（精密仪器及机械专业论文）紧凑型低能高功率LINAC加速管及其同轴吸收负载的热特性研究.pdf

摘要 摘要 近年来，低能高功率电子直线加速器在医疗，工农业，食品行业以及军事等 领域得到越来越广泛的应用，随着辐射加工产品的多样化、生产的异地化以及国 家反恐任务中的复杂性和多样性，对辐照装置的高功率、小型化和高机动性提出 了迫切的需求。 微波剩余功率吸收负载是加速器必不可少的组成部分，传统的通过输出耦合 器连接于加速管末端的干负载是使高功率直线加速器小型化的主要瓶颈。本课题 的主要任务就是探索和研究一种能够替代干负载的同轴负载结构，以使加速器结 构紧凑、横向体积小。同轴负载结构的实现可使聚焦线圈和加速管冷却系统的安 装变得方便，使束流品质得以提高。 高功率直线加速器同轴吸收负载能否实现，有两个关键问题需要解决：找 到高功率微波吸收材料并研究其在加速腔内壁的涂覆技术。提出合理的同轴 负载冷却系统结构和系统参数设计方案，同时满足工程上的节能和低成本需求。 本文重点解决上述第二个关键问题。文中研究了加速管及其同轴吸收负载 的热特性，并在此基础上，探求其最佳冷却方法与冷却结构，以及最适吸波材料 涂层分布，并对冷却系统参数进行优化设计。研究涉及机械工学、传热学、电磁 学和加速器物理与技术等学科领域。研究工作采用热固电磁场耦合的数值仿真 方法。 为了研究加速腔体变形带来的频率偏移，首次将计算机辅助几何造型 ( c a g d ) 中的三维重建方法运用于加速腔的耦合仿真分析之中。基于插值蒙皮 理论，依据在热固耦合数值仿真中所获的有限元模型，反构出热变形后的加速 腔体几何模型，使之能够导入到c s tm i c r o w a v es t u d i o 中进行电磁场分析。实现 了异构平台上的加速腔体的结构电磁场耦合分析，准确分析出腔体热变形对其 谐振频率的影响，为腔体的结构设计、同轴负载的冷却系统设计提供了可靠依据。 在此基础上，深入研究了加速管的温度分布、热变形分布以及腔体的谐振频 率偏移分布与铜损功率及其沿轴分布，以及冷却系统结构参数( 冷却水道构型、 通流截面、水流量、入水温度等) 之间的关系，获得了规律性认识。 而后，提出了一种基于最小频率离散度的冷却参数的优化设计方法。通过改 变水流量和入水温度分别控制加速管各腔频率离散度和整体频率偏移量，实现了 使加速管整体频率偏移最小的目的。研究结果表明：相对于传统的基于温差控制 的方法，该方法大大减小了冷却水流量和水压差，能显著降低加速管冷却系统的 投入成本和运行成本。 接着分别研究了利用金属型吸波材料一k a n m a l 合金和磁介质型吸波材料 摘要 叫e s 认l 烧结材料作为吸收介质的同轴负载冷却策略，并研究了六腔同轴负载 在不同剩余功率下不同水流量下的热特性。研究表明，k a n t h a l 合金涂层同轴负 载，在水流量小于 3 k g s ，入水温度高于2 0 的要求下，只能吸收1 0 k w 的剩余 功率。而f e s i a l 合金涂层同轴负载在相同的冷却参数下，能吸收2 0 k w 的剩余 功率。 论文最后对带同轴负载的加速管的整体热特性进行了研究，结果表明加速段 和同轴负载段分别冷却不但可大大提高冷却效果，还可显著地节约资源。而分路 冷却只会对加速段和同轴负载耦合处的腔体略有影响。 本文研究工作得到国家自然科学基金加速器大功率同轴负载研制及高功率 微波吸收材料特性研究( n o 1 0 7 7 5 1 2 8 ) 的资助。 关键词：同轴吸收负载，直线加速器，三维重构，热变形，谐振频率偏移，冷却 系统，k a n t h a l ，f e s i a l a b s t r a c t a bs t r a c t l o w e n e r g ya n dh i g h p o w e rl i n a ci sn o ww i d e l yu s e di ni n d u s t r y , a g r i c u l t u r e ， m e d i c a ls e r v i c e ，m i l i t a r ya n dn a t i o n a l s e c u r i t y i n o r d e rt oa c c o m m o d a t et h e d i v e r s i f i c a t i o na n do f f - s i t ep r o d u c t i o no fr a d i a t i o n p r o c e s s i n gp r o d u c t s ，a sw e l la s t h ec o m p l e x i t ya n dd i v e r s i t yo fn a t i o n a la n t i - t e r r o r i s