（机械工程专业论文）无损检测电子直线加速器总体设计及主体的研制.pdf

题目 研究生姓名 导师姓名： 学校： 论文摘要 无损检测电子直线加速器的总体设计及主体的研制 赵红 史金飞 东南大学 无损检 9 1 1 5 电子真线x 射线机的微型化殴计一直是国内外加速器行业的关注热点。本课题旨在研 制出高精度超小型无损检测电子直线加速器h p 乩( h i 曲p r e c i s i o nb a b yl i n 8 c ) 样机。： 作重点是要 求h p b l 样机的物理性能指标明显高于国外已有样机的同时，实现其结构上的微型化。目前尚未检索 到国内外相关结构的设计资料。h p 乩样机的研制成功将填补我国该项技术的空白。 本论文结合南京大学加速器研究中心所立专项课题“高精度超小型无损检测电子直线血l 速器 h p b l 样机的研制”，主要做以下几方面工作：采用将各主要部件小型化的力案以实现总体小型化设 计的目标；利用s o l i d w o r k s 、c a x a 软件完成h p b l 样机的总体、局部结构方案设计图及工程图纸； 设计合理a f c 稳频控制系统以实现磁控管的稳频：论文的重点在于针对h p b l 样机加速管主体结构( 加 速管阑片与环、恒温冷却系统、聚焦系统、辅助支撑) 的微型化特点，进行大量的实验研究，实现若 干细节结构的创新设计，同时解决以往加速管安装过程中遇到的技术难点问题：摸索出套高效、 经济、可靠的新型加工工艺，没计出关键的加速管阑片加工定位模具和水套辅助装配1 具。在加： 安装这1 一环节上，保证加速管主体结构的精度。 最终研制出的h p b l 样机达到设计的物理性能指标要求。在相同能量的条件下，照射率为国外 样机的3 倍。首次实现了国内无损检测电子直线加速器结构的小型化设计。样机测试结果验汪了本 设计的科学性。 关键词：电子直线加速器高精度超小型无损检洳 t i t l e m a s t e r ： d i r e c t o r a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dd e s i 曲o nt h ee l e c t r o ni i n a cw i t hu n d a m a g e dd e t e c t i o na n di t s k e yc o m p o n e n t z h a oh o n g s h jj i n f e i u n i v e r s i t y ： s o u t h e a s t u n l v e r s l t y t h eh p b l ( h 唔hp r e c i s i o nb a b y1 i n a c ) i st h e 矗r s tr & da c c e i e r a t o ri nt 1 1 i s 行e l do fi t sk j n di nc h j n ai n q u e s to fm i n i a t u r i z a t i o nj ns l 丌j c l u r et h i sb r i “g sac o m p l e t e l yn e wd i f n c u l tp r o b l e mf o ri t ss t n l c t u r ed e s i g n t h a th a s n ta n yr e f e r e n c eo re x a m p l ea th o m ea n da b r o a ds of h lt h e r e f o r e ，t h ed e t e 丌l 撕n a t i o no fs 仃u c t u r e a n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo fh b p li sa 剐l yn e wa n da ni n n o v a t i v es j g n 币c a n tb r e a l ( t 1 1 r 0 “g hi nt h e a c c e l e t a t o rn e l d t h er do fa c c e i e r a t i n gt u b es y s t e mo fh b p li sr e p o r 【e d t h em 8 i nf u l n l l e dt a s k si r l c l u d e ：t h e g l o b a la n dl o c a l s t r u c t u r ed e s i g ns c h e m eo fh b p li s 局n i s h e db yu s i n gas o l i d w o r ka n dc a x a s o f t w a r et h em a i nc o m p o n e n t sa n do p e r a t i n gp r i n c i p i ef o rh b p la r ei n t m d u c e di ng e n e r a la n das o u n d a f cc o n s t a i l tf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e mi se n g i n e e r e dt 0a c h i e v em a g n e t r o nn q u e n c ys 诅b i l i z a 秭o nt h ek 。