12MeV無損檢測用駐波電子直線加速器總體技術設計

劉建輝，孟祥宇，郭彥斌，范林霞，陳 巖，李學先，王 非，賈恩明

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

12MeV無損檢測用駐波電子直線加速器總體技術設計

劉建輝，孟祥宇，郭彥斌，范林霞，陳 巖，李學先，王 非，賈恩明

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

本文主要討論了12MeV無損檢測用駐波電子直線加速器總體技術設計,主要部分的設計思路、要點及最終設計方案。

磁控管；磁場強度；電子槍注入高壓；AFC；聚焦

0 引言

12MeV無損檢測用駐波電子直線加速器總體技術設計的主要是根據要求制定加速器的主要參數并對系統各個主要部分的設計思路、要點及最終設計方案進行說明。

合同規定的對加速器的技術考核指標，主要包括：

1）能量：12MeV；

2）劑量率：≥5500cGy/min.m；

3）焦點：φ2～3mm；

4）檢測厚度（等效鋼）：76～420mm；

5）檢測靈敏度：ASTM E-142 1-2T。

依據技術考核指標，設計說明：

1）考慮一定的設計余量，在進行加速管設計時，取劑量率≥6000cGy/min.m；

2）加速管設計時，焦點按≤φ2mm設計。如果超過該尺寸，可以通過聚焦線圈進行調節；

3）由于超過10MeV電子束打靶時，會產生中子，會有一定的感生輻射殘留。因此在設計初期，要求加速器出束完畢后，需要等待一段時間再進入曝光室操作。這無形中增加了每張底片的處理時間，降低了效率。為此，新增一檔9MeV能量，用于對較薄工件進行無損檢測，提高效率。而通過設備研制完成后對感生輻射進行的實際測量來看，感生輻射在要求范圍內，不會影響檢測效率。

加速管是加速器設備的核心部件，加速管的設計參數決定了加速器設備能夠達到的技術指標。

1 加速管技術設計

加速管的主要設計指標：

1）電子束能量：12MeV、9MeV可調；

2）X射線劑量率：12MeV時，6000cGy/min.m；

3）焦點：≤φ2mm。

加速管技術設計說明：

1）駐波加速管結構設計；

2）加速管主要設計參數。

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：加速管諧振腔列長度（m）

I：脈沖加速束流（A）

由此可見，加速管設計需要對βc、P0、ZT2、L、I等進行選擇，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）加速管長度L

3）加速管涉及的其他問題

（1）水冷設計

（2）饋入口

（3）聚焦導向線圈

2 微波源技術設計

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

頻率范圍：2993～3002MHz

峰值輸出功率：3.1MW

磁場：1600Gauss（使用MG6053電磁鐵）

燈絲電壓：14V

燈絲電流：8.0A

燈絲啟動電流：不大于20A

陰極預熱時間：最小10min

陽極電流：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

參照上述性能參數及典型應用，我們選定磁控管工作參數如下：

磁場：1600±25Gauss

陽極電流：110A

燈絲電流：8A

脈沖寬度（半高）：4.5 μ S

重復頻率：50～290pps

3）磁控管注意事項說明

（1）MG6090磁控管與常用的MG5193、MG5125磁控管在外形結構上有很大不同，磁控管的陰極垂直磁極面，從磁極中心伸出，因此傳統的C型磁鐵無法使用，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象更為嚴重，因此，除了燈絲切換之外，還需要對陰極進行強迫風冷，以保證良好的散熱。

3 能量調變設計

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9MeV能量檔。根據前述公式：

可知，在加速管的特性參數βc、ZT2、L已經確定的時候，要想降低能量，唯有降低P0并增大I。能量調變涉及的參數變化很多，主要有：

1）降低磁控管陽極電流，以降低進入到加速管的微波功率；

2）減低電磁鐵磁場，保證磁控管最佳狀態工作；

3）提高電子槍注入高壓增加發射電流；

根據加速管的設計說明，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，電磁鐵磁場從1600Gauss降至1420Gauss。

4 調制器技術設計

調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，它的性能參數主要取決于磁控管的工作狀態。調制器的設計主要依據MG6090磁控管工作參數而定，同時考慮12/9MeV能量切換要求。采用線型調制器技術方案。