mt a s k s ，t h ei r r a d i a t i o nd e v i c e s a r er e q u i r e dt ob eh i g h p o w e r , s m a l l - s i z ea n dh i g h - - m o b i l i t y m i c r o w a v ea b s o r b i n gl o a do fr e m a n e n tp o w e ri sa l li n t e g r a l p a r to ft h e a c c e l e r a t o r t h et r a d i t i o n a ld r yl o a dw h i c hi sa t t a c h e dt ot h ee n do fa c c e l e r a t o rt u b eb y u s i n go u t p u tc o u p l e ri st h em a j o rb o t t l e n e c ko ft h em i n i a t u r i z a t i o n t h em a i nt a s ko f t h es u b j e c ti st or e s e a r c ha n dr e a l i z eac o l l i n e a rl o a dw h i c hc a nr e p l a c ed r yl o a da n d m a k ea c c e l e r a t o rs t r u c t u r ec o m p a c t t h ec o l l i n e a rl o a dc a nb r i n gc o n v e n i e n c et of i x t h ef o c u sc o i l sa n dc o o l i n gs y s t e ma n de n h a n c et h eq u a l i t yo fb e a m t h e r ea r et w ok e yp o i n t si nt h er e a l i z a t i o no fh i g h p o w e rc o l l i n e a rl o a d t h ef i r s t i st of i n dh i g h - a t t e n u a t i o nm i c r o w a v ea b s o r b i n gm a t e r i a l sa n da na p p r o p r i a t ec o a t i n g t e c h n o l o g y 1 1 1 es e c o n di st op r o p o s ear e a s o n a b l e ，e n e r g y s a v i n g ，l o w - c o s ts o l u t i o n t od e s i g nt h es t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so fc o l l i n e a r1 0 a dc o o l i n gs y s t e m t h i s p a p e rf o c u s e so nt h e s e c o n dp o i n t a tf i r s t , t h e r m a lp e r f o r m a n c eo f a c c e l e r a t i n gt u b ea n dt h ec o l l i n e a ra b s o r b i n gl o a da r er e s e a r c h e d b a s e do nt h er e s u l t s ， b e s tc o o l i n gm e t h o da n dc o o l i n gs t r u c t u r ea n dt h em o s ta p p r o p r i a t ed i s t r i b u t i o no f a b s o r b i n gc o a t i n ga r es t u d i e d ，a n dt h e nt h ep a r a m e t e r so ft h ec o o l i n gs y s t e ma r e o p t i m a l l yd e s i g n e d t h er e s e a r c hw o r kr e f e r st om e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ，h