10MeV電子直線加速器輻照控制工藝研究

江 海，袁肖肖，張 偉，尹 政，段明皞

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；2.西北師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院，蘭州 730070；3. 中國科學(xué)院 近代物理研究所，蘭州 730000）

0 引言

電子束輻射加工技術(shù)廣泛應(yīng)用于熱縮材料、電線電纜、中藥、醫(yī)療用品及食品加工領(lǐng)域。北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司研制的10MeV/7.5kW輻照電子直線加速器已在用戶處安裝運(yùn)行4年時(shí)間。因不同的輻照產(chǎn)品需要不同的輻射劑量，且每種輻照產(chǎn)品都必須受到均勻輻照，這就對(duì)加速器的運(yùn)行參數(shù)提出了不同的限制條件。在加速器運(yùn)行過程中，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)對(duì)比積累了各種不同的產(chǎn)品所需要的最優(yōu)參數(shù)，近期對(duì)該加速器的束下傳輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高工作效率。

1 橫縱向均勻性研究

橫向劑量分布也稱為掃描方向劑量分布，指掃描后的電子束流在參考面上形成的與產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)方向垂直的有用束流寬度?？梢酝ㄟ^掃描電源的掃描電流調(diào)節(jié)，掃描頻率調(diào)節(jié)，來改變電子束斑在橫向的分布。但是，由于束流是脈沖的，電子束斑為高斯分布，且脈沖束在該方向邊緣存在斜入射現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致該方向的劑量分布不均勻。當(dāng)束斑內(nèi)束流密度分布為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系，物料照射在掃描束下進(jìn)行時(shí)，為使沿掃描窗寬度方向（簡稱橫向或X向）的劑量波動(dòng)不大于對(duì)應(yīng)的不均度期望系數(shù)k，束流脈沖重復(fù)頻率N、束流掃描寬度We、掃描頻率faw和束斑直徑之間受關(guān)系式制約：

faw為掃描頻率，單位為赫茲(Hz)；

We為束流掃描寬度，單位為厘米（cm）。

縱向劑量分布也稱為傳輸方向劑量分布，主要受到縱向傳輸速度的限制。當(dāng)束斑內(nèi)束流密度分布為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系，物料照射在掃描束下以傳輸帶工藝進(jìn)行時(shí)，為使沿傳輸帶運(yùn)行方向（簡稱縱向或y向）的劑量波動(dòng)不大于對(duì)應(yīng)的不均度期望系數(shù)k，傳輸帶的運(yùn)行速度vl、掃描頻率faw、束斑直徑e之間受下面關(guān)系式限制：

式中：

vl為傳輸帶的運(yùn)行速度，單位為米每分(m/min)；k為不均度期望系數(shù)，無量綱；faw為掃描頻率，單位為赫茲（Hz）；e為束斑直徑，單位為毫米（mm）。

當(dāng)要求縱、橫向的劑量波動(dòng)不均度相同，即縱、橫向有相同的不均度期望系數(shù)k時(shí)，vl、N、We、faw、e五個(gè)參數(shù)之間應(yīng)滿足下式的不等式協(xié)調(diào)限制條件：

縱向速度還受到輻照產(chǎn)品所需劑量的限制，假定Q0為單位時(shí)間內(nèi)輻照產(chǎn)品的傳送質(zhì)量，則有：

式中：b為輻照物的寬度，Rp為電子束在照射物中的穿透厚度，ρ為輻照物的平均密度。

若物品的厚度恰好是電子在該輻照物品中的射程，則在束流功率為Pb的情況下，該物品的吸收劑量Dm為：

由式(4)和式(5)可知傳送速度vl為：

當(dāng)電子束的重復(fù)頻率faw一定，產(chǎn)品在接受輻照時(shí)，不同的掃描頻率對(duì)產(chǎn)品輻照的均勻性各不相同。前期我們?cè)谠?0MeV/7.5kW電子輻照加速器上，由束流脈沖頻率、掃描頻率及傳送帶速率之間存在的關(guān)系，編寫過算法程序。程序能較直觀地顯示束斑的分布情況及獲得覆蓋率。通過對(duì)一系列數(shù)據(jù)的分析，當(dāng)掃描頻率faw在6.2時(shí)，能獲得相對(duì)較良好的效果。

