ESS_010_03电子直线加速器的结构及其几种性能指标测试方法.pdf

文章编号 1000 8551 2007 01 056 05 ESS 010 03 电子直线加速器的结构及其几种 性能指标测试方法 陈志军 戚文元 吴富兰 张 华 沈 杰 陆智新 袁忠谊 上海束能辐照技术有限公司 上海 201401 摘 要 本文介绍了 ESS 010 03 型电子直线加速器的主要结构 工作原理 并详细介绍了加速器几种性能 指标的测试方法 关键词 电子直线加速器 结构组成 工作原理 测试方法 STRUCTURE AND MEASURE METHODS OF SOME PERFORMANCES OF ESS 010 03 ELECTRON LINAC ACCELERATOR CHEN Zh i jun QI Wen yuan WU Fu lan ZHANGHua SHEN Jie LU Zh i xin YUAN Zhong yi Shanghai Shuneng IrradiationTechnology Co Ltd Shanghai 201401 Abstract The structure working principle and measure methods of some performances of the ESS 010 03 Electron Linac were introduced in this paper Key words electron Linac accelerator structure performances measurement methods 收稿日期 2006 08 30 基金项目 上海市科技兴农重点攻关项目 沪科兴农办 2004 作者简介 陈志军 1973 男 江西泰和人 助理研究员 从事辐照加工研究与开发 Tel 021 37195193 E mail czjsn 126 com 通讯作者 戚文元 1963 男 上海人 副研究员 从事辐照加工研究与开发 电子加速器在农业上的研究和应用逐步引起了社 会各界的重视 1 3 为实现农业科技强市战略和上海 率先实现农业现代化的目标 加强先进农业技术的开 发和推广 上海市农业科学院从日本石川岛播磨重工 业株式会社 IHI 引进一整套 ESS 010 03 型电子直线 加速器辐照装置 包括束下传送系统 该装置在 IHI 安装调试完毕后 上海市农业科学院组织国内加速器 相关专家对其所有性能指标进行了测试和验收 3 8 本文介绍了该加速器的结构 并报道了该加速器几种 主要性能指标的测试结果 1 加速器系统结构和工作原理 1 1 装置结构组成 ESS 010 03型电子直线加速器装置的主要由六大 系统组成 具体见表 1 表 1 电子加速器的主要组成部分 系统名称 系统主要组成部件 辐照系统电子枪 聚焦线圈 加速管 电流变压器 扫描盒 扫描磁铁 钛窗 3 台离子泵 微波系统振荡器 信号增幅器 自动稳相控制器 速调管 聚焦线圈 导波管 四端环流器 定向耦合器 RF 窗 1 台离子泵 高压系统直流高压系统 脉冲调制器 脉冲高压站 脉冲变压器 转换电路 传送系统皮带传送带 辊轴传送带 履带传送带 气缸 不良品打孔机 光电系统 控制盘 控制系统中央控制盘 传送系统控制盘 加速器控制盘 电脑终端控制 辅助系统变压器 水冷循环系统 空压机 钛窗冷却装置 履带传送带冷却装置 SF6 臭氧触媒处理装置 束流阻挡板 空冷设备 1 2 系统工作简图加速器系统工作简图见图 1 56 核 农 学 报 2007 21 1 56 60 Journal of Nuclear Agricultural Sciences 图 1 加速器系统工作结构简图 1 3 加速器系统工作原理 2 4 1 3 1 驻波加速器原理 电子直线加速器是一种利 