e a tt r a n s f e r t h e o r y , e l e c t r o m a g n e t i s ma n d a c c e l e r a t o rt h e o r i t i c a la n d a p p l i e dt e c h n o l o g y h e a t - s o l i d e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u p l e dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o di sa d o p t e d 3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，w h i c hi sc o m m o ni nc a g d ，i se m p l o y e dt os t u d yt h e f r e q u e n c yc h a n g e so ft h ed e f o r m e dc a v i t i e sf o rt h ef i r s tt i m e i nt h ep r o c e s so f r e c o n s t r u c t i o n ，t h ei n t e r p o l a t i o ns k i n n i n gs u r f a c et e c h n o l o g yi su s e dt or e b u i l dt h e d e f o r m e dg e o m e t r i cm o d e lo ft h ea c c e l e r a t i n gc a v i t i e sb yt h ef i n i t ee l e m e n tm o d e l o b t a i n e di nn u m e r i c a ls i m u l a t i o n t h ed e f o r m e dg e o m e t r i cm o d e lc a nb ee x p o r t e dt o c s tm i c r o w a v es t u d i ot od ot h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i s ，s oa st or e a l i z et h e s t r u c t u r e - e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc o u p l e da n a l y s i so fa c c e l e r a t i n gc a v i t i e si ni s o m e r i s m p l a t f o r m t h i sm e t h o dc a l le v a l u a t et h ea c c u r a c yi n f l u e n c eo nr e s o n a n tf r e q u e n c yb y t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，a n da l s op r o v i d e sr e l i a b l ec r i t e r i o no nt h ed e s i g no fc o l l i n e a r l o a d sc o o l i n gs y s t e m i l l a b s 卫r a c t b a s e do nt h e3 dr e c o n s t r u c t i o nm e t h o d ，t h er e l m i o n sb e t w e e nt h et e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n ，t h et h e r m a ld e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n ，t h ef r e q u e n c yc h a n g e sa n dt h e c o p p e rl o s s ，t h ep a r a m e t e r s ( s t r u q t u r e ，a d m i t t a n c ea r e a ，w a t e rf l u x ，t h et e m p e r a t u r eo f t h ew a t e r ) o fc