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

調制器高壓主回路設計說明：

1）脈沖形成網絡（PFN）特性阻抗的選擇

脈沖形成網絡（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，則通過計算可知，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，這樣計算出來的充電高壓約為23kV，較50 Ω時大為降低，只是這種情況需要兩根高頻電纜并聯，這也是通常的做法。

2）脈沖波形的要求

（1）脈沖寬度

上面提到磁控管陽極電流的脈沖寬度設計為4.5 μ S，而事實上，當磁控管陰極高壓降到一定程度時，磁控管即停振，陽極電流降為0，因此陰極高壓要比陽極電流的寬度略寬，通常寬大約0.3 μ S。因此，調制器設計時，PFN脈寬取4.8 μ S。

（2）脈沖幅值

磁控管額定脈沖電壓在49kV，陽極電流110A，考慮一定余量，按50kV，110A設計，以便調試時如果能量或劑量率不滿足要求，可適當提高陽極電流至112A～115A。

（3）上升前沿

考慮到磁控管規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系，即匹配、正失配和負失配。一般采用負失配方案，以加快閘流管的消電離。由于磁控管的磁場由電磁鐵產生，因此基本可以忽略磁場隨時間的衰退產生的磁控管阻抗變小，引起負失配加重的發生。磁控管打火等嚴重的負失配可通過反峰電路來消除。

4）波頭匹配問題

磁控管未起振前，其阻抗無窮大，在脈沖變壓器的初級電壓波形的上升前沿上將會產生非常大的過沖，會導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并聯一個RC串接電路，使之在脈沖上升期間與脈沖變壓器初級阻抗相同，呈現匹配狀態。

5）De-Q電路要求

除了溫度影響外，磁控管陽極電流幅度的快變化也會影響輸出微波的頻率，進而影響加速器輸出劑量的穩定。這種快變化AFC無法自動調整，只能通過穩定陽極電流的方法解決。一般要求陽極電流穩定度在0.1%以上，一般采用De-Q電路實現。

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

5 AFC設計

駐波加速器的工作頻帶很窄，幾十千赫茲的頻率變化就會導致磁控管微波功率嚴重反射，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，由于能量調變時，磁控管輸出微波頻率隨之發生較大變化，因此，需要對12MeV、9MeV能量分別設置預置位置，確保加速器良好的劑量率上升率。為了補償這種頻率的變化對加速器正常工作的影響，需要實時調節磁控管的頻率，使之與加速管的諧振頻率保持一致。這就是自動頻率控制（AFC）系統要實現的目的。自動頻率控制系統采用常見的鎖相調頻技術方案。

6 控制系統技術設計

6.1 控制系統

12MeV直線加速器，主要由加速器機頭、調制器、控制臺、水冷系統、安全聯鎖系統等組成，如圖1所示。為了能夠使設備安全有效的工作，12MeV直線加速器要求有更加穩定、可靠、安全的控制系統。控制系統能夠使得加速器的機頭、調制器、控制臺、水冷系統等有機的聯系起來，達到最佳的工作狀態。

控制系統設計采用集中控制方式。

為了保證加速器控制系統的可靠性和穩定性，不在機頭內放置CPU控制器和存儲芯片。因此控制系統采用集中控制的方式，把控制器放置到操作臺，與位于檢測大廳的機頭線纜連接。

圖1 加速器系統框圖

操作控制有兩種方式，控制臺按鈕式操作和計算機操作。按鈕設置在控臺上，操作人員可以方便的進行開機、待機、出束、停束、設置劑量等操作。計算機操作是通過在計算機顯示器上進行開機、待機、設置劑量的操作。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個數字量I/O 點。它可連接7個擴展模塊，最大可擴展至248路數字量I/O 點或35路模擬量I/O點。有13k字節程序和數據存儲空間，6個獨立的30kHz高速計數器，2路獨立的20kHz高速脈沖輸出，2個RS485通訊/編程口，具有PPI通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。系統中CPU226又擴展了兩塊本地16I/16O 模塊EM223如圖2所示。

6.3 保護電路設計

圖2 PLC控制電路圖

為使加速器系統正常運行，控制系統中設有許多保護電路。每個保護電路的信號都輸入到PLC控制器，通過與上位機連接，在上位機顯示出相關保護信息，方便操作人員處理。當部件的工作條件不能滿足工作要求時，保護電路動作，提示操作人員注意。根據保護電路的等級，這些信號又分為狀態提示信號和故障報警信號。當故障報警信號發生在出束過程時，將會立刻切斷高壓，使系統退出出束狀態。以下是部分保護電路的設計介紹。