y p o i n tj nt h i sl h e s i si sc h a p t e rn v ew h e f et h es t r u c t l ep a f t i c u l a r i t yo fh b p lm a i nb o d yi n c l u d i n gt 1 1 ed i s o a n di r i so fa c c e l e r a t j n gt u b e ，t h e r m o s t a t i ca 1 1 dc o o l i n gs y s t e m ，f o c u s i n gs y s t e ma n da u x m a r ys u p p o r t e ri s c o n s i d e f e db yc o m p a r i s o nw i t ht h em e c h a n i c a ls i r u c t u r ea n dm a n u f a c t u r i n gi e c h n o l o g yo fa c c e l e r a t o rt l l b e p a n si nt r a d i t i o n a jm e d i c a la n di n d u s 仃i a la c c e l e r a t o r si na l l ，m a n yj n n o v a t i o n so nt h es t m c t u r ed e t a i l so f t h ea c c e l e r a t o rt u b es y s t e mh a v es 0 1 v e da l lm ei e c | u l i c a la n dd i 衔c u l tp r o b l e m se m e 唱i n gd u r i n gt h e i n s t a l l a t i o no ft r a d i t i o n a 】a c c e l e r a t ( 】r s b yc o o p e r a t i o nw i t ht h em a n u f a c t l l r e lah i 曲一e 蚯c i e n t ，e c o n o my ， r e l j a b l en e wp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sb e e nf o u n dt h r o u g ht h ej m p r o v e m e n to ft r a d i t i o n a lm a n u f a c l u r i n g e q u i p m e n t sa n dt e c h n o i o g i e s t h en e wp o s i t i o n i n gm o d u l eo fd i s ka 1 1 di r i so fa c c e l e r a t o rt u b ea n dw a t e r w r a p p e ra s s e m b l i n gt o o l sa r ed e s i g l l e d t h e r e f o r e ，t h eg e n e r a lp h y s i c a lp e r f o r m a n c ea n ds p e c 洒c “o no f h b p lc a l lb eg u a r a n t e e di nt h es t c t u r ea 1 1 dt h ep r o c e s so f a c c e i e r a t o rt u b es y s t e i n g e n e r a l ，t h eb r a n d n e ws t r u c t 【j r eo fa c c e l e r a t o r t l l b e s y s t e ms a t i s 句i n gt h eo v e m l lp h y s i c a l p e r f b 丌n a l l c ea n ds p e c 湎c a t i o n so fh p b lh a sb e e nd e s i g n e da n dm a n l l f a c t u r e d i te v i d e n t l yh a sa ne x p o s u r e r a t e t r i p l e i h ei n t e m a t i o n a 】a v e r a g ei nt h es a m ec i r c u m s t a n c e st h i si n n o v a t i v ed e s i g nm a k e st h e m i n l a t u “z e da c c e l e r a t o rc o m ei n t ob e i n 叠i nc h i n a k e y w o r d s ： e l e c t r o nl i n a c h i g hp r e c i s i o n m i n i a t u r i z a 右o ni ns t r u c t u r e u n d a m a g e dd e t e c t j 。