o o l i n gs y s t e mi sr e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri n - d e p t h t h e n ，ak i n do fo p t i m i z a t i o nd e s i g nm e t h o do ft h ec o o l i n gp a r a m e t e r sb a s e do n t h em i n i m u mf r e q u e n c yc h a n g e so ft h ec a v i t i e si sp r o p o s e d i nt h i sm e t h o d ，t h e d i s p e r s i o na n do v e r a l lc h a n g eo f t h ec a v i t i e s f r e q u e n c yc a nb ec o n t r o l l e db yc h a n g i n g w a t e rf l u xa n di n l e tt e m p e r a t u r eo fc o o l i n gw a t e r i ti si n d i c a t e dt h a tc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o db a s e do nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，t h i sm e t h o dr e d u c e st h e c o o l i n gw a t e rf l u xa n dw a t e rp r e s s u r ed i f f e r e n c eg r e a t l y ，a n do b v i o u s l yb r i n g sd o w n t h ei n v e s t e da n dr u nc o s to fc o o l i n gs y s t e m c o o l i n gs t r a t e g i e s o fc o l l i n e a r a b s o r b i n g l o a dc o a t e dw i t hk a n t h a l a l l o y ( r e s i s t a n c e t y p ea b s o r b i n gm a t e r i a l ) o rs i n t e r e df e s i a la l l o y ( m a g n e t i ch y s t e r e s i s a b s o r b i n gm a t e r i a l ) a r es t u d i e d t h e nt h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h es i x - c a v i t yc o l l i n e a r l o a di sr e s e a r c h e du n d e rt h ec o n d i t i o n so fv a r i o u sr e m a n e n tp o w e ra n dd i f f e r e n tw a t e r f l u x i ti ss h o w nt h a tt h ec o u i n e a rl o a dw i t hk a n t h a la l l o yc o a t i n g sc a no n l ya b s o r b r e m a n e n tp o w e ro f10 k ww h e nt h a tw a t e rf l u xi ss m a l l e rt h a n3 k g sa n dt h ei n l e t t e m p e r a t u r ei sh i g h e rt h a n2 0 c w h i l eo nt h es a m ec o o l i n gc o n d i t i o n ，t h ec o l l i n e a r l o a dw i t hf e s i a lc o a t i n g sc a na b s o r bt h er e m a n e n tp o w e ro f2 0 k w 砀eo v e r a l lt h e r m a lp e r f o r m a n c eo ft h ea c c e l e r a t i n gt u b e 