12MeV無(wú)損檢測(cè)用駐波電子直線加速器總體技術(shù)設(shè)計(jì)

劉建輝，孟祥宇，郭彥斌，范林霞，陳 巖，李學(xué)先，王 非，賈恩明

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

12MeV無(wú)損檢測(cè)用駐波電子直線加速器總體技術(shù)設(shè)計(jì)

劉建輝，孟祥宇，郭彥斌，范林霞，陳 巖，李學(xué)先，王 非，賈恩明

（北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

本文主要討論了12MeV無(wú)損檢測(cè)用駐波電子直線加速器總體技術(shù)設(shè)計(jì),主要部分的設(shè)計(jì)思路、要點(diǎn)及最終設(shè)計(jì)方案。

磁控管；磁場(chǎng)強(qiáng)度；電子槍注入高壓；AFC；聚焦

0 引言

12MeV無(wú)損檢測(cè)用駐波電子直線加速器總體技術(shù)設(shè)計(jì)的主要是根據(jù)要求制定加速器的主要參數(shù)并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)主要部分的設(shè)計(jì)思路、要點(diǎn)及最終設(shè)計(jì)方案進(jìn)行說(shuō)明。

合同規(guī)定的對(duì)加速器的技術(shù)考核指標(biāo)，主要包括：

1）能量：12MeV；

2）劑量率：≥5500cGy/min.m；

3）焦點(diǎn)：φ2～3mm；

4）檢測(cè)厚度（等效鋼）：76～420mm；

5）檢測(cè)靈敏度：ASTM E-142 1-2T。

依據(jù)技術(shù)考核指標(biāo)，設(shè)計(jì)說(shuō)明：

1）考慮一定的設(shè)計(jì)余量，在進(jìn)行加速管設(shè)計(jì)時(shí)，取劑量率≥6000cGy/min.m；

2）加速管設(shè)計(jì)時(shí)，焦點(diǎn)按≤φ2mm設(shè)計(jì)。如果超過(guò)該尺寸，可以通過(guò)聚焦線圈進(jìn)行調(diào)節(jié)；

3）由于超過(guò)10MeV電子束打靶時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中子，會(huì)有一定的感生輻射殘留。因此在設(shè)計(jì)初期，要求加速器出束完畢后，需要等待一段時(shí)間再進(jìn)入曝光室操作。這無(wú)形中增加了每張底片的處理時(shí)間，降低了效率。為此，新增一檔9MeV能量，用于對(duì)較薄工件進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，提高效率。而通過(guò)設(shè)備研制完成后對(duì)感生輻射進(jìn)行的實(shí)際測(cè)量來(lái)看，感生輻射在要求范圍內(nèi)，不會(huì)影響檢測(cè)效率。

加速管是加速器設(shè)備的核心部件，加速管的設(shè)計(jì)參數(shù)決定了加速器設(shè)備能夠達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。

1 加速管技術(shù)設(shè)計(jì)

加速管的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)：

1）電子束能量：12MeV、9MeV可調(diào)；

2）X射線劑量率：12MeV時(shí)，6000cGy/min.m；

3）焦點(diǎn)：≤φ2mm。

加速管技術(shù)設(shè)計(jì)說(shuō)明：

1）駐波加速管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；

2）加速管主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

駐波電子直線加速器的能量增益公式如下：

其中：

βc：最佳耦合度

P0：加速管輸入脈沖微波功率（MW）

ZT2：分流阻抗（M Ω/m）

L：加速管諧振腔列長(zhǎng)度（m）

I：脈沖加速束流（A）

由此可見(jiàn)，加速管設(shè)計(jì)需要對(duì)βc、P0、ZT2、L、I等進(jìn)行選擇，以確定輸出能量為12MeV。

（1）P0的選取

（2）I的選取

（3）分流阻抗ZT2

（4）加速管長(zhǎng)度L

3）加速管涉及的其他問(wèn)題

（1）水冷設(shè)計(jì)

（2）饋入口

（3）聚焦導(dǎo)向線圈

2 微波源技術(shù)設(shè)計(jì)

1）微波功率源采用E2V公司的MG6090磁控管，主要性能參數(shù)如下（參考datasheet）：

頻率范圍：2993～3002MHz

峰值輸出功率：3.1MW

磁場(chǎng)：1600Gauss（使用MG6053電磁鐵）

燈絲電壓：14V

燈絲電流：8.0A

燈絲啟動(dòng)電流：不大于20A

陰極預(yù)熱時(shí)間：最小10min

陽(yáng)極電流：115A

陰極高壓：-50kV

輸出駐波比：1.1∶1

電壓上升率：小于120kV/μS

冷卻方式：水冷

最大占空比：1.35‰

2）磁控管選定的工作參數(shù)