n 东南大学学位论文独创性声曝 本人声秘所呈交懿学位论文楚我个人在导师攒导下进芎亍的矫究工终及鞭褥黎砑究成鬃。器我 所知，除了文- 辛特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 暴，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过卉勺材料。与我一同工作的同 志对本研究赝撤瓣任何贡献均已在论文中作了明确的说龌劳表示了谢意。 研究生煞名：蠢垒e | 剃：兰! 堕：弘j 东南大学学位论文使用授权声稿 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送变学位论文的复印件和 电予文辅，可戮采蠲影印、缩印或其想嘉镧手段保存论文。本人电子文挡的内容和纸矮论文豹内 容榻一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查糊和借阅，可瞄公椎( 包括w 登) 论文的 垒部或部分内容。论文豹公向( 包括刊登) 援权东南大学研究生虢办理n 磷究生签名：塞熟导师签名：逝臣 期：参f ；知。t 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的社会经济意义 无损检测是一门综合性的科学技术。其应用为保障大型工程、高压容器、军工武器、能源系统、 重型机械设备、航空航天飞行器、道路、桥梁、船舶、建筑物等的安全检查带来巨大的社会效益和 经济效益。在工业生产中，无损检测是实现保证质量、改进丁艺、节约原材料和提高劳动生产率的 重要方法之一。 实现无损检测电子直线x 射线机的便携式( 微型化) 一直是国内外加速器行业的关注热点。本 课题旨在研制出高精度超小型无损检测电子直线加速器h p b l ( h i 曲p r e c i s i o n b a b y l i n a c ) 样机，要 求其在物理性能指标明显高于国外已有的样机的前提下，实现结构上的便携式。 h p b l 样机的研制成功将填补我国该项技术的空白。将不仪标志着我国在射线无损检测技术上和 应用上的新突破，而且也将标志着我国的射线无损检测及实用加速器技术跻身于世界先进水平的干亍 列，对多种行业的产品质量保证、技术改造也将产生重要的影响，并将带动相关产业的发展和技术 进步。 1 2 无损检测电子直线加速器的国内外研究现状 我国电子直线加速器的发展，是以中国科学院原子能研究所( 现属中国科学院高能物理研究所) 于1 9 5 8 年着手研制我国第一台电子直线加速器为开端的”“。最近几年，我国电子直线加速器的研 制工作取得了较大的进展，不仅建成了一系列医疗和工业用的电子直线加速器，而且还着手研制一 些技术更为复杂的x 射线无损检测电子直线加速器。 目前用于射线无损检测的技术设备主要有x 射线机、放射性同位索源和电子加速器三大类。 市场需求量最大的为高压x 射线机。p h p s 公司生产的超高压x 射线机是世界上电压最高的： 4 5 0 k v ，实用4 0 0 k v ，其可检测钢件厚度均在8 0 m m 以下，但机型庞大。用大活度钻一6 0 同位素源 虽可检测更厚的钢件，但所需探照时间很长，其固有清晰度和几何清晰度均较差。大活度钻一6 0 源 除了上述固有技木缺陷外，还因防护、换源、废源处理等诸多问题，使其市场量受到制约。国内外 的电子直线加速器研发方向主要有三个：医用电子直线加速器、工农业用电子直线加速器、核物理 研究用电子直线加速器。作为一个强的辐射源，电子直线加速器在工农业、辐射化学、辐射生物和 中子活化分析等方面，都获得了广泛的应用”。在工业上，电子直线加速器常用于无损探伤。这 类电子直线加速器的能量在1 3 0 兆电子伏，与其它类型的加速器和放射源相比，其突出优点是束功 率强，束流和能量可以在宽广的范围内调节。选取适当的靶材料还可阻产生y 射线( 如金和钨靶) 和 中子( 如铍和铀靶) 。由于射线能量高，可以对大型部件和厚的金属材料进行探伤。它产生的韧致辐 射的强度比电子感应加速器高几十到几百倍，射线照相所需时间更短，分辩率更高。通常希望束流 强，束斑点小。为了适应工业上的应用，结构上常有特殊的要求，如可移动或安装在吊车上。能量 高达数兆电子伏特以上的高能电子加速器( 主要是电子直线加速器) x 射线源，一般多用于检测钢厚 度达数百毫米的物件，设备庞大，价格和运行费用昂贵，用量相对较少。 通常无损检测用电子直线加速器的设计都是工作在s 波段。s 波段直线加速器由于造价高、体 积和重量大，因l 面都是做成刚定式的。日奉三菱公司曾于八十年代设计制造的x 辐射能量约卜15 m v 的_ 损检测用电了直线加速器可覆盖高压和超高压x 光机应用范围。但机型仍 二作在s 波段，囡j m 其主桃和5 5 f 件的体积和重量仍然太大无法小型化和机动。