孵油c o l l i n e a ra b s o r b i n g l o a di s f i n a l l ya n a l y z e d i ti s s h o w nt h a ts e p a r a t i o no fc o o l i n gs t r u c t u r e sf o r a c c e l e r a t i n gt u b ea n dc o l l i n e a rl o a dc a ne n h a n c et h ec o o l i n ge f f e c tg r e a t l y , a n da l s o s a v e se n e r g yh i 曲l y t h et w o w a yc o o l i n gs t r u c t u r eo n l yb r i n g sl i t t l ee f f e c t st oj o i n t c a v i t i e so fa c c e l e r a t i n gt u b ea n dc o l l i n e a rl o a d ，n l er e s e a r c hw o r ki ss p o n s o r e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o 10 7 7 512 8 ) k e yw o r d s ：c o l l i n e a ra b s o r b i n gl o a d ，l i n a c ，3 dr e c o n s t r u c t i o n ，t h e r m a ld i s t o r t i o n ， r e s o n a n tf r e q u e n c yc h a n g e ，c o o l i n gs y s t e m ，k a n t h a l ，f e s i a l i v 插图目录 插图目录 图1 11 0 m e v 辐照加速器装置示意图2 图1 2 保存2 个月的受辐照( 右) 与未受辐射大蒜的对比5 图1 3 保存2 个月的受辐照( 左) 与未受辐射意大利火腿对比6 图1 - 4b e p c i i 大功率干负载7 图1 5s 一波段2 m e v 带同轴负载加速管照片8 图1 - 6x 一波段带同轴负载的行波加速管照片8 图1 7 吸收负载腔( 涂层材料为k a n t h a l 合金) 9 图1 8 加速器大功率同轴负载研制及高功率微波吸收材料特性研究总体方案 图1 3 图2 1 有限元单元变形过程示意图1 9 图2 2 悬臂梁变形结构的重建2 0 图2 3 盘荷波导的重建2 0 图2 4 直线段拟合圆弧的拟合误差2 0 图2 5n u r b s 曲面插值的一般过程2 3 图2 - 6c 2 连续的三次n u r b s 闭曲线构造示意图2 4 图2 7 四节点c 2 连续的n u r b s 曲线2 5 图2 8 蒙皮曲面插值示意图2 6 图2 - 9 蒙皮曲面插值的过程2 6 图2 1 0 单腔模型的规则网格划分2 7 图2 1 1 盘荷波导腔体变形图( 半腔) 2 8 图2 1 2 重建过程的程序流程图2 9 图2 1 3 腔体内真空实体的重构过程2 9 v 插图目录 图2 1 4 腔体谐振频率与m w s 网格数的关系3 l 图2 1 5 三维实体重建的变形腔体的电磁场分布3 2 图2 1 6 重建中盘荷波导的均匀变形对频率的影响3 3 图2 1 7 实体重建中的不同形貌变形3 4 图3 1 在有、无束流时的加速管功率损失3 9 图3 2 多种加速管冷却结构图3 9 图3 3 螺旋冷却结构的仿真建模( 半边结构) 4 1 图3 4 有、无束流时加速管温度分布云图( 水流量1 0 k g s ，入水温度2 6 5 c ) z i ! ； 图3 - 5 加速管变形分布云图( = 1 o k g s ，死= 2 6 5 。c ，= 9 1 9 k w ) 4 6 图3 - 6 无束流时c 5 0 的径向变形云图4 7 图3 7 基于经验设计方法的频率偏移5 0 图3 8 加速管频率离散度随水流量的变化关系5 2 图3 - 9 腔体频率偏移与入水温度的关系( 水流量为1 0 k g s ) 5 3 图3 - 1 0 腔体频率偏移与入水温度的关系( 水流量为0 5 k g s ) 5 3 图3 1 1 腔体频率偏移与入水温度的关系( 水流量为2 0 k g s ) 5 4 图3 - 1 2 加速管温度分布图( = 7 1 2 k w ，死= 2 7 2 5 。