參照上述性能參數(shù)及典型應(yīng)用，我們選定磁控管工作參數(shù)如下：

磁場(chǎng)：1600±25Gauss

陽(yáng)極電流：110A

燈絲電流：8A

脈沖寬度（半高）：4.5 μ S

重復(fù)頻率：50～290pps

3）磁控管注意事項(xiàng)說(shuō)明

（1）MG6090磁控管與常用的MG5193、MG5125磁控管在外形結(jié)構(gòu)上有很大不同，磁控管的陰極垂直磁極面，從磁極中心伸出，因此傳統(tǒng)的C型磁鐵無(wú)法使用，必須使用E2V公司配套的MG6053電磁鐵。

（2）由于MG6090磁控管在高功率下的回轟現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因此，除了燈絲切換之外，還需要對(duì)陰極進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，以保證良好的散熱。

3 能量調(diào)變?cè)O(shè)計(jì)

如上所述，考慮到照相工作效率及薄工件的透照靈敏度，除了12MeV以外，增設(shè)9MeV能量檔。根據(jù)前述公式：

可知，在加速管的特性參數(shù)βc、ZT2、L已經(jīng)確定的時(shí)候，要想降低能量，唯有降低P0并增大I。能量調(diào)變涉及的參數(shù)變化很多，主要有：

1）降低磁控管陽(yáng)極電流，以降低進(jìn)入到加速管的微波功率；

2）減低電磁鐵磁場(chǎng)，保證磁控管最佳狀態(tài)工作；

3）提高電子槍注入高壓增加發(fā)射電流；

根據(jù)加速管的設(shè)計(jì)說(shuō)明，加速管注入微波功率從2.6MW降低至2.0MW，槍高壓從10kV增至15kV，電磁鐵磁場(chǎng)從1600Gauss降至1420Gauss。

4 調(diào)制器技術(shù)設(shè)計(jì)

調(diào)制器的主要作用是給磁控管和電子槍提供一定寬度的高壓脈沖，它的性能參數(shù)主要取決于磁控管的工作狀態(tài)。調(diào)制器的設(shè)計(jì)主要依據(jù)MG6090磁控管工作參數(shù)而定，同時(shí)考慮12/9MeV能量切換要求。采用線型調(diào)制器技術(shù)方案。

高壓主回路由高壓變壓器、三相整流濾波電路、充電電感、脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN）、閘流管、脈沖變壓器等組成，用于對(duì)PFN的充電，以及PFN對(duì)脈沖變壓器放電。除此之外，還有觸發(fā)電路、反峰電路、De-Q電路、波頭匹配、高壓過(guò)流電路、燈絲供電等輔助電路。

調(diào)制器高壓主回路設(shè)計(jì)說(shuō)明：

1）脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN）特性阻抗的選擇

脈沖形成網(wǎng)絡(luò)（PFN）的特性阻抗 ，通常取r＝25 Ω或r＝50 Ω，以便使PFN的特性阻抗與PFN到脈沖變壓器之間的高頻電纜的特性阻抗相匹配。市售高頻電纜的特性阻抗一般為50 Ω，如果PFN的特性阻抗也取50 Ω，則通過(guò)計(jì)算可知，PFN的充電電壓較高，約33kV，不利于絕緣及安全，因此選用PFN特性阻抗r＝25 Ω，這樣計(jì)算出來(lái)的充電高壓約為23kV，較50 Ω時(shí)大為降低，只是這種情況需要兩根高頻電纜并聯(lián)，這也是通常的做法。

2）脈沖波形的要求

（1）脈沖寬度

上面提到磁控管陽(yáng)極電流的脈沖寬度設(shè)計(jì)為4.5 μ S，而事實(shí)上，當(dāng)磁控管陰極高壓降到一定程度時(shí)，磁控管即停振，陽(yáng)極電流降為0，因此陰極高壓要比陽(yáng)極電流的寬度略寬，通常寬大約0.3 μ S。因此，調(diào)制器設(shè)計(jì)時(shí)，PFN脈寬取4.8 μ S。