1）真空保護

加速器中的加速管是電真空器件，由鈦泵來維持加速管真空。當加速管真空度變差偏離要求時，保護電路動作報警。真空保護電路通過檢測鈦泵工作時的微小電流實現對加速管真空度監測。鈦泵電流正常時很小，一旦變大，說明真空度變差。 超過設定值時，保護電路動作，提示不能加高壓出束。待加速管正常后，再重新進入工作狀態。設計專門的真空保護板，對信號進行放大濾波提取，輸入到PLC。

2）水流保護

在加速器系統中，水冷卻系統是一個重要的系統。機頭內部幾個重要的部件如加速管、磁控管、環流器、脈沖變壓器等都需要水冷卻，水冷系統能夠自動加熱和制冷以保持機頭內在工作過程中保持恒溫。而水流檢測就是保證有足夠流量的水流過部件以達到冷卻效果。一旦水流不正常，機頭內的水流量檢測開關會發出報警信號。只有水流量正常后，才能工作。

3）氣壓保護

為了提高波導內微波傳輸絕緣效果，在波導內充入絕緣氣體SF6氣體。按照磁控管及波導的要求，氣體壓力設定有上限和下限保護，當充氣壓力過大可能導致波導承受壓力大，過小起不到絕緣的良好效果。因此當氣壓不正常時，會發出報警信號。

4）燈絲保護

12MeV加速器中磁控管、加速管在進入高壓工作狀態前，要對其燈絲進行預熱，并分為3分鐘低預熱和7分鐘高預熱狀態。在預熱過程中，按照對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。當燈絲電壓和電流不正常時，會發出報警信號。

5）-400V保護

電離室是X射線檢測的裝置。電離室要求-400V的電源供電。對其保護主要是對其供電電源進行保護，當-400V電壓不正常時對損壞電離室，因此保護系統實時檢測-400V，出現異常會報警，對電離室做保護。

6） 高壓保護

高壓保護主要是實時檢測出束狀態時高壓電流， 當電流過流情況發生時，馬上切斷高壓。

7） 反峰保護

反峰保護主要是對磁控管進行保護的，一旦系統內部負載不匹配，發生打火現象，反峰保護系統起作用，切斷高壓，發出反峰報警信號。

8）電磁鐵保護

12MeV直線加速器磁鐵采用電磁鐵，電磁鐵電源若工作不正常，回饋信號發生變化，會啟動保護系統。

9）風冷保護

對于12MeV直線加速器，磁控管除了用水冷卻外，還需要風冷系統，對磁控管進行冷卻。因此風冷的保護系統也是對磁控管的保護。一旦風冷不正常或者停止工作。保護系統會馬上啟動。

6.4 安全聯鎖系統設計

對加速器來講，輻射安全是極為重要的，因為加速器能量高、劑量高，出束過程中不許有人誤入檢測室。加速器設計有安全聯鎖系統，加速器調制器外圍設置屏蔽網，以防止有人誤把手探入，并設有屏蔽網開關，如果屏蔽網被拆，則控制系統無法開啟進入高預熱狀態。

在機頭、調制器、控制臺及檢測室四周，分別設置急停開關，當發生緊急情況時，可以按下急停開關。加速器會馬上斷電，以保護人員及設備的安全。

加速器與檢測室大門、小門等所有門進行聯鎖，當有任一個門打開或者沒有關好時，加速器用戶指示燈會報亮，無法加高壓出束。加速器安全聯鎖箱，配有鑰匙聯鎖，當操作人員進入檢測室時，拔下任意一把鑰匙，此時加速器無法出射線。

加速器在加高壓出束前，會發出10秒的預警信息，此時檢測室內會有刺耳的聲音，以警告誤留檢測室內人員迅速離開。

6.5 能量切換系統設計

為了滿足現場的實際需求，實現9MeV和12MeV的切換。能夠在9MeV狀態下運行又能夠在12MeV狀態運行。以滿足不同厚度的產品的檢測要求。為此系統設計了切換控制系統。

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

國家數控機床重大專項資助（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研究。