2 深度方向均勻性研究

電子在介質(zhì)中吸收劑量的深度分布呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，其上升是由于電子束入射到吸收介質(zhì)，在碰撞及進(jìn)一步的級(jí)聯(lián)碰撞中次級(jí)電子逐漸積累，吸收劑量也就隨深度增加而增大，隨后吸收劑量隨吸收材料深度增加而減小[2]。電子束在均勻材料中沿著其軸線所貫穿的距離被定義為電子射程Rp，即電子束深度劑量分布曲線下降最陡段（即斜率最大處）切線的外推線與橫軸的相交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的深度，單能電子在物質(zhì)中的穿透深度與電子能量的大小密切相關(guān)，即能量越高，Rp越大。對(duì)于能量固定的加速器，其對(duì)物質(zhì)的穿透深度是固定的，被輻照物質(zhì)的密度越大，穿透深度越小。

1）單面照射的深度劑量曲線

以鋁片為受照材料，選用疊層法測量。在鈦窗的正下方放置鋁片三醋酸纖維（CTA）劑量片交替疊層，進(jìn)行電子束照射。CTA劑量片的厚度為0.0125cm，小于Rp/12，以確保有足量的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制深度劑量分布曲線。疊層的橫向尺寸不少于3Rp×3Rp，以避免邊緣效應(yīng),將電子束穿透鋁片的厚度按密度折算成水等效深度，以水等效深度（g.cm-2）為橫坐標(biāo)，劑量平均值（kGy）為縱坐標(biāo)繪制穿透深度曲線，并擬合成高次多項(xiàng)式，方差為0.999，如圖1所示。

圖1 水的吸收劑量曲線

電子射程 Rp是指電子束深度劑量分布曲線下降最陡（斜率最大處）切線的外推線與該曲線尾部韌致輻射劑量的外推線相交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的材料深度。

R50為均勻材料中吸收劑量等于與最大吸收劑量的一半所對(duì)應(yīng)的厚度。

半入射值深度R50e是指電子束深度劑量分布曲線中吸收劑量減少到表面入射劑量值的50%時(shí)所對(duì)應(yīng)的材料厚度。

最佳厚度Ropt是指在均勻材料中吸收劑量等于與電子束入射表面處的吸收劑量所對(duì)應(yīng)的厚度。

根據(jù)所得的深度劑量分布曲線下降最陡（斜率最大處）切線的趨勢方程，可計(jì)算不同密度產(chǎn)品的實(shí)際射程Rp、半入射值深度R50e和最佳厚度Ropt。

10MeV單一能量電子束輻照時(shí)射程深度與材料密度的關(guān)系可以按下式推算：

其中ρ為產(chǎn)品密度（g . cm-3）， Rp為電子射程（cm）。

但對(duì)普通電子輻照加速器而言，10MeV是最可幾能量，并非單一能量，因此需對(duì)其進(jìn)行修正，修正系數(shù)一般取0.90～0.95，現(xiàn)取0.93得：

其值與上圖實(shí)測的水當(dāng)量吸收劑量得出的數(shù)據(jù)，高度吻合。

2）單雙面輻射加工時(shí)的不均勻度曲線，如圖2所示。

圖2 單雙面輻射加工不均勻度曲線

以水當(dāng)量吸收劑量為例，從圖2中可以得出：

1）單面輻照時(shí)，當(dāng)厚度小于Ropt（圖中為3.71）時(shí)，其不均勻度為小于1.46，當(dāng)超過此厚度，吸收劑量不均勻度迅速惡化，接近時(shí)R50e（圖中為4.35）時(shí)，不均勻度到達(dá)2.5。

2）單面輻照時(shí)，當(dāng)厚度大于R50e時(shí)，其不均勻度超過2.5后，迅速惡化。

3）雙面輻照時(shí)，當(dāng)厚度小于Rp時(shí)，不均勻度小于2.5，但當(dāng)厚度在Rp與2Ropt時(shí)（圖中為5.19～6.26），不均勻度超過2.5，當(dāng)厚度繼續(xù)增加時(shí)，不均勻度反而降低，直到2R50e時(shí)（圖中8.96），不均勻度降到最低1.47，到達(dá)2Rp（圖中為9.71）時(shí)不均勻度超過2.5。