c ，= 1 o k g = ) 5 6 图4 1 等衰减负载结构的功耗分布6 2 图4 2 功率分别加载在阑片面和周面上的单腔热变形云图6 4 图4 - 蔓鬯腔平均温度分布及平均热变形与功率损耗的关系6 5 图4 4k a n t h a l 合金涂层的分布6 5 图4 5 一体化冷却同轴负载加速管纵截面的温度与热变形沿轴向分布6 7 图4 - 6 两路供水冷却示意图6 7 插图目录 图4 7 对称双螺旋冷却结构6 8 图4 8 负载冷却系统的沿管水压差与水流量的关系6 9 图4 - 9 同轴负载纵截面温度沿轴向分布，p r 。- - - - 1 0 k w ，q m = 3 o k g s 6 9 图4 1 0 同轴负载腔体平均温度，p r c = 1 0 k w 7 0 图4 1 1 同轴负载纵截面热变形分布云图，p 。e = 1 0 k w ，q m - - 3 o k g s 7 1 图4 1 2 负载腔的谐振频率偏移，p 他= 1 0 k w 7 1 图4 - 1 3 腔体平均温度沿轴向分布，p f e - 1 5 k w 7 2 图4 - 1 4 同轴吸收负载纵截面热变形分布云图，p ，。= l5 k w , q m = 3 o k g s 7 2 图4 1 5 负载腔的谐振频率偏移，p r 。= 1 5 k w 7 3 图5 1 等功耗同轴负载结构f e s i a l 涂层分布图7 9 图5 2 同轴负载纵截面温度分布和变形分布图8 0 图5 3 尾部铜块和第六阑片的平均温度与上：的关系8 1 图5 4 优化冷却水道长度后的同轴负载径向变形图8 2 图5 5 同轴吸收负载实体模型8 2 图5 - 6 等功耗同轴负载结构腔体与涂层温度分布j 8 2 图5 7 等功率同轴负载结构热变形云图8 3 图5 8 等功耗同轴负载结构的腔体频率偏移8 3 图5 - 9 对流换热系数与流量的关系8 7 图5 1 0 同轴吸收负载沿轴向温度分布9 0 图5 1 1 同轴负载腔体平均温度沿轴向分布图( 瓦- - - 2 3 。c ) 9 0 图5 1 2 同轴吸收负载纵截面热变形分布云图9 2 图5 1 3 波导内表面径向变形沿轴向分布9 2 图5 1 4 同轴吸收负载的腔体谐振频率偏移沿轴分布9 3 v 插图目录 图5 1 5 同轴负载冷却系统水压差随螺旋节距及隔板高度的变化9 6 图5 1 6 水压差随通流截面当量直径d e 的变化关系。9 6 一_ 一 图5 1 7 不同隔板高度下同轴负载腔体平均温度9 7 图5 1 8 带同轴负载加速管温度沿轴向分布图9 8 图5 1 9 带同轴负载加速管径向变形沿轴向分布图9 9 图5 2 0 调整冷却水入水温度后带同轴负载加速管的温度和变形沿轴向分布1 0 0 图5 2 l 带同轴负载加速管的温度和变形沿轴向分布1 0 1 v l 表格目录 表格目录 表1 1 电子直线加速器在食品行业的应用简表5 表2 1 盘荷波导内表面不同形面变形的频率偏移研究3 4 表3 11 0 m e vl i n a c 不同功率下加速管上的功率参数表3 7 表3 2 直水套和螺旋水套的冷却效果比较4 0 表3 3 无氧铜和不锈钢的物性参数4 l 表3 4 管体温度分布r 、水压差a p 与隔板高度p 的关系4 2 表3 5 管体温度分布r 、水压差a p 与隔板高度日的关系4 2 表3 - 6 不同流量下的加速管温度分布计算结果( 瓦= 2 6 5 。c ) 4 3 表3 7 加速管腔体变形与频率偏移计算结果( 水流量1 0 k g s ，入水温度2 6 5 c ) 4 8 表3 8 基于经验设计的不同流量下的推荐入水温度( 初始入水温度毛- 2 6 5 c ) 5 0 表3 - 9 优化入水温度后的腔体变形和频率偏移计算结果。5 5 表3 1 0 两种方法得到的入水温度比较5 6 表4 1k a n t h a l 合金喷涂层的物性参数6 0 表4 2 等功耗负载结构腔体的衰减系数以及q 值，a = 1 5 d b ，履2 0 0 1 1 8 7 “6 3 表4 3k a n t h a l 合金的功率损耗分配，p r e _ 1 0 k w 6 6 表4 4k a n t h a l 涂层同轴负载热特性计算结果( t m 一2 3 ) 7 3 表5 1f e s i a l 合金材料的物性参数7 8 表5 2 等功耗负载结构涂层分布( 匕= l o k w ) 7 9 t x 表格目录 表5 3 不同流量下的各腔功率损耗分布优化结果8 8 表5 - 4 吲虎分布优化结果及相应的涂层分布( 匕= l o k w ) 8 8 表5 - 5f e s i a l 同轴负载的热变形。9 1 表5 - 6 负载段冷却系统不同功率下的最优入水温度( t , = 2 3 c ) 9 5 表5 7 不同隔板高度下同轴负载腔体的变形与频率偏移，p , 。