电子高压加速器辐照装置研制

350KeV電子高壓加速器輻照裝置研製秦久昌崔山

周文振

崔志鹏

史政虎

吕忠诚

陈尚文

张立峰

崔宗渭

黄俊

尹蒙原子高科股份有限公司引言1.装置设计技术指标2.装置简介

2.1加速器总体结构设计

2.2加速器主体尺寸确定和电场计算

2.3电子枪和加速管

2.4高压倍压电源

2.5扫描磁场和真空盒

2.6控制系统3.装置调试

3.1减少中频电源无功功率

3.2改善钛窗冷却

3.3提高辐照剂量均匀性4.結果报告内容引言辐照加工产业是国民经济新的增长点。辐照加速器是辐照加工产业的至关重要设备。低能大功率加速器是辐照加速器的发展方向之一。它广泛用于材料改性、涂层固化、橡胶硫化、烟气净化、消毒灭菌等领域。研制本装置的目的是辐照生产医用塑料膜。在医院输液治疗中，长期采用玻璃瓶装药液，现在许多大医院改用塑料袋，具有很多优越性。一般塑料袋在高温、高蒸汽压下消毒灭菌时会变软，起皱，大量医用塑料袋的原膜材必须从国外购买。因此，国内研制和生产医用塑料膜材势在必行。生产医用膜材的最关键工艺是用低能电子束辐照塑料膜。国内一厂商用此台电子辐照装置，生产出合格的医用输液膜材并投放市场，填补了国内空白。

所研制的高压加速器辐照装置有两个主要特点。其一，将高压倍加器高压电源输出功率大和静电加速器主体结构紧凑的优点紧密结合。前者的高压倍压电源安装在后者的主体结构中，并置于充有SF6绝缘气体的钢筒内。此新型结构加速器输出低能大功率电子束，整体结构紧凑、体积小、自屏蔽、占地面积小，适于在线辐照加工；其二，一般高压倍压电源采取50Hz供电，而此装置的高压电源由14KHz中频供电，使其高压电源体积小。1装置设计技术指标装置的设计技术指标如下：（1）电子束能量350KeV；（2）电子束流强20mA；（3）能量不稳定度好于±3%；（4）束流不稳定度好于±5%；（5）辐照剂量80~100kGy；（6）扫描宽度70cm；（7）辐照剂量不均匀度好于±10%；（8）自屏蔽，在线辐照加工。2装置简介高压加速器电子辐照装置总体布局如图1所示。它由高压倍压电源、电子枪、加速管、聚焦透镜、扫描磁铁和扫描真空盒等组成。

图1高压加速器电子辐照装置总体布局2.1加速器总体结构设计加速器必须结构紧凑、体积小、并要自屏蔽和在线辐照。一般高压倍压加速器功率大，但工作在大气环境中，电击穿场强低。因此，高压电源、加速管、绝缘构架等设备庞大，占地面积和空间大；为防止射线辐射，要建造墙厚1m多的大屏蔽厂房，造价高。大气型高压倍压加速器难于实现在线辐照加工。一般高压静电加速器的电子枪（或离子源）、加速管、高压发生器是封闭在钢筒内，并充有高气压绝缘气体。因此，整个加速器结构紧凑、体积小。但静电加速器的高压是利用输电带（或梯、链）向高压电极充电形成的，其充电能力小，致使加速器输出功率小，难用于辐照加工生产中。所研制的高压辐照加速器经精心设计，将上述两种加速器的技术优势紧密结合，即将大功率高压倍压电源代替输电带，并安装在静电加速器的紧凑主体结构中。整个加速设备置于钢筒内，并充以高气压六氟化硫。此新型结构加速器输出功率大、体积小、自屏蔽、适于在线辐照生产，并总造价低。高压加速器总体结构如图2所示。

图2高压加速器总体结构高压电源绝缘支柱高压中板电子枪加速管磁透镜2.2加速器主体尺寸确定和电场计算

（1）主体尺寸确定由于高压倍压电源径向尺寸较大，因此，围绕它的加速器主体上的均压环直径不能太小，取ф70cm；由于加速器要求自屏蔽，为了有效屏蔽射线辐射，钢筒壁厚要大于4cm，因此，钢筒直径不能太小，否之，难于卷筒加工，取钢筒内径ф100cm。

（2）最大电场强度加速器安装上均压环后，加速器简化为一柱体，外套钢筒。因此，电场为两个同轴圆柱间的电场。经验公式给出加速器主体表面的最大场强：其中：高压V—350KV；均压环半径r—35cm；钢筒半径R—50cm。