美国va 1 1 a n 公司在同期电研制生产rx 辐躬能量为2 mv 的s 波段无损检测电子酉线加速器，但仍然未能解决体积乖量过大的司题。近年 东南大学硕士学位论文 来，我国研制的用于集装箱在线检测用的s 波段2 m v 直线加速器也属于此类加速器，但为，机动 和辐射屏蔽而特意降低射线剂量率。八十年代中、后期以来荚国s h o n b e 唱公司开创、发展的x 镀 段便携式无损检测用电子直线加速器。其x 辐射能量为1 5 m v ，但照射率仅为2 3 刚m j n m 。其可 探照钢厚最大可达到1 0 0 1 1 0mm 。开辟了新的应用市场。目前我们研究开发的x 波段便携式无损 检测用电子直线加速器的性能指标要求明显高于s h o n b e 曙公司的m i n a c 。15 。在能量相同条件下， h p b i ，样机的照射率要求达到6 1 0 刚m i nm ，为前者的3 倍，具有很高的性价比和市场竞争力。但 耍全面达到上边的要求，从技术路线和总体方案，都是一种挑战。 表1 1 给出h p b l 与国内外相关产品主要技术指标的比较。 表卜l h p b l 与国内外相关产品的主要技术指标 技术指标内容 h p b l 美国日本东芝 进口超高压x s h o n b e 唱 m l i r i i 光机 m i n a c 1是否小型化是是不是 是 2 整机忠良( t ) o - 3 ， 1 5( o 4 3 x 射线能量( m v ) 1 5 2 0150 9 5 0 4 5 4 照射率( 刚m i n m ) 6 1 02 3 1 0 1 5 8 5 5 隹占直径( m m ) 1 51 7 2 0 45 6 最大可检钡4 钢厚( m m ) 1 8 0 一2 0 01 1 0 ，1 2 0 1 0 08 0 7 工作方式可连续运行可连续运行可连续运行间歇工作比1 ：1 8 耗电功率( k v ) 3，1 0 h p b l 结构上的微型化要求，给机械结构设计带来了全新的课题，由于技术保密，目前尚未检索 到国内外的相关参考实例和资料。h p b l 的结构和加工工艺的总体设计是加速器结构设计的一种全 新、重要的技术突破。 1 3 论文的主要工作 本课题的工作煎点是：在令h p b l 样机满足其物理性能指标的同时，实现其结构上的小型化。 工作的难点是：由于技术保密，目前尚未检索到国内外的相关结构上的参考实例和资料。 为次，本论文的主要工作有以下几个方面： ( 1 ) 利用s o l i d w o r k s 软件和c a x a 电子图板软件完成p b l 的总体结构方案设计及整套二维： 程 图纸的设计绘制工作。 ( 2 ) 采用a f c 稳频控制系统，有效角翠决磁控管的稳频问题。 ( 3 ) 针对h p b l 样机的微型化结构要求，认真研究对比医用和工业加速器加速管相关部件的机械 结构细节和加工： 艺，并根据已经积累的设汁经验，进行大量的实验研究，设计出新型恒温水密封 结构：新型的螺纹法兰，在结构上很好地改善加速管在安装过程中的受力变形问题；解决进出水管 的定向与密封的矛盾问题；通过结构上的创新设计，解决以往加速管安装过程中遇到的若干技术难 点向题。 与加： 单位协作，对加： 设各和加： 工艺进行不断的探索改良，根据实际情况没计新型的加一r 定位模具和辅助装配：i 一具。以保旺在加：l 一安装这一环节l ，实现加速管主体结构的殴训精度。 最终在保证满足p b l 样机总休物理陛能指标的设计前提下，实现 b l 样机结构上的微型化。 第二章h p b l 的总体设计 第二章h p b l 样机的总体设计 本课题旨在研制出高精度超小型无损检测电子直线加速器h p 甩( h i 曲p r e c i s i o n b a b y l i n a c ) 样 机，要求其在相同能量条件下，照射率为国外同类样机的3 倍。同时要求其能量适中、应用面宽、固 有清晰度佳，检测厚度可覆盖高压x 射线机和大活度钴6 0y 源使用的范围。工作重点是使h p b l 样 机在满足其物理性能指标的前提下，最终实现结构上的小型化。本课题的研制成功将填补便携式无 损检测电子直线x 射线机在我固研制的卒白。 2 1h p b l 样机的总体设计性能指标 h p b l 样机的总体设计性能指标要求如下： ( 1 ) 辐射束能量：1 5 1 8 m v ( 2 ) 中心辐射照射率：5 】0 r m i n m ( 3 ) 焦点直径：15 25 m m ( 4 ) 剂量均匀度：9 。9 0 ：1 4 。8 0 ( 5 ) 剂量不对称性：三5 ( 6 ) 照相法最佳透照钢厚：3 0 1 6 0 m m ( 7 ) 固有不清晰度：0 2 m m ( 8 ) 整机重量：03 t ( 9 ) 整机耗电：3 k w 2 2 h p b l 样机工作原理 2 2 1h p b l 样机的基本组成部分 h p b l 样机的组成部分主要包括电子枪、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、束流运输系统和附属发各。这些部件又组合成辐射头、电源柜、 恒温冷却装置、控制箱四部分组成。四部分之问由电缆连接。