用高频电场加速沿直线形轨道运动的电子谐振加速装 置 根据加速方式的不同 又分为行波加速和驻波加 速 驻波加速是在柱形金属空管 波导 的适当位置设 置两个导体端面 利用行波的反射 形成一定驻波模式 的谐振腔 即驻波电场 在波导内输入射频微波 它可 激励各种模式的电磁波 其中 TM010 驻波模式在波导 中谐振频率是最低的 它沿轴线方向的电场有较大分 量 可用来加速电子 ESS 010 03型电子加速器采用的是轴耦合驻波结 构 由于电子的速度通常低于光速 而圆柱形波导与 谐振腔中最低模式驻波的相速度都大于光速 它不能 直接用于加速电子 但为了使沿轴线运动的电子始终 处于加速状态 要求电磁波在波导中的相速降低到与 被加速电子运动同步 则须在圆柱形波导与谐振腔中 采用一些慢波结构来慢化相速度 使它低于或大大低 于光速 驻波加速器中常采用边耦合 轴耦合或环耦 合驻波结构 1 3 2 ESS 010 03 加速器工作原理 1 3 2 1 脉冲高压电源 脉冲高压电源由脉冲高压 电源和直流高压电源系统组成 直流高压电源向脉冲 调制器提供 5 45kV 的直流高压 向充电变压器和电容 器进 行 谐 振 充 电 经 IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor 放电开关和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脉冲高压 在变压器次级 输出高压脉冲电压 脉冲变压器两个次级分别向速调 管和电子枪输出 132kV 和 30kV 的脉冲高压 1 3 2 2 微波系统和加速系统 晶体振荡器产生 2856MHz 的微波 经信号增幅器放大至 170W 在速调 管微波输入口输入 80W 的微波 速调管把微波功率源 放大到峰值功率 5 5MW 后 输出平均功率为 25kW 频 率为 2856MHz 的微波 经 RF 窗 波导 定向耦合器 四 端环流器等组成的微波传输系统传输 再通过氧化铍 波导窗 RF 窗 进入加速管 进入加速管的微波为 21kW 微波电源在加速管内产生运动的超高频电磁 场 对电子进行不断加速 自动频率控制器可根据在 定向耦合器处的正向波和反向波的反馈信号而自动对 晶体振荡器产生的微波频率进行控制 三极栅控电子枪由脉冲变压器上的脉冲高压站提 供30kV 的高压而处于脉冲状态 并持续稳定地发射高 能量电子流注入到加速管内 轴耦合驻波结构调节由 导波管传输到加速管里的微波的相速度使之逐渐由较 低的速度向光速提高 并与入射电子的速度同步 并随 着微波相速度的增大而不断使电子加速 最后达 到10MeV 再经双扫描磁铁扫描 扫描频率一般为 19 1Hz 后引出钛窗 形成一定宽度的电子束对传送装 置上的产品进行辐照 1 4 真空系统 在电子枪 加速管 RF 窗对面 扫描盒和速调管 处各有一个离子泵 对这些器件内部不断进行抽真空 在不出束时可达到 10 7Pa 的高真空 出束时亦可达到 10 6Pa 的真空度 1 5 水风冷却系统和控制系统 水冷却系统主要向加速管 速调管 波导窗 四端 环流器 直流高压系统和束下电子束阻挡板提供 30 的恒温水冷 温度变化不超过 1 风冷系统对波 导 钛窗和束下 SRCV13 履带传送带提供风冷 控制 系统主要由中央控制盘 加速器控制盘 传送系统控制 盘及计算机终端控制构成 它们对加速器的各个系统 均可实施单机与联机控制 57 1 期ESS 010 03 电子直线加速器的结构及其几种性能指标测试方法 2 加速器性能的测试 2 1 测量仪器与器材 岛津 1240 紫 外分光光 度计 CARY 4G UV VIS Spectrophotometer 1 5mA 量 程的 电流 表 导 电 水箱 1000mm 400mm 300mm 铝片 140mm 60mm 1mm 密度为 2 