另考虑对圆截面均压环形成柱面的修正，修正系数取1.7，最大场强：

（3）击穿电场强度对柱—筒电极系统，在不同气压下SF6气体的击穿场强由下面经验公式给出，其计算结果列于表1。

Edt为击穿场强（KV/cm），P为气压（MPa）。表1气压P—击穿场强Edt

由上粗略计算可知，加速器主体均压环和钢筒直径分别取ф70cm和ф100cm，SF6工作气压取3atm，当加速器高压为350KV时，击穿场强远大于加速器表面最大场强，即击穿电压大于工作电压。因此，加速器在350KV下可稳定运行。P（MPa）0.10.20.30.4(KV/cm)71.5121.2164.9205.32.３电子枪和加速管电子枪为二极电子枪，其阴极为直热盘香式铼钨丝，灯丝加热变压器3.5V/35A，由一台1KW，2.5KHz中频电源经400KV隔离变压器供电。从加速管的电阻分压中获18KV做电子枪引出电压。电子枪自身最大引出电子束可达80mA。加速管为金属陶瓷焊接加速管，加速管电梯度13KV/cm。在加速管内真空好于5×10-5Pa，外部SF6气体压力大于3atm条件下，加速管可耐压370KV。2.4高压倍压电源高压倍压电源由隔离变压器、中频电源、升压变压器和倍压塔组成，其工作原理如图3所示。图3高压电源工作原理

隔离变压器用于隔离中频电源对电网，及电网对中频电源的干扰。由于所研制的加速器要求采取自屏蔽，位于钢筒内的升压变压器和倍压塔的体积必须小，因此，采取中频供电。中频电源输出电压0~400V，工作频率20KHz，功率35KW。对称线路6级高压倍压，输出350KV/40mA。2.5扫描磁场和真空盒扫描真空盒钛窗900×60mm。扫描磁场频率40Hz，电流波形为三角波和正弦波叠加。扫描宽度700~800mm。2.6控制系统控制系统由PLC和计算机组成。加速器逻辑控制由PLC完成。运行参数和状态由计算机界面显示。设有真空、扫描欠流、油冷、水冷、风冷、阀门、门等安全联锁。3、装置调试调试期间加速器高压锻炼，很容易达到350KV，最高为370KV；加速器调束（真正用于调束时间很少），较快获得能量350KeV/流强15mA电子束，最高流强20mA。所遇到的主要问题出现在高压电源和束下设备（磁扫描、风冷、钛窗等）。对于低能电子束，束下设备遇到高能电子束不曾遇到的问题。现将调试期間所遇并解决的技术问题简述如下。3.1减少中频电源无功功率调试期间，遇到第一个技术难题是中频电源无功功率大（输出电流大）。改进升压变压器结构和加工工艺，降低中频电源工作频率，问题得到较好解决。

1）改进升压变压器结构和加工工艺

不断实验和改进升压变压器，最后所绕制的升压变压器采取了C型铁氧铁芯，特殊的线圈结构和布局，不同常规的绕制工艺和并联电容补偿。其次级开路空载测试时，原升压变压器初级电压/电流（中频电源输出电压/电流）400V/28A，现为400V/2.5A。该升压变压器减少了中频电源无功功率（输出电流）。2）调节中频电源工作频率高压升压变压器的负载是高压倍压塔，在实际工作中该塔等效为阻容特性，随着供电工作频率的不同，反射到高压升压变压器初级端的等效电容不同，该电容影响到高压升压变压器的工作状态，经多次反复调节中频高压升压变压器的电源工作频率和高压电源升压实验，最后，确定最佳中频电源工作频率为14KHz。3.2改善钛窗冷却钛窗的钛膜厚30μm，宽60mm×长900mm。加速器调束期间，350KeV/10mA的电子束，曾多次打漏（烧坏）钛窗。其原因是低能相对高能电子束穿过钛膜时能量损失大。350KeV电子束穿过钛膜时，在钛膜上能量损失约38KeV。350KeV/10mA~20mA电子束在钛膜上的加热功率380W~760W。出束时，如对钛窗不进行充分冷却，时间稍长必然会烧坏钛窗。图4电子束能量和在钛膜上的能量损失

3.3提高辐照剂量均匀性辐照剂量均匀性与扫描磁场频率和波形等因素有关。原设计扫描磁场频率25Hz，波形为三角波和正弦波叠加。调束期间，采用电子束辐照灰塑料板，观测电子束的均匀性。开始，被扫描的电子束极不均匀，有时塑料板中间被烧糊，有时两边被打成“黑团”。依据对束斑不均匀性的分析，多次反复调节扫描频率和波形，最后确定较好的扫描频率为40Hz，较理想的波形如图5所示。图5扫描磁场的电流波形对辐照剂量均匀性进行了测量。在电子束被扫描方向70cm范围内（要求的扫描宽度）等距离放5个剂量片。电子束能量350KeV，流强120μA，剂量片被辐照3.5分钟，其测量结果如下。表3辐照剂量剂量片No.12345剂量kGy158165181182158辐照剂量均匀度：此结果好于