大功率輻照加速器磁場系統研制

任秀艷，呂玉珠

（中國原子能科學研究院 核技術應用研究所，北京 102413）

大功率電子輻照加速器的磁場系統包括聚焦系統和掃描系統。在強流加速器中脈沖流強很高（達數百mA），空間電荷效應顯著，且加速距離長，輸運能量高，束流損失對加速管的工作穩定性影響較大，尤其在聚束段需對電子束進行橫向約束和聚焦，以保證獲得較高的俘獲效率和較好的相聚，從而達到減少束流損失、提高輸出能譜質量的目的。

電子輻照加速器的電子束以束團的形式從加速管出口處單方向射出，在加速管出口與掃描盒之間放置掃描磁鐵，需對電子束進行橫向掃描展寬，并同時移動輻照產品以實現對物品的均勻輻照。加速器電子束掃描的均勻性及掃描寬度對材料的輻照改性、輻照加工至關重要，直接影響材料的性質、輻照加工能力，因而保證電子束掃描寬度達到設計要求的同時，掃描均勻性也要控制在規定范圍內，從而提高輻照加工的質量。

中國原子能科學研究院承建的10MeV大功率輻照加速器，其聚焦磁場系統由6個聚焦線圈組成，在聚束段產生準均勻約束磁場；掃描磁鐵采用分體式結構，其電源輸出電流波形為三角波，磁場大小、方向隨時間變化，從而把束流均勻掃開。

1 磁場設計

1.1 聚焦及輸運磁場設計

在電子直線加速器的聚束區域，為克服射頻場和空間電荷力等因素的散焦作用，一般采用螺旋管聚焦，它調整較容易，磁場連續分布，中間不存在無場區，對線圈的準直要求較低。在結構上，螺旋管線包有長筒型線包和短餅型線包兩種，長筒型線包對安裝的同軸性要求較高，要保證加速管的軸線與磁場的軸線重合，否則電子束會偏離中心位置。短餅型線包由于每個線包很短，對線包的同軸性要求相對較低。所以，根據粒子動力學計算要求，按照短餅型進行設計［1］。對每個線圈的磁場徑向均勻區范圍的要求為φ＝3.5cm。

根據粒子動力學要求，采用Possion superfish［2］軟件對聚焦線圈進行磁場模擬計算，共設計6個聚焦線圈，通過對線圈的安匝數與位置進行優化設計，最終得出較理想的磁場分布，從而保證最佳的束流傳輸結果。圖1示出聚焦線圈磁場。

1.2 線圈工程設計

線圈結構由線圈骨架和導線組成，骨架材料為黃銅，導線采用扁銅漆包線。線包通電后由于導體的歐姆損耗而產生大量熱，為避免過熱需采用冷卻方式，自然冷卻方式的溫升一般高于水冷卻方式［1］。由于設計的線圈體積較大，且所通電流達十幾A，因此，采取水冷卻方式。

圖1 聚焦線圈磁場Fig.1 Magnetic field distribution of coils

1.3 線圈測試

測試項目包括每個線圈的磁化曲線、磁場徑向均勻區及整個系統的磁場分布。在1～10A范圍內，測量每個線圈的磁化曲線。圖2所示為1號、2號線圈的磁化曲線。由圖2可知，線圈與磁場隨電流變化的線性關系較好。

圖2 1號、2號線圈的磁化曲線Fig.2 Magnetic field curves of No.1and No.2coils

給1號線圈通9A電流，在經過圓心的直徑上，測量1號線圈磁場值隨徑向改變的曲線，徑向均勻度范圍φ＝4cm，滿足工程需要（圖3）。

將設計制造好的線圈按設計位置擺放，按照模擬計算結果，對線圈加載計算電流，可測出1條磁場曲線，此曲線與磁場模擬計算曲線基本擬合，在具體的調機過程中，根據實際情況對電流進行適當微調。磁場測試曲線與磁場模擬計算曲線示于圖4。