69g cm 3 聚苯乙烯楔子 1 06 g cm 3 低量程重铬酸钾银剂量计 CTA 三醋酸纤维素 薄膜剂量计 型号为 FUJIFILM FTR 125 1 29g cm 3 厚0 125mm 聚氯乙烯板 厚度为 1mm 所有测试过 程中 辐照室内温度均为 20 湿度为 60 2 2 束流能量的测量 2 2 1 铝片叠层法 按图 2所示方法 在钛窗的正下 方约 470mm 位置 放置铝片和CTA 剂量片的交替叠层 进行电子束照射 CTA 剂量片的厚度小于 Rp 12 可确 保足量的数据点绘制深度剂量分布曲线 Rp为铝片 中的预计的电子实际射程 线射程 本次测量预计约 为2cm 叠层的横向尺寸也不少于 3Rp 3Rp 可避免 边缘效应对剂量计的影响 叠层的总厚度 包括 CTA 剂量片的厚度 为 3 2225cm 大于 1 5Rp 照射条件 电子束扫描频率为 19 1Hz 扫描电流为 8 9A 脉冲重 复频率为 490Hz 电子束流峰值为0 2A 电子束流脉冲 宽度为10 6 s 束下传送带速度为 10mm sec 图 2 铝片和 CTA 剂量片叠层电子束照射示意图 用紫外分光光度计测量贴在各铝板上的 CTA 剂 量片的吸收剂量 把第 1 片 CTA 的吸收剂量视为表 面入射剂量 后每片 CTA 的吸收剂量均以此剂量作规 一化 每片 CTA 吸收的剂量与第一片吸收剂量的比 值 并把剂量规一化后的值做 y 轴 把铝片的等效深 度做 x 轴作深度剂量分布曲线图 见图 3 在图 3 的 曲线上取点 3 134053 1 339080 为起点 每 4 点为一 组作一直线 取其中斜率最大的直线与 x 轴的交点值 为Rm 质量射程 图 3 中 A 直线 y 0 5561x 3 0186 的斜率最大 A 直线与 x 轴的交点质量射程 Rm 为 5 428g cm 2 则 线射程 R p Rm 2 69g cm 3 2 018cm 利用以下经验公式 5 可求得电子束能量E E MeV 1 27 4 33Rp 0 0596R 2 p 10 3MeV 图 3 铝片电子束辐照等效深度剂量分布曲线图 2 2 2 聚苯乙烯楔形法 按图 4 所示方法在钛窗的 正下方约 470mm 位置 将聚苯乙烯楔形模体放置于产 品箱上 模体底边紧贴一条长约 10cm 的 CTA 剂量片 进行电子束照射 聚苯乙烯楔形模体长度为 20cm 厚 度为 10cm 大于 1 5Rp Rp为聚苯乙烯中预计的电子 实际射程 线射程 本次测量预计约为 4 8 5 0cm 照射条件与铝片叠层法同 图 4 楔形模体测量法示意图 用 CARY 4GUV VIS Spectrophotometer 在 CTA 剂量 片上每隔 2mm 扫描出一个吸光度值 并以吸光度值做 y 轴 把剂量片的位置 即楔子底边的位置 做 x 轴作 剂量片长度与吸光度分布曲线图 见图 5 在图 5 的 曲线上找到斜率最大的直线与 x 轴 的交点值为 104 2mm 可求得 Rp 104 2 3 3 2 50 45mm 5 045cm 3 3mm 处为剂量片的起点标记处 以此点作 58核 农 学 报21 卷 为 x 轴的零点 利用以下经验公式可求得电子束能量 E E MeV 1 76Rp 0 33 9 6MeV 图 5 楔子下 CTA 剂量片的位置与吸光度分布曲线图 2 3 束流平均值的测量 如图 6 所示 导电水箱的 2 3 装满自来水 水箱底 部用两根干燥的木头架空以绝缘 用导线一头连结水 箱 一头连结电流表 为便于观察读数 电流表置于辐 照室外 另一个接线端用导线接地 加速器脉冲重复 频率从100Hz 开始记录读数 束流峰值电流不变 逐 步调大脉冲重复频率 并观察电流表的读数 见表 2 本测量方法由中国原子能科学院周文振研究员提供 并指导测量 图 6 束流强度测量方法示意图 表 