辐射头含x 波段电子直线加速器主体、 x 辐射准直锥、激光定位器、监测电离室、聚焦和防护装置、r f 源脉冲件、r f 稳频器等。电源柜含 聚焦电源、r f 源直流部分、稳频和电离室电源等。h p b l 样机可根据特殊需求灵活变动h p b l 的组成 结构。 2 2 2h p b l 样机的工作原理 调制器产生两个高压脉冲，个激励功率源，高功率射频脉冲经过微波传输系统，进入加速管， 建立加速场，另一个高压脉冲稍加延迟，加到电子枪引出电子束，电子束流注入加速管，受到射频 场加速。这样的加速过程每秒种约几百次，决定于调制器产生的脉冲的重复率。聚焦系统保证束在 加速过程中顺利地通过加速波导，保持底的发身寸度。加速到高能的电子束最终由输出窗射出，经过 输运系统达到使用区域。控制部分的任务是实现定范围的距离操作及监测整个加速器的运行情况。 一一 堡堕查堂堕主兰垡堡苎 2 3h p b l 样机主要组成部件 2 3 1 加速管 呵留甯 姚毖 呵穿留留 么勉逸毙 t l t 图2 - 1 加速管阑片的结构形式 般加速管是由加速阑片经过特殊加工工艺焊接而成的管状部件，有几种常见的加速结构。 结构( b ) 和( c ) 改善了阑片与管壁间的导热特性，且具有较高的机械强度和略高的特征阻抗( 约比 结构( a ) 高4 5 ) ，而结构( d ) 的性能反不及结构( a ) 。考虑到加工简便，目前几乎所有的行波 电子直线加速器都采用盘荷波导结构( a ) 作为加速结构。在加速波导中，相速口，的变化范围约从 0 4 ”l 。当相速小于o 4 时，结构的特征服抗随相速的进一步减小而急剧下降。但04 并不是绝对 的下限，例如格拉斯哥大学】0 0 兆电子伏加速器，电子枪电压3 0 干伏，聚束段起始相速b ，约o 3 。 盘荷波导中阑片孔半径a 与波长 之比a 称作波导的负载系数，是盘荷波导的一个重要参 数。对强流加速器，a 约在01o2 之间，对弱流加速器，a 约在o 0 8 0 1 5 之间“”。 阑片相对厚度t 约在00 3 0 0 6 之。阕片厚度减小，群速增加，q 值提高，因而特征阻抗 也将增加。但如果阑片太薄，导热特性和机械强度将变差，且易引起高频放电，具体选取时要综合 考虑。为了防止高频放电，阑片7 卜般设计成圆弧形。 h p b l 样机属于弱流，其加速管采用( a ) 型结构。 2 3 2 聚焦系统 在电子直线加速器中，位于纵向聚束区域中的电子，在横向受到射频场的散焦作用，当流强很 强时，空间电荷效应也会使电子束产生很大的发散，所以必须加上聚焦磁场。它通常是由一组螺线 管建立纵向磁场。当电子的速度( 因而波相速) 非常接近光速时，射频场和空间电荷的散焦力也趋于 零。因此在能量较高的加速器后面部分，散焦的问题相列减轻，一般只要隔一定距离加上一细透镜 就行”。 h p 8 l 的加速管焊接成一根整管，采用水套结构，聚焦线圈作成薄饼状，用铜带( 垫绝缘薄层) 绕 制，司以提高电流密度，使线圈体积大大减小，聚焦线圈套在加速管的水套外径上。 第二章h p b l 的总体设计 2 3 3 恒温系统 恒温系统【】通常是指加速管的恒温水控制系统。由于加速管壁上的欧母损耗，产生大量的热， 这部分热量就靠恒温水流带走，以便使加速器保持一定的温度。 在考虑恒温问题时，应区分三个不同的概念：温升、温度梯度和温度稳定度【j l ，”l 。 ( 1 ) 温升 加速管在通恒温水的条件f ，加上微波功率后由于管壁上欧母损耗发热，加速管的温度将指数 上升【l ”，在新的温度下达到甲衡，这两个温度之差叫做温升。 ( 2 ) 温度梯度 加速管在新的温度f 达到平衡后，加速管纵向的温度差称作温度梯度。 ( 3 ) 温度稳定度 水温的稳定度及它所直接影响的整个加速管温度分布的稳定，叫作温度稳定度，即恒温控制精 度。 温升主要决定于加速管壁上功耗的大小，恒温水流量和加速管与恒温水管接触面的大小有关， 而温度梯度则还与水流系统的安排有关。这是三个不同的概念，要求也不一样。要求最严格的是恒 温水的稳定度，其次是温度梯度，而温升的大小严格讲对加速束流特性并无什么影响。 恒温水的流量要根据具体要求决定。为了不使流量过大，而又能满足一定温度梯度的要求，特 别在使用高功率速调管情形下，就必须仔细考虑水流管道的安排和保证它们与加速管壁有良好的接 触。一种方案是所谓的反流技术。水从中间进出，在每个腔上依此从相反方向流过，一根水管的水 温比平均温度高，而另一根则低，从而大大降低加速管的温度梯度。另外一种方案是采用水套结构， 增加恒温水与波导的接触面积。水从加速管输八端进，输出端出( 注意不宜反过来，否则将产生较 大的温度梯度) 。采用冷热水混合的方式，通过改变固定流量的冷却水温度或固定温度的冷却水流量 来控制温度，可以显著降低恒温系统的体积和功率消耗，提高控制精度与控制能力。在射频功率或 占空因子改变时，通过调节水温度，使加速管工作温度保持一定。 h p b l 样机的加速管采用外冷式水套结构进行恒温调节。 2 3 4 电子枪 电子枪是电子源，它提供屯子束流。最简单的是皮尔斯二极枪。灯丝( 兼阴极) 由钨丝绕成螺旋形 由灯丝电源加热后，发射电子。调制器产生的负高压脉冲加到阴极上，阴极发射的电子受到加速， 通过阳极( 接地) 上的小孔射出。一个好的电子枪应当满足下列要求： ( 1 ) 通常脉冲束流约几百毫安。