速和传输通道，加速管内部必须保持高真空(不低于 10-4 Pa),因此，就要求加速管的制造必须确保绝缘环与金属片之间的焊接或胶 接要十分可靠。例如，一根3MV的钛-陶瓷焊接高压加速管，其中包括了近90 个陶瓷环和大体差不多数量的钛电极片，将它们焊接并组装成一根加速管，总 计有近180道焊缝，每道焊缝长达半米。在如此多而长的焊缝中，不允许有任 何微小的泄漏存在。此外，加速管还是一个内部充满着大量放气面的真空容 器，因此必须保持极高的清洁度。第三，高压加速器钢筒内充有的高压绝缘气体，因此加速管必 须具有足够的刚性和机械强度，保证牢固且不变形，以确保物理参数稳定。