2 束流测量读数 脉冲重复频率 Hz 电流表读数 A 束流峰值电流 A 1002000 20 2004000 20 3006000 20 4008000 20 4909990 20 此方法简单易操作 因为电子几乎都收集在水箱 中且无散射 并通过导线经过串联的电流表 使读数既 方便直观又准确可靠 2 4 电子束束斑直径测量 按图 4 所示方法 在钛窗的正 下方 100mm 和 520mm 的位置 放置厚度为 1mm 的聚氯乙烯板进行电 子束的点照射 非电子束扫描方式 电子束流脉冲重 复频率为 10Hz 束流峰值为 200mA 电子束流脉冲宽 度为 10 6 s 聚氯乙烯板的变色部分为电子束束斑的 形状 以此确认其直径的大小 测得结果是 在钛窗正 下方 100mm 处 照射时 间 10s 电子 束束斑直 径为 12mm 在钛窗正下方 520mm 处照射时间 100s 的直径 为 35mm 但因这种测量方法受辐照时间的长短 聚 氯乙烯板材质的好坏及其厚度 变色部分的取舍等因 素的影响 此次束斑直径测量只作为参考 2 5 扫描宽度的测量和扫描剂量不均匀度的计算 扫描宽度和扫描剂量不均匀度是有关电子扩展的 两个重要运行参数 5 扫描宽度是剂量分布曲线中心 按工艺要求确定的相对于平均最大剂量一定份额的剂 量区间的宽度 扫描剂量不均匀度是扫描宽度内剂量 的不均匀度 对此按两种方式进行测量和计算 2 5 1 固定位置测量 按图 7 所示方法 在一根条形 板上每隔 12mm 布置一片 CTA 剂量片 两剂量片计中 心距离为 20mm 剂量片的宽度为 8mm 共计 37 片 将条形板固定于钛窗下的传送带上 剂量片距钛窗 520mm 进行固定照射 70s 照射条件 电子束扫描频率 为19 1Hz 扫描电流为11A 脉冲重复频率为200Hz 电 子束流峰值为 0 2A 电子束流脉冲宽度为 10 6 s 图 7 扫描宽度 CTA 剂量片 测量示意图 测量各剂量计的吸收剂量 并作扫描宽度剂量分 布曲线图 见图 8 测量结果表明电子束在钛窗下 520mm 处的扫描宽度可达到 600mm 扫描宽度内的各 点剂量不超过平均剂量的 5 图中的 A 虚线为平 均剂量 5 的线 B 虚线为平均剂量 5 的线 2 5 2 传送运动测量 考虑到辐照加工中扫描宽度 的实际应用受传送带宽度的限制 故采用最大尺寸为 600mm 的产品箱 在其正中央布一个低量程重铬酸钾 银剂量计 并依次往两边每隔 10mm 布一个剂量计 两 个剂量计中心距离为 20mm 剂量计的宽度为 10mm 共计 31 个剂量计 照射条件 电子束扫描频率为 19 1Hz 扫描电流为 11A 脉冲重复频率为 490Hz 电子 束流峰值为 0 2A 电子束流脉冲宽度为 10 6 s 束下 传送带速度为 170mm s 测量各剂量计的吸收剂量 并作扫描宽度剂量分 59 1 期ESS 010 03 电子直线加速器的结构及其几种性能指标测试方法 图 8 扫描宽度剂量分布图 固定位置测量 图 9 扫描宽度剂量分布图 传送运动测量 布曲线图 见图 9 测量结果表明电子束在距钛窗 520mm 的产品箱上表面扫描宽度可达到 600mm 宽度 为600mm 的产品箱在传送带上通过电子束扫描束时 其上表面可完全被一定份额的剂量区间宽度内的电子 束所辐照 符合辐照加工工艺的要求 致谢 在此感谢赖启基 周文振 张彦立 李兆先和 黄正新老师的大力支持和指导 参考文献 1 崔登来 施惠栋 等 电子束处理冻虾仁的质量评价 核农学报 2004 18 1 30 32 2 杨俊诚 潘伟 等 加速器7LI 3 注入小麦种胚内靶核反应的生物 学效应 核农学报 2004 18 2 89 92 3 王殿轩 李淑荣 等 电子束辐照对豆类发芽和谷物类食用品质的 影响 核农学报 2004 18 2 131 136 4 E