= 2 0 k w 9 7 表5 8 带同轴吸收负载的i o m e vl i n a c 的零束流时功率参数与优化冷却参数 1 0 0 x 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名签字日期：凌 竺。! ! ! ! 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 口保密( 年) 导师签名：) 羔逝i 导师签名： ) 【坚丛啦 签字日期：驼i 垒吐旦 签字日期：舢i d 6 - t o 第1 章绪论 1 , 1 研究背景与现状 1 1 1 电子直线加速器 第1 章绪论 电子直线加速器是一种以直线方式加速电子以获得高能电子束的装置与直 线电子感应加速器，静电加速器不同，电子直线加速器是依靠微波射频场来加速 电子的，电子直线加速器中所采用的加速管可分为驻波型与行波型两类基本形 式。 驻波型加速管在加速段的末端不接吸收负载，而是接短路面，使微波能量在 加速腔内多次反射，形成驻波场，在驻波场下电子沿轴线方向不断前进同时给以 加速，产生能量传递，使电子获得高能量。在结构方面，驻波型加速管通常做成 全密封结构。整管经过处理后，其静态真空度达1 3 3 l o 吒1o 7 p a ，工作时需保 证为1 3 3x1 0 一p a 。因此，从工艺上，它的要求比行波型更为苛刻。 行波型加速管在加速管终端，剩余的微波功率经过输出耦合器输出到终端吸 收负载，然后通过冷却设施带走。行波型加速管的加速段结构通常为盘荷波导， 行波电子直线加速管中，电子束沿着加速段轴线以直线形式通过阑片中心孔。同 时由微波功率源，如磁控管、速调管等，提供微波功率，经过微波功率传输系统 送到加速段，在管体中形成行波加速电场，并与电子速度“同步”，不断对电子 束进行加速。目前大多数应用的电子直线加速器均为行波型，大部分工作都在s 波段，少数工作于l 、x 和c 波段。 自从1 9 3 2 年美国科学家柯克罗夫特( j d c o c k c r o f t ) 和爱尔兰科学家沃尔顿 t s w a l t o n ) 建造成世界上第一台倍加加速器，获得了1 9 5 1 年的诺贝尔物理奖 以来，之后的五十年多年来电子直线加速器及其应用都获得了迅速的发展 1 】。 尽管电子直线加速器的用途多种多样，性能指标也差异很大，但其基本组件是相 同的。其主要部件包括：电子枪，调制器，功率源，微波传输系统，加速管，聚 焦系统，真空系统，控制系统，恒温系统，束流输运系统和附属设备等。其工作 第1 章绪论 过程如下：首先由调制器产生高压脉冲，激励功率源在加速管中建立加速场。另 从电子枪引出电子束，电子柬流注入加速管，受到射频场加速。聚焦系统保证柬 流在加速过程中顺利通过加速管。 图1 - 1 为中国科学技术大学自行研制的1 0 m e v 辐照加速器装置示意图【2 】。 电子束由输出窗射出，经扫描磁铁，最后经由钛窗出射到达使用区域。 图1 - 1i o m e v 辐照加速器装置示意图 1 1 2 低能电子直线加速器及其应用 低能舶速器的应用是核技术应用领域的重要分支，目前。在世界各地运行着 的数千台加速器中9 0 左右在使用的为中低能( 0 3 m c v - 2 0 m e v ) 电子直线加速 器，大多数是在工业、农业、医疗卫生、安全、环保和军事等领域内得到广泛应 用的低能加速嚣。低能加速器在这些领域的应用，极大地改变了这些领域的面貌， 创造了巨大的经济效益和社会效益。 1 ) 医疗 电子直线加速器产生的高能电子柬或电子柬打靶产生的x 射线的电离辐射 效应可使癌细胞致死以达到治愈肿瘤的目的。在医疗领域，电子直线加速器可 于放射治疗、医用器具、卫生材料的辐照消毒。 自1 9 5 3 年英国在h a m m e r s m i t h 医院安装了第一台8 m e v 的电子直线加速 第1 章绪论 器并成功用来治疗肿瘤以来【3 】，现在利用电子直线加速器进行肿瘤治疗已经成 为一种常规的有效手段了。与传统的钴源相比，电子直线加速器有下述优点： ( 1 ) 射线能量高； ( 2 ) 强度大，治疗时间短： ( 3 ) 穿透力强，焦点小，副作用小； ( 4 ) 不存在半衰期的问题。 ( 5 ) 环境安全 所以，现代放射治疗几乎完全采用电子直线加速器。近十几年，为适应临床 医学的要求，以医用电子直线加速器为代表的外照射放疗设备呈现出前所未有的 技术快速提升、设备不断推陈出新的发展态势。在国内已有许多商业化的成熟产 品和一系列生产厂家，如山东新华医疗设备公司，深圳玛西普，山东威达等 4 ， 5 】。国外知名公司有德国西门子，美国瓦里安、瑞典医科达等。 我国从国家“六五 计划开始，几乎以医用电子直线加速器为代表的放射治 疗设备均列入了国家科技攻关计划。2 0 0 0 年，三维调强放射治疗计划系统被列 入国家“8 6 3 计划。