对于强流电子直线加速器，希望脉冲束流达几十安培。柬流应能 从零到极大值连续可调。对一定的状态，又希望束流稳定。 ( 2 ) 通常束流脉宽约l 3 微秒。希望有陡的上升和下降特性，而顶部则希望平坦。 ( 3 ) 束应有良好的光学特性：小的束斑点( 直径l 一3 毫米) 柬腰部位于阳极后面几厘米处。束轨 迹希望有层流特性，发散较小。在束截面内电荷分布尽可能均匀，特别不希望出现中空的束。相对 加速器轴，束应有良好的对称性和准直度。 ( 4 ) 通常阴极负高压达4 0 一1 2 0 千伏，阴极工作温度也很高，应有良好的真空、机械和绝缘性能。 ( 5 ) 具有长的寿命，例如1 0 0 0 小时以上。易损坏部件，应能方便地更换。 为保证束有良好的光学特性，除了阴、阳两极外，还要加上聚焦极。它通常与阴极同电位，它的 形状要通过计算和实验确定。在阳极后面通常有一组聚焦透镜，保证在不同束流利都有好的注入特 性。 东南大学硕士学位论文 图2 2 轰击型电子枪工作原理图 轰击型电子枪原理见图2 2 。它由两个二极管构成，电源s 的功率加热灯丝，发射电子。直流电 源( 又称轰击电源) 加在阴极和灯丝之间，电压约5 0 0 一3 0 0 0 伏。改变轰击功率( 通常靠改变烟丝加热 功率实现) ，可以调节枪输出电流。阴极通常由钽片制成，与螺旋形钨丝阴极相比，有卜歹0 优点： ( 1 ) 平面发射表面可以形成层流电子束。有时阴极作成凹形，使发射电子形成初始会聚。 ( 2 ) 在钨丝阴极情形，流过灯丝的电流产生磁场，会破坏电子的初始轨迹。尽管采用双螺旋结构， 可以减弱这一影响，但不能完全消除。在此情形，可以避免。 ( 3 ) 阴极上可以方便地敷上任何发射层。 l 功率源 4 真空窗 7 磁透镜 1 0 磁分析系统 2 定向耦台器1 0 5 功率测量 8 束流测量装置 1 1 法拉第筒 圈2 3 场致发射枪示意图 3 相移器 6 场致发射枪 9 加速段 它的缺点是增加了 个轰击电源，灯丝和阴极都位于高电位，供电和制作都复杂一些。钨 和i 钽这类纯金属阴极的一个主要优点是不易中毒，可以在较坏的真空条件f ： 作。对丁直线 加速器，这一特性是很重要的因为加速管中高频电场很强，可能发生放电，另外电子京扣到 金属壁e ，会释放气体，特别在初始微波除气阶段，真空度很可能变坏。但是钨和钽阴极的发 射本领较低，通常约2 5 0 毫安厘米2 ( 约小寸o8 安培厘米2 ) ，且要求较高的j 一作温度，分别为2 4 0 0 口c 和2 2 0 0 。这样高的工作温度，不仅要消耗较大的功率而且阴极及其支撑容易变形影响 一里三至! ! ! ! 塑璺壁堡生 束特性。增加阴极发射电流有两种常规办法，一种是提高工作温度。由于金属蒸发速度差不多 与温度的6 8 次方成正比，提高工作温度会使寿命大大缩短。另种是增大阴极面积，这也同 时要增加功耗，并使束特性变坏。因此这两种办法的采用是有限制的，为了提高阴极发射电流， 在强流电子直线加速器上常采用高发射本领的物质做阴极，如：钡钨( 工作温度约1 0 0 0 1 、钍钨 或碳化钍钨和硼化瀚( 工作温度都在约1 5 5 0 ) 以及压缩海绵状氧化镍( 工作温度6 0 0 一8 0 0 ， 又称b n 阴极) ，它们的发射本领都大于1 安培厘米2 。钡钨阴极较易中毒，要求真空度优于5x 】o 。7 托，贮存也较困难，在空气中吸收水份和二氧化碳，易膨胀和碎裂。其余几种阴极都不易中毒。 特别是硼化锎阴极，有很高的发射本领，可以工作在较差的真空条件下( 5x1 0 。6 托5x1 0 。s 托1 ， 多次暴露大气后仍能恢复自己的发射本领。 还有一种冷阴极电子枪，阴极由钨丝制成，在1 0 氢氧化钾溶液中，用电化学方法加工成 6 1 0 微米直径的尖端。在高频电场中，阴极场致发射电子。所需高频功率由功率源分出一部分， 如图2 3 所示。 使用栅控三极枪，可以获得陡峭的电流脉冲，改变栅极调制电压，也可方便地调节枪电流。 所需调制电压低，功率小。为了提高加速器的利用率，常希望在脉冲之间实现工作状态的转换， 由一台加速器同时获得几种不同束流、能量的电子束。由于阴级的热惰性，靠改变灯丝加热功 率做不到这一点，而利用栅极来控制就可方便地实现。 图2 - 4 电子枪阳极电流与阳极电压关系 三级枪的设计、结构和制造工艺都比较复杂。栅极和调制系统都工作于高电位，带来绝缘 利控制方面的一些特殊问题。强流短脉冲电子直线加速器几乎都采用同轴型三极枪，通过同轴 电缆把调制脉冲加到栅极。目前能获得的最短束流脉冲约l 一3 毫微秒，主要受阴栅电容( 约3 0 微 微法) 的限制。s l a c 加速器上使用的同轴型三极枪f j 爿栅间距为o 2 5 毫米。棚极由直径o 0 5 毫米 钼丝编成纲格状，纲格间距为l 毫米。 s l a c 还发展了i r 导体阴极，激光照射产生电子发射。它的发射本领达1 8 0 安培厘米2 ，能提供毫 微秒量级的光致发射电流脉冲。它也能产生极化电子束。 电子枪阳极电流与阳极电压的关系示于图2 4 。区城i 是空间电荷限制区，枪电流随电压的3 2 次方变化u 通常电予枪工作在温度饱和限制区i i ，高压的变化对枪电流的影响很小，引起枪电 流变化的主要因素是阴极温度，即灿丝电压和轰击功率的变化。 h p b l 样机的电子枪采用中科院电子所提供的问热式二极枪。