（2）脈沖幅值

磁控管額定脈沖電壓在49kV，陽(yáng)極電流110A，考慮一定余量，按50kV，110A設(shè)計(jì)，以便調(diào)試時(shí)如果能量或劑量率不滿足要求，可適當(dāng)提高陽(yáng)極電流至112A～115A。

（3）上升前沿

考慮到磁控管規(guī)定陰極電壓上升率必須小于120kV/μ S，而磁控管高壓約50kV，因此上升前沿選擇在0.5～1.0 μ S較為合適。

3）阻抗匹配問(wèn)題

PFN的特性阻抗r與磁控管反映在脈沖變壓器原邊的阻抗RH之間存在三種匹配關(guān)系，即匹配、正失配和負(fù)失配。一般采用負(fù)失配方案，以加快閘流管的消電離。由于磁控管的磁場(chǎng)由電磁鐵產(chǎn)生，因此基本可以忽略磁場(chǎng)隨時(shí)間的衰退產(chǎn)生的磁控管阻抗變小，引起負(fù)失配加重的發(fā)生。磁控管打火等嚴(yán)重的負(fù)失配可通過(guò)反峰電路來(lái)消除。

4）波頭匹配問(wèn)題

磁控管未起振前，其阻抗無(wú)窮大，在脈沖變壓器的初級(jí)電壓波形的上升前沿上將會(huì)產(chǎn)生非常大的過(guò)沖，會(huì)導(dǎo)致脈沖變壓器或高頻電纜損壞。因此需要在脈沖變壓器初級(jí)并聯(lián)一個(gè)RC串接電路，使之在脈沖上升期間與脈沖變壓器初級(jí)阻抗相同，呈現(xiàn)匹配狀態(tài)。

5）De-Q電路要求

除了溫度影響外，磁控管陽(yáng)極電流幅度的快變化也會(huì)影響輸出微波的頻率，進(jìn)而影響加速器輸出劑量的穩(wěn)定。這種快變化AFC無(wú)法自動(dòng)調(diào)整，只能通過(guò)穩(wěn)定陽(yáng)極電流的方法解決。一般要求陽(yáng)極電流穩(wěn)定度在0.1%以上，一般采用De-Q電路實(shí)現(xiàn)。

另外，由于De-Q負(fù)載承受的功率有限，而當(dāng)能量檔切換至9MeV時(shí)，將有更大的功率加在De-Q負(fù)載上。因此必須采取措施，降低高壓變壓器的輸出，以減小De-Q負(fù)載負(fù)荷。

5 AFC設(shè)計(jì)

駐波加速器的工作頻帶很窄，幾十千赫茲的頻率變化就會(huì)導(dǎo)致磁控管微波功率嚴(yán)重反射，從而使加速器輸出劑量率急劇下降。為此，需要保證磁控管輸出微波頻率與加速管諧振頻率一致。另外，由于能量調(diào)變時(shí)，磁控管輸出微波頻率隨之發(fā)生較大變化，因此，需要對(duì)12MeV、9MeV能量分別設(shè)置預(yù)置位置，確保加速器良好的劑量率上升率。為了補(bǔ)償這種頻率的變化對(duì)加速器正常工作的影響，需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)磁控管的頻率，使之與加速管的諧振頻率保持一致。這就是自動(dòng)頻率控制（AFC）系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目的。自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)采用常見(jiàn)的鎖相調(diào)頻技術(shù)方案。

6 控制系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)

6.1 控制系統(tǒng)

12MeV直線加速器，主要由加速器機(jī)頭、調(diào)制器、控制臺(tái)、水冷系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)等組成，如圖1所示。為了能夠使設(shè)備安全有效的工作，12MeV直線加速器要求有更加穩(wěn)定、可靠、安全的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)能夠使得加速器的機(jī)頭、調(diào)制器、控制臺(tái)、水冷系統(tǒng)等有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，達(dá)到最佳的工作狀態(tài)。

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集中控制方式。

為了保證加速器控制系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，不在機(jī)頭內(nèi)放置CPU控制器和存儲(chǔ)芯片。因此控制系統(tǒng)采用集中控制的方式，把控制器放置到操作臺(tái)，與位于檢測(cè)大廳的機(jī)頭線纜連接。