圖3 線圈徑向磁場分布Fig.3 Magnetic field distribution of coil

圖4 磁場曲線Fig.4 Magnetic field

2 掃描磁鐵設計

掃描磁鐵是輻照加速器不可缺少的元件，當束流能量一定時，電子束穿越磁場，其偏轉半徑隨磁場的變化而變化，從而使束流被掃開，掃描磁鐵設計要求為：電子束能量，10MeV；偏轉角度，±30°；掃描寬度，±334mm；掃描頻率，5～15s－1；磁極間距，48mm。

2.1 掃描磁鐵理論計算

根據電子束能量，計算偏轉磁鋼度：

其中：E0為電子靜止質量；W為電子束能量；R為偏轉半徑；B為磁感應強度。

根據偏轉角度和磁氣隙的要求計算偏轉半徑：

其中：R為偏轉半徑；c為二分之一磁極厚度；d為二分之一磁極間距；θ為偏轉角度。

掃描磁鐵的基本極面方程為y＝y0，它是1對平行于x軸且相距為2y0的平行平面。如果鐵心極面是由基本極面方程組成，用1組無限延伸平行平面極面可建立起一純二極磁場，但實際上鐵心表面磁極寬度必定是有限的，鐵心極面只能在一定寬度范圍內符合基本極面方程，而后從該范圍處斷開，這個位置稱為極面斷開點。極面斷開后，雖然磁場的主要成分仍為二極磁場，但已不是純二極磁場，還包含了因極面斷開產生的若干高階磁場。這些高階磁場形成了磁場的偏差，引起磁場質量下降。這種偏差為磁鐵本身固有的，為系統偏差，在設計過程中，應把它限制在一定范圍內。彌補基本極面斷開后產生的磁場質量下降通常可采用將極面斷開點延伸到離好場區邊緣足夠遠的地方，以便將極面斷開后對要求的有用場區范圍內磁場的影響減小到允許的程度（圖5）［3］。根據偏轉角度和磁極厚度，得出所需磁場好場區約為30mm，則a取40mm。

圖5 二極磁鐵好場區Fig.5 Good field range of dipole

根據磁場設計、好場區以及安裝尺寸的要求，用Possion superfish程序對掃描磁鐵進行磁場模擬計算，得出掃描磁鐵線圈的安匝數，根據線包電流密度要求確定線包匝數及所通電流。掃描磁鐵磁場分布如圖6所示。

圖6 掃描磁鐵磁場分布Fig.6 Magnetic field distribution of scanning magnet

2.2 掃描磁鐵工程設計

掃描磁鐵磁極結構設計為H型，分上下兩部分，能夠拆卸，便于安裝真空室。磁鐵結構如圖7所示，其磁極面積為16 800mm2。

圖7 掃描磁鐵結構Fig.7 Structure of scanning magnet

2.3 掃描磁鐵測試

為保證掃描磁鐵能長期穩定工作，需對掃描磁鐵的參數進行測試。分別給掃描磁鐵通8和6A直流電流，測試最大磁感應強度，測試結果分別為0.152 9和0.113 8T。

3 結論

配合10MeV電子直線輻照加速器的整機測試，對磁場系統進行聯調，并對掃描均勻度進行測試。距參考點－22～＋20cm范圍內最大吸收劑量Dmax＝4 441Gy，最小吸收劑量Dmin＝3 813Gy，其掃描均勻度100%，測得掃描均勻度為92%。

磁聚焦線圈結構簡單，便于安裝；線圈有3層冷卻水，保證線圈不受溫度限制，能長時間穩定工作；掃描磁鐵分體制作，便于安裝真空室；各部分配套電源調節方便，并與控制系統連鎖，便于控制、監測。

磁場系統各部分元件均進行了磁場分布及磁化曲線的測量，電源也進行了12h連續工作的考驗。測試后整套磁場系統安裝在大功率輻照電子直線加速器主體上。磁場系統已正常穩定運行至今，各項性能均滿足了加速器的技術要求。

［1］顧本廣.醫用加速器［M］.北京：科學出版社，2003：115－116.

［2］JAMES H B，LLOYD M Y.Possion superfish，A－UR－96－1834［R］.USA：Los Alamos National Laboratory，1996.

［3］趙籍九，尹兆生.粒子加速器技術［M］.北京：高等教育出版社，2006.