枪电压2 83 0 k v ，枪束流输出 功率源输出功率功率源效率。 2 稿 l 直线电源2 充电电感3 充电二极管 5 比较器6 激励器7 触发器 9 一氢闸流管 l o 脉冲变压器 11 速调管 1 3 速调管幻丝电源 图2 5s l a c 主调制器方框图 4 形成线 8 触发器 1 2 偏压电源 例如，2 兆瓦磁控管调制器的输出功率略大于4 兆瓦，2 4 和3 0 兆瓦速调管调制器的输出功率分别 约为6 5 和8 0 兆瓦。通常使用线型调制器，它由直流高压电源、充电电感、隔离二极管、脉冲形成线 ( p f n ) 、氢闸流管、脉冲变压器、并联二极管等组成。下面以s l a c 加速器主调制器为例来简单说明 它的工作原理( 见图2 5 ) 。 高压直流电源通过充电电感、充电二极管向形成线充电，由于形成线与充电电感串联谐振，形 成线上充电电压接近电源电压的两倍( 约4 1 6 千伏) 。当触发讯号使氢闸流管导通后，形成线中贮存的 能量迅速通过脉冲变压器的初级绕组、氢闸流管放电。由于速调管反映到脉冲变压器初级的阻抗近 似等于形成线的特征阻抗，在放电过程中，形成线上电压的一半( 约2 0 _ 8 千伏) 降到脉冲变压器初级， 另一半降在形成线上。脉冲变压器的绕组比为1 ：】2 ，因此，在脉冲变压器次级绕组上可获得约2 5 0 千 伏的脉冲电压。脉冲的特征，包括上升和下降时间、脉宽及顶部平坦度，主要决定于形成线的参数。 在此情形，使用两组并联l c 网络，每组十个电容，r 个电感。电容值是阎定的( 00 1 4 微法) ，电感基 本上无耦台，可单独调节( 最大4 5 微亨) 。 为了稳定脉冲幅度，通常使用d c d i n g ( 降优值) 电路。它的工作原理如f ：在充电回路中通过分 压，取“；一个低电压，把它与一个恒定的参考电压比较，当充电电压达到某一值后，比较器输出一 个讯号，通过馓励器，触发可控硅开关导通，于是充电电感的o 值迅速降低，充电停l e ，从而保讧e 每次充电电压( 即形成线上电压) 恒定。 h p b l 样机采用无真空管的全同态调制器。 2 3 6 功率源 功率源提供加速管建立加速场所需的射频功率。在电子直线加速器中使用的微波功率源主要 有磁控管和速凋管。 第二草h p b l 的总体设计 磁控管“是一个自激振荡器。用它作功率源，设备比较简单。由于相位联锁( 或称同步) 上的困 难，很少并联使用，即一台加速器用一个磁控管作功率源。但也有少量加速器使用两个磁控管同步 工作，如一台1 5 兆电子伏电子直线加速器，使用两个1 8 兆瓦磁控管供电。 电子直线加速器的实际工作频率往往要虽后调整决定，故一般采用频率可阔磁控管。目前在s 波段，频率可调的磁控管的最大输出脉冲功率约5 兆瓦，这就限制了加速器的能量和流强。因此， 磁控管通常作为小型低能电子直线加速器的功率源。 磁控管的一个缺点是功率和频率稳定性差，不仅磁场、阳极电压的变化，而且负载特性的变化 都会影响到管子的输出功率和频率。电子直线加速器的加速波导是一个强烈的色散系统，即反剩的 模和相位都会随频率的变化而改变。因此常在磁控管和加速波导之间加装一个隔离器。正确地选取 磁控管的工作点，正确调谐和适当稳定电源电压( 1 ) ，在s 波段磁控管的频率稳定度可达】5 0 2 0 0 千周。如果要求更高的频率稳定度，则必须使用自动频率控制系统f a f c l 。由于磁控管的调谐机构 是一个机械装置，磁控管的态势也会影响工作频率。磁控管的效率通常约5 0 6 0 。 速调管是利用速度问制原理制成的一种高功率射频放大器【】“，由电子枪、相互作用空间和收集 器三部份组成。与磁控管相比它有几个优点：( 1 ) 稳定性好i ( 2 ) 输出功率高：( 3 ) 可以并联使用； ( 4 ) 按寿命长。速调管的典型效率4 0 ，比磁控管低。 h p b l 样机的功率源采用同轴型9 3 7 0 磁控管，属于小型磁控管，功率0 3 m w 。 2 3 7 微波传输系统 微波传输系统【i ”指除加速管外的整个微波通道，包括一些通常的微波元件，如隔离器、真空窗、 吸收负载和耦合器。要求各部件能承受额定功率和驻波比小。 希望微波通道( 包括输入、输出耦合器和加速管) 驻波比p 小于l3 的频带在工作频率附近有l 个 兆周带宽，在工作频率附近pc 】i 。过大的驻波比将引起真空窗和隔离器中打火，使隔离器因过热 而损坏，导致磁控管工作不稳定。为获得好的通带特性，耦合器的调整是关键。 耦合器是矩形波导和圆形加速管之间的连接部件。 一方面射频功率通过它进入加速管，同时它 使矩形波导中的t e 】o 型波转换为盘荷波导( 加速管) 中的t m 】o 型波。图2 6 为几种典型的耦合器结构。 其中( b ) 和( e ) 所示是两种常用的结构。腔式耦合器可承受较高的剩频功率，但匹配调整复杂 些。并且，耦合器前半部份的驻波场会影响电子的纵向运动，耦合器中场的径向非对称性会使束 发生径向扰动。 为了防r 波导中扣火，通常在矩形波导中充以几个大气压的干燥空气、氮气或氟里昂气体，应 注意防止波导壁变形或损环。当功率很高时，常常采用抽真空( 1 0 4 托1 的办法防止击穿。 东南大学硕士学位论文 ( b ) ( e ) 图2 6 几种典型耦合器结构 经过加速管后的微波剩余功率，通过输出耦合器、真空窗，在吸收负载上被吸收掉。