12MeV駐波電子直線加速器的能量調變技術設計

劉建輝，陳 巖，劉雨婷

LIU Jian-hui,CHEN Yan,LIU Yu-ting

（北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

12MeV駐波電子直線加速器的能量調變，使單能量加速器具有兩檔能量，可以滿足國內外不同類型的檢測標準對加速器能量的要求。當工件厚度減小時，降低能量使用，可使膠片靈敏度提高；當對非金屬工件無損檢測時，可增加密度分辨率，擴大了適用范圍。

根據加速管能量增益公式：

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。而隨著加速管輸入微波功率P0的降低以及加速束流的增加，整個加速器系統很多參數都會隨之改變，這些都是能量調變需要考慮的。

1 降低磁控管陽極電流，以降低微波功率

根據加速管設計，12MeV能量時，輸入到加速管的微波功率為2.6MW；9MeV能量時，輸入到加速管的微波功率為2.0MW。考慮波導系統0.6dB的損耗，則磁控管輸出功率從12MeV時的3.0MW降為9MeV時的2.3MW。查磁控管Datasheet，如圖1所示。

從圖1可以看出，磁控管輸出3.0MW功率對應陽極電流111A，磁場約1550Gauss；輸出2.3MW時，對應陽極電流98A，磁場約1380Gauss。因此，在9MeV情況下，需要通過De-Q電路把陽極電流從111A降至98A左右，如圖2所示。

圖1 磁控管輸出功率曲線

圖2 De-Q觸發電壓的切換

通過上圖的KK15觸點及電位器VR5，實現De-Q觸發電壓的切換。

2 降低高壓，減輕De-Q負載負荷

磁控管陽極電流由111A切換至98A時，若不采取其他措施，則De-Q負載損耗將由原來的7%增加到29%，負載功率增加3倍多，這是De-Q負載所無法承受的。因此，需要在降低磁控管陽極電流的同時，降低調制器高壓變壓器輸出整流高壓，以保證De-Q負載在合理的范圍以內。由于高壓變壓器副邊整流電壓約25kV難以操作，因此電壓切換選在高壓變壓器原邊，如圖3所示。

圖3 高壓電壓切換

圖3中，T1為高壓變壓器，KM2A、KM2B用于原邊抽頭切換。

3 降低磁場強度，保證磁控管最佳狀態工作

圖4 電磁鐵校正曲線

由上可知，能量由12MeV切換至9MeV時，為保證磁控管正常工作，電磁鐵磁場也需切換，磁場由1550Gauss切換至1380Gauss。參照MG6053電磁鐵datasheet所附曲線，如圖4所示。

此時，電磁鐵供電電流由24A降至21A左右。通過圖5電磁鐵供電及保護電路板（26AP）上的J4繼電器及W5、W6電位器進行電磁鐵電源預置電流值的設置和切換。

圖5 電磁鐵供電及保護電路

4 提高電子槍注入高壓，增加發射電流

按照加速管設計，能量降至9MeV時，電子槍高壓需由-10kV增至-15kV。這主要是通過切換電子槍一路脈沖變壓器高壓抽頭來實現的。考慮到一定的設計余量，取12MeV時脈沖變壓器槍高壓抽頭取-11kV，9MeV時取-17kV，并通過一定阻值的分壓電阻進行調節。如圖6所示。

圖6 電子槍高壓切換

圖6中，T5為脈沖變壓器，E2、E3為槍高壓抽頭，8個1.4K電阻用于高壓分壓，KT4能量開關用于高壓切換。

5 AFC預置位置切換

由前圖磁控管datasheet所示，磁控管陽極電流從111A降至98A時，磁控管輸出微波約有1MHz的頻率偏移，而加速管的謝振頻率不發生變化。因此要保證12MeV和9MeV都有較好的劑量上升率，必須切換磁控管預置頻率位置。如圖7所示。

圖7 AFC預置位置切換

圖7中，A12用于切換AFC預置值，RP10、RP11用于調整預置值大小。

6 聚焦切換

12MeV加速管的各項參數設計時雖然兼顧了9MeV的參數要求，但是會有設計出入。例如焦點問題。加速管優化設計在沒有外部聚焦的情況下，12MeV焦點小于2mm，而能量切換至9MeV時，由于注入微波功率降低，勢必導致軸向匯聚磁場的弱化，進而使9MeV的焦點有所發散，因此，需要考慮9MeV時的外部聚焦。聚焦切換如圖8所示。

圖8 聚焦切換

圖8中KK14、KM42用于聚焦電源切換，TDY1、TDY2用于調節聚焦線圈電流大小。

7 結束語

根據上述方法分別對12MeV、9MeV能量檔的參數進行設定調試，分別測得各自半值層為31.8mm、30.8mm，滿足能量設計要求。

通過對聚焦電源的調節，保證了9MeV能量檔時焦點尺寸≤2mm。

12MeV、9MeV滿功率出束1小時，各部件工作正常，無局部過熱現象出現。