更多的项目列入国家中小企业创新基金或列入地方新品开 发以及自然基金计划。特别值得一提的是，2 0 0 1 年，国家计委首次将医疗器械 列入国家产业化国债支持项目，其中代表放射治疗设备高端产品的调强治疗系统 已经被列入重点支持项目。政府的支持不仅加强了产学研的结合，推动了社会资 金向放射治疗设备领域的进入，为产业群体的发展创造了条件。 世界卫生组织( w h o ) 建议，每百万人口的治疗用加速器数应为2 3 台。 据中华放射肿瘤学会公布的我国放疗设备第五次调查结果显示：截止2 0 0 6 年我 国约有9 1 8 台医用电子直线加速器在使用 6 】，相对于2 0 0 2 年第四次调查结果的 5 4 2 台有了很大的增长，但是这个数量仅相当于每百万人口0 7 台，而发达国家， 如日本，约4 台，美国甚至达到了每百万人口1 0 台【7 。美国对直线加速器的需 求在2 0 1 0 年有望达7 5 亿美元的规模。这说明，以医用电子直线加速器为主的 放疗设备今后在国内有很大的市场。 2 ) 工业 电子直线加速器在无损检n 8 ，9 】、辐射改性 1 0 】、同位素产生 1 l ，1 2 】、烟 3 第1 章绪论 气脱硫脱氮【1 3 1 5 1 、辐射诱变育种 1 6 ，1 7 】等方面都获得了广泛的应用。大部分 工农业上应用的电子直线加速器的能量均在1 - 3 0 m e v ，它们的特点是束流功率 强，束流和能量可在相当宽广的范围内调节。 大型金属构件的探伤因其厚度致使超声波探伤等常规手段遇到了困难，而电 子束打靶产生的高能射线可解决这一难题，可进行大型轴件结构检查、火箭发动 机检查、海关集装箱检查等。 利用辐照，可以改善高分子材料的性能，电子束与物质相互作用的电离效应 会使聚合物产生一系列的化学反应，如辐射交联、接枝或降解等等。辐射使高分 子的分子结构发生变化，因而导致其物理性质，化学性能发生变化。选择不同的 高分子材料配方，可以得到性质不同的辐照效应的材料。如以交联作用为主的聚 乙烯、天然橡胶等；以降解为主的四氟乙烯、绵纤维素等。利用效率可高达7 0 ， 可用加速器辐照改性的产品增多，如耐高温光纤组合线、发泡塑料、聚乙烯 带、热缩套管等。国内原子能科学研究院自行研制的1 0 m e v 电子辐照加速器主 要应用于辐照快速、高频电力半导体器件 1 8 】，久远科技股份有限公司从俄罗斯 引进的1 0 m e v 电子行波直线加速器专门用来线缆和热缩套管力l ：l - v 1 9 】。而在国 外，特别是欧美日等发达国家的辐照加工产品应用已十分广泛，年产值高达数千 亿美元。 3 ) 食品辐照加工 经过长期的研究和数据积累，食品和农副产品辐照加工的科学安全性得到了 科学的确认。1 9 8 0 年，f a o i a e a w h o j e c f i ( 联合国粮农组织国际原子能 机构世界卫生组织辐射食品安全性联合专家委员会) 联合提出：“任何食物受到 剂量不大于1 0 k g y 的辐射都是安全的，不会因辐照引起毒性危害。因此，用辐 照方法处理的食物是安全卫生的，不需要进行毒理学方面的检验”【2 0 】，而在1 9 9 9 年，i a e a w h o 的一个研究小组的研究报告指出，高于1 0 k g 3 辐射剂量的食物 也是安全卫生的【2 1 】，这些结论极大的推动了食品辐照产业的发展。表1 1 为电 子直线加速器在食品行业的应用简表。 4 第1 苹绪论 表1 - i 电子直线加速器在食品行业的应用倚表 序号辐照目的辐照物品 杀虫灭菌( 沙门氏苗、畜禽肉类及其制品，如冻肉、火腿、罐头 弓形浆虫卵、瘫牛病、 等 0 1 5 7 病毒等)水产品粪如鱼、虾、蟹、贝等海鲜 方便食品、饮料 抑制发芽大蒜，洋葱，土豆等 储存保鲜 新鲜水果，粮食，干果，调味品等 推迟成熟番茄蘑菇冬笋等 食品中所含的毒素如音禽肉、水产品中 5 毒素降解 的氯霉素等 与医疗领域的应用不同，目前世界专门用于食品辐照加工的定型产品很少。 我国原于能研究院，高能所，宁波超能科技股份公司以及中国科学技术大学己研 制出这类加速器，其中浙江宁波超能科技股份公司和中国科学技术大学研制的辐 照加速器分别在浙江余姚和河南漯河运营 2 2 2 4 1 ，用于食品等产品的辐照。国外 如美国、俄罗斯、比利时、韩国都已研发丁约i o k w 的这类加速器 2 5 - 2 8 】。 l u c h s i n g e r ，b l a n k0 ，f i e l d i n g ，呼玉山等学者对辐照对各种食品的灭菌保鲜的 效果做了广泛的研究 2 9 3 3 1 。图1 - 2 中所示的大蒜在辐照2 个月后来见发芽( 右 边) ，而未经辐照的己发芽很高了，图1 - 3 中的意大利熏火腿辐照两个月后未发 现变质( 左边) ，而未经辐照的己鼓袋变质。 图1