吸收负载 通常是 个通水的尖劈形玻璃负载，吸收的热量被水流带走，有时也用水冷的干负载。吸收负载上 功率的大小与加速器的工作状态有很大关系。对某些高效率的强流电子直线加速器，波导本身的衰 碱很小，当柬流减到很弱时，吸收负载上望承受很大剩余功率。特别在多段加速器情形，当相位凋 整不正确时，强流电子柬会把它携带的很大一部份功率反t 自转移给波导，引起负载的高频击穿。 露蛩 第二章h p b l 的总体设汁 图2 - 7 一种同轴内腔负载结构 当不需要在输出部份监测射频功率时，可以采用同轴内月卒吸收负载。它是长度为几个波长f 通常 两个波长) 的一个附加加速段，直接装在加速管后，只是它的腔的p 值较低，一般约几百( 标准加速腔 在2n 3 模式，q 值约1 3 0 0 0 ) ，使剩余功率在其中被吸收掉。降低q 值的一种办法，是在标准的环和片 上喷沙后再喷镀上一薄层铁合金，宏观的表面不平度和多孔性结构，使q 值大大降低。改变处理表 面面积的大小可以调节腔的o 值。 当负载总衰减达到1 5 分贝时，在负载终端即使全反射，负载输入端的驻波比也只有1 0 6 8 。利用 式( 2 一1 ) 可以估计所需负载腔0 值。 ，r 非獗2 丽 2 - 1 设vg = 0o 】c ，负载长两个波氏，总衰减a = 1 5 分贝，则 q ：半- 3 6 3 ( 2 - 2 ) 倦 这样估计的是平均q 值。实际上为使各腔中功耗基本相近，沿束线腔的衰减应指数增加( 即q 值 指数下降) 。负载腔的尺寸通常与盘荷波导最后一个腔尺寸相同。负载外面必须用水管或水套通水冷 却，如图2 7 所示。 适当选择表面层材料，这种结构不会显著降低负载中的聚焦磁场，而且由于负载本身构成加速 波导部份，在其中电子束还有一定的能量增益，仅使结构的有效长度增加约7 厘米。同轴内腔负载 不仅使结构简单，消除了输出耦合器中场非对称性引起的束径向扰动，而且更便于安装聚焦线罔， 对于医用加速器是特别适合的。在一些能量较高的加速器上，特别是强流电子直线加速器，它也获 得应用。 h p b l 样机的微波传输系统采用五个同轴内腔负载结构。 2 3 8 真空系统 在加速器中需要保持良好的真空，主要是为了减少与气体分子碰撞而引起的电子柬流强的损失 和防l i 二高频放电。早期的真空系统i | o 1 采用带冷阱的扩散泵。f j 前大多采用铁离子泵。制造加速管 的材料一般用无氧铜，真空接头和管道用不锈钢，都有良好的真空性能。通常真空度希望优于1 x l o 。5 托。在某些具有高的加速场强的加速器中，希望真空度优于5 x1 0 7 托。 几种常用的真空结构如图2 _ 8 所示。在图( a ) 中，加速管用焊接或电铸方法做成一整体真空泵 般放在靠近电子枪一端，以提高枪内真空度。当阑片孔径很小或加速段较长时，加速器末端抽速较 小，真空度较差，采用圈( b ) 和图( c ) 所示结构司以克服这一缺点。在图( b ) 结构甲，每个环中间( 或略 偏一些) 开有四个直径约5 毫米的小孔，环和片崩拉杆拉紧或焊接成体，外加无磁不锈铜套筒。 一奎堕查堂望兰堂堡堕苎 ( a ) ( b ) ( c ) 图2 8 几种常用的真空结构 这种结构电便于进行腔中场相位测量，小孔中还可伸入螺钉来调谐腔频率。缺点是体积较大， 比较复杂。图( c ) 结构用一个辅助抽气管道与加速管尾端相连，比较简单，效果也很好。 h p b l 样机采用图( c ) 结构。是一种全焊封真空系统，电子枪和加速波导全焊成体，用个小 钛泵保持内部高真空，整个加速器象一个大的金属管子。钛泵要在真空度优于l o 。一托时才能启动， 在这之前必须用机械泵、扩散泵或升华泵进行预抽真空。 2 3 9 监测系统 监测系统包括各种安全联锁保护线路和对束特性进行监测的相应设备，使人能远距离对加速 器进行调整和操纵。 需测量的量中有些是常规的，如电流和电压、磁场、频率、温度和热量、水流和压强、真空 度、射频功率、相位和剂量等。有时还要测量这些量的稳定度【”1 。 另一类量是电子束特胜，如能量、能谱、束流横截面上的电荷分布、束斑大小、束团相蛮、 相位靖量特性、束发射度、束强度以及柬位置。 测量能量通常削磁分析器。可利用磁场扫描在示波器上再现谱形状，有时也用铝吸收法和水 深法测能量。 让电子束打到荧光屏( 或石英坡璃) 上，用电视摄像机可以直接观察柬的外形，用光电倍增管 可分析束截面内电荷密度分布。用黑度计分析在束中曝光一段对问的玻璃板，或用一个尺寸司变 的准直器，后接柬强度检测器，同样司以确定束电荷密度的横向分布。 法拉第圆筒常用来进行束强度的绝聪测量或刑其它束强度测量发鍪进行定标。煦型的装置如 第二章h p b l 的总体设计 图2 9 所示。它由两部分构成，前面部分是石墨，电子在其中由于电离而损失大部份能量，产生的 光子被后面部分的铅吸收。底部石墨厚45 英寸，铅厚25 英寸，外径1 2 英寸，内径4 英寸，总长】6 英寸，孔深9 英寸。法拉第圆筒与外部真空套筒在电性上绝缘。 ：瓣 皇 图 图2 1 0 典型的二次发射束崎测器原理图 r l nj j1 0 面。一曲d l 妒 1 0 1 帅珀呻 船知祀阿电匝c 扶) ，圳 一。 o 一真空f 测得x 一大气条件f 测得 圈2 1 1某二次发射监测器效率与相邻箔问电