圖1 加速器系統(tǒng)框圖

操作控制有兩種方式，控制臺(tái)按鈕式操作和計(jì)算機(jī)操作。按鈕設(shè)置在控臺(tái)上，操作人員可以方便的進(jìn)行開(kāi)機(jī)、待機(jī)、出束、停束、設(shè)置劑量等操作。計(jì)算機(jī)操作是通過(guò)在計(jì)算機(jī)顯示器上進(jìn)行開(kāi)機(jī)、待機(jī)、設(shè)置劑量的操作。兩種控制方式可以互相切換。方便用戶操作。

6.2 控制電路

控制電路系統(tǒng)采用西門子PLC可編程序控制器S200系列的CPU226。CPU226模塊集成了24I/16O共40個(gè)數(shù)字量I/O 點(diǎn)。它可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大可擴(kuò)展至248路數(shù)字量I/O 點(diǎn)或35路模擬量I/O點(diǎn)。有13k字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，6個(gè)獨(dú)立的30kHz高速計(jì)數(shù)器，2路獨(dú)立的20kHz高速脈沖輸出，2個(gè)RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協(xié)議、MPI通訊協(xié)議和自由方式通訊能力。系統(tǒng)中CPU226又?jǐn)U展了兩塊本地16I/16O 模塊EM223如圖2所示。

6.3 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖2 PLC控制電路圖

為使加速器系統(tǒng)正常運(yùn)行，控制系統(tǒng)中設(shè)有許多保護(hù)電路。每個(gè)保護(hù)電路的信號(hào)都輸入到PLC控制器，通過(guò)與上位機(jī)連接，在上位機(jī)顯示出相關(guān)保護(hù)信息，方便操作人員處理。當(dāng)部件的工作條件不能滿足工作要求時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，提示操作人員注意。根據(jù)保護(hù)電路的等級(jí)，這些信號(hào)又分為狀態(tài)提示信號(hào)和故障報(bào)警信號(hào)。當(dāng)故障報(bào)警信號(hào)發(fā)生在出束過(guò)程時(shí)，將會(huì)立刻切斷高壓，使系統(tǒng)退出出束狀態(tài)。以下是部分保護(hù)電路的設(shè)計(jì)介紹。

1）真空保護(hù)

加速器中的加速管是電真空器件，由鈦泵來(lái)維持加速管真空。當(dāng)加速管真空度變差偏離要求時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作報(bào)警。真空保護(hù)電路通過(guò)檢測(cè)鈦泵工作時(shí)的微小電流實(shí)現(xiàn)對(duì)加速管真空度監(jiān)測(cè)。鈦泵電流正常時(shí)很小，一旦變大，說(shuō)明真空度變差。 超過(guò)設(shè)定值時(shí)，保護(hù)電路動(dòng)作，提示不能加高壓出束。待加速管正常后，再重新進(jìn)入工作狀態(tài)。設(shè)計(jì)專門的真空保護(hù)板，對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大濾波提取，輸入到PLC。

2）水流保護(hù)

在加速器系統(tǒng)中，水冷卻系統(tǒng)是一個(gè)重要的系統(tǒng)。機(jī)頭內(nèi)部幾個(gè)重要的部件如加速管、磁控管、環(huán)流器、脈沖變壓器等都需要水冷卻，水冷系統(tǒng)能夠自動(dòng)加熱和制冷以保持機(jī)頭內(nèi)在工作過(guò)程中保持恒溫。而水流檢測(cè)就是保證有足夠流量的水流過(guò)部件以達(dá)到冷卻效果。一旦水流不正常，機(jī)頭內(nèi)的水流量檢測(cè)開(kāi)關(guān)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。只有水流量正常后，才能工作。

3）氣壓保護(hù)

為了提高波導(dǎo)內(nèi)微波傳輸絕緣效果，在波導(dǎo)內(nèi)充入絕緣氣體SF6氣體。按照磁控管及波導(dǎo)的要求，氣體壓力設(shè)定有上限和下限保護(hù)，當(dāng)充氣壓力過(guò)大可能導(dǎo)致波導(dǎo)承受壓力大，過(guò)小起不到絕緣的良好效果。因此當(dāng)氣壓不正常時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

4）燈絲保護(hù)

12MeV加速器中磁控管、加速管在進(jìn)入高壓工作狀態(tài)前，要對(duì)其燈絲進(jìn)行預(yù)熱，并分為3分鐘低預(yù)熱和7分鐘高預(yù)熱狀態(tài)。在預(yù)熱過(guò)程中，按照對(duì)燈絲的供電電壓和電流的要求，使磁控管和加速管的處于最佳工作狀態(tài)。當(dāng)燈絲電壓和電流不正常時(shí)，會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