4）當(dāng)厚度大于Ropt時(shí)，就得考慮用雙面輻照，達(dá)到R50e時(shí)，必須使用雙面輻照，否則不均勻度將突破2.5，造成質(zhì)量不合格。

5）當(dāng)用雙面輻照時(shí)，應(yīng)避免厚度在Rp與2Ropt之間，因?yàn)榇藭r(shí)不均勻度會(huì)突破2.5～2.6，可能會(huì)造成產(chǎn)品不合格，應(yīng)慎用此區(qū)間，當(dāng)厚度在此范圍時(shí)應(yīng)采用適當(dāng)增加包裝物，以使輻照厚度達(dá)到合理區(qū)間。

6）當(dāng)用雙面照射時(shí)，最佳厚度范圍是2Ropt與2R50e之間。

7）當(dāng)厚度超過2Rp時(shí)，電子束將無法穿透，必須分開包裝進(jìn)行加工。

8）當(dāng)用雙面照射時(shí)，表面入射劑量，應(yīng)減至目標(biāo)劑量一半。

綜合以上所述，列表如表1所示。

表1 單雙面輻射加工的可用區(qū)間表

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

10MeV/7.5kW的束下傳輸線如圖3所示。

圖3 傳輸線整體方案圖

圖4 I/O口和模擬量控制方式示意圖

傳輸系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)采用西門子SINAMICS V20型變頻器驅(qū)動(dòng)，配合西門子公司的PLC1200使用?？刂品绞讲捎肐/O口和模擬量控制：如圖4所示，該種控制方式需要占用PLC的四個(gè)輸出點(diǎn)、一個(gè)輸入點(diǎn)以及一個(gè)模擬量輸出點(diǎn)。四個(gè)輸出點(diǎn)分別控制變頻器的啟動(dòng)、正反轉(zhuǎn)、故障確認(rèn)和點(diǎn)動(dòng)；一個(gè)輸入點(diǎn)用來接收變頻器的故障信息；模擬量輸出用來控制變頻器的頻率進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

PLC模擬量輸出的數(shù)字量最大值為32000。對(duì)應(yīng)輸出電壓值為0～10V，根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速、減速機(jī)的減速比及驅(qū)動(dòng)鏈輪直徑來確定束下傳輸線的運(yùn)行速度，可實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)變速。

在加速器運(yùn)行前期，系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)大部分利用操作人員的經(jīng)驗(yàn)，由人工操作完成。每一類產(chǎn)品有一組具體的參數(shù)輸入，該輸入方法操作起來比較麻煩，重復(fù)性工作較多，并且容易出現(xiàn)誤差。在這次修改中，對(duì)不同種類的輻照產(chǎn)品摸索出具體輻射工藝后，我們?cè)诳刂葡到y(tǒng)中增加配方的功能。配方是生產(chǎn)過程中一些變量對(duì)應(yīng)的參數(shù)設(shè)定值的集合。具體到該應(yīng)用中，我們將不同方向上的均勻性限制條件寫入PLC程序，并在配方中包含輻照物品的種類、密度、體積、輻照劑量、加速器束流功率、掃描頻率、傳輸線運(yùn)行速度、輻照高度等參數(shù)信息。用戶在使用過程中，只需要輸入輻照物品的品種，PLC就能自動(dòng)調(diào)整束下系統(tǒng)的運(yùn)行速度，達(dá)到優(yōu)化輻照的目的。

4 結(jié)束語

本文基于10MeV/7.5kW輻照電子直線加速器運(yùn)行中得出的相應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)，通過理論計(jì)算和實(shí)際運(yùn)行中的參數(shù)對(duì)比，重新設(shè)計(jì)了該輻照電子直線加速器的輻照控制工藝?，F(xiàn)場運(yùn)行實(shí)踐表明，該系統(tǒng)滿足中藥輻射加工對(duì)輻照電子直線加速器的工藝要求，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，提高了生產(chǎn)效率。對(duì)后期更大功率的10MeV輻照電子直線加速器的輻照加工工藝研究具有一定的指導(dǎo)意義。