5）-400V保護(hù)

電離室是X射線檢測(cè)的裝置。電離室要求-400V的電源供電。對(duì)其保護(hù)主要是對(duì)其供電電源進(jìn)行保護(hù)，當(dāng)-400V電壓不正常時(shí)對(duì)損壞電離室，因此保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)-400V，出現(xiàn)異常會(huì)報(bào)警，對(duì)電離室做保護(hù)。

6） 高壓保護(hù)

高壓保護(hù)主要是實(shí)時(shí)檢測(cè)出束狀態(tài)時(shí)高壓電流， 當(dāng)電流過(guò)流情況發(fā)生時(shí)，馬上切斷高壓。

7） 反峰保護(hù)

反峰保護(hù)主要是對(duì)磁控管進(jìn)行保護(hù)的，一旦系統(tǒng)內(nèi)部負(fù)載不匹配，發(fā)生打火現(xiàn)象，反峰保護(hù)系統(tǒng)起作用，切斷高壓，發(fā)出反峰報(bào)警信號(hào)。

8）電磁鐵保護(hù)

12MeV直線加速器磁鐵采用電磁鐵，電磁鐵電源若工作不正常，回饋信號(hào)發(fā)生變化，會(huì)啟動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)。

9）風(fēng)冷保護(hù)

對(duì)于12MeV直線加速器，磁控管除了用水冷卻外，還需要風(fēng)冷系統(tǒng)，對(duì)磁控管進(jìn)行冷卻。因此風(fēng)冷的保護(hù)系統(tǒng)也是對(duì)磁控管的保護(hù)。一旦風(fēng)冷不正常或者停止工作。保護(hù)系統(tǒng)會(huì)馬上啟動(dòng)。

6.4 安全聯(lián)鎖系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)加速器來(lái)講，輻射安全是極為重要的，因?yàn)榧铀倨髂芰扛?、劑量高，出束過(guò)程中不許有人誤入檢測(cè)室。加速器設(shè)計(jì)有安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，加速器調(diào)制器外圍設(shè)置屏蔽網(wǎng)，以防止有人誤把手探入，并設(shè)有屏蔽網(wǎng)開(kāi)關(guān)，如果屏蔽網(wǎng)被拆，則控制系統(tǒng)無(wú)法開(kāi)啟進(jìn)入高預(yù)熱狀態(tài)。

在機(jī)頭、調(diào)制器、控制臺(tái)及檢測(cè)室四周，分別設(shè)置急停開(kāi)關(guān)，當(dāng)發(fā)生緊急情況時(shí)，可以按下急停開(kāi)關(guān)。加速器會(huì)馬上斷電，以保護(hù)人員及設(shè)備的安全。

加速器與檢測(cè)室大門、小門等所有門進(jìn)行聯(lián)鎖，當(dāng)有任一個(gè)門打開(kāi)或者沒(méi)有關(guān)好時(shí)，加速器用戶指示燈會(huì)報(bào)亮，無(wú)法加高壓出束。加速器安全聯(lián)鎖箱，配有鑰匙聯(lián)鎖，當(dāng)操作人員進(jìn)入檢測(cè)室時(shí)，拔下任意一把鑰匙，此時(shí)加速器無(wú)法出射線。

加速器在加高壓出束前，會(huì)發(fā)出10秒的預(yù)警信息，此時(shí)檢測(cè)室內(nèi)會(huì)有刺耳的聲音，以警告誤留檢測(cè)室內(nèi)人員迅速離開(kāi)。

6.5 能量切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了滿足現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)9MeV和12MeV的切換。能夠在9MeV狀態(tài)下運(yùn)行又能夠在12MeV狀態(tài)運(yùn)行。以滿足不同厚度的產(chǎn)品的檢測(cè)要求。為此系統(tǒng)設(shè)計(jì)了切換控制系統(tǒng)。

The technical design of 12MeV standing wave electron linear accelerator for non-destructive testing

LIU Jian-hui, MENG Xiang-yu, GUO Yan-bin, FAN Lin-xia, CHEN Yan, LI Xue-xian, WANG Fei, JIA En-ming

TN784

B

1009-0134(2011)5(下)-0081-05

10.3969/j.issn.1009-0134.2011.5(下).24

2010-12-15

國(guó)家數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)資助（2009ZX04014-091）

劉建輝 （1979－），男，河北石家莊人，工程師，主要從事電子直線加速器技術(shù)研究。