800kV／30mA電子輻照倍壓加速器研制

劉永好，李民熙，張金玲，郭洪雷，王勝利，蘇海軍，施衛國，楊永金，何子鋒，張宇田，李德明

（中國科學院 上海應用物理研究所，上海 201800）

Cockcroft-Walton倍加電路自20世紀20年代由Greinacher發明以來，已在各種直流高壓電源中被廣泛采用［1-2］。采用同樣電壓倍加原理的高壓型加速器稱為Cockcroft-Walton型，或倍加器型高壓加速器。早期這類高壓加速器采用空氣絕緣，因此體積很龐大。此后的幾十年發展中，又出現各種改進形式，如對倍加線路的改進、不同絕緣介質的采用以及多種頻率范圍的驅動電源的采用等，以適應不同的應用場合［3-6］。然而用作輻照加速器，加速器高壓電源采用Cockcroft-Walton 倍加器技術的報道很少，尤其在我國，輻照行業的主流機型主要由Dynamitron 和ELV 占據。倍加器技術應用于輻照的裝備研發，商業上較成功的是日本Nissin High Voltage公司在20世紀80～90年代研發的一系列中頻倍加器型EPS（electron processing system）設備，倍加電路多采用省略中間主電容器柱的一種類似對稱倍加線路的形式，驅動電源的頻率為1～5kHz，能量跨度為0.5～5MeV，最大束流功率可達150kW［7-8］。

2007年，中國科學院上海應用物理研究所成功研制一臺1.2 MV／50 mA 工頻倍加器型電子加速器。該高壓倍加器由兩臺油浸式變壓器為倍加線路供電，兩臺油變以及高壓饋電的油氣隔離通道占據了加速器設備的很大空間，造價昂貴，不適合應用到輻照領域。但考慮到此類加速器較高的能量轉換效率以及工頻驅動的優勢（如僅需常規變壓器供電，無需特殊設計的中頻變壓器且無需中頻驅動電源），因此完全有可能在1.2 MV／50 mA 倍加器研制經驗基礎上，通過技術改進，進一步挖掘其在設備體積、可靠性和造價上的潛力，研制出1 MV 以下的較實用的輻照加速器。本文將詳細介紹在1.2 MV／50mA 倍加器研制經驗基礎上，通過技術改進研制出的800kV／30mA 倍加器型加速器的設計、建造和調試。

1 高壓電源設計

基于1.2MV倍加器的研制經驗，對800kV／30mA工頻倍加器進行如下改進：采用氣體絕緣變壓器，變壓器直接置于SF6氣體電源鋼筒內，大幅縮減設備體積、簡化饋電、降低成本；優化高壓物理設計，高壓電源和加速管置于兩個鋼筒內，避免原1.2 MV／50mA 加速器中加速管真空擊穿時限流電阻區域局部電場惡化引起高壓擊穿造成保護組件失效的問題；對各級采用的電容以及整流硅堆的限流電阻進行優化。

圖1 800kV／30mA 倍壓型加速器電路原理Fig.1 Circuit diagram of 800kV／30mA Cockcroft-Walton electron accelerator

800kV／30mA倍壓型加速器電路原理如圖1所示。高壓電源的倍加線路選用傳統的3級對稱Cockcroft-Walton 倍加線路。考慮到輔助電容器組件C1′充放電電流較大，為兩個第1級輔助電容設計更大的電容37.5nF，以降低C1′上的電壓振蕩幅度。根據經驗，第1級的整流硅堆組件D1′最易受高壓沖擊而損壞，該措施將有助于減輕加速管真空擊穿時浪涌電壓對倍壓整流元件的沖擊。其余的電容均設計為12.5nF。

每個電容組件由若干個聚酯薄膜電容器串并聯組成，單個電容器的電容為75nF，額定電壓為70kV。每個整流組件均采用3 個2CL 200kV／0.5A 硅堆串聯組成，并設計有均壓電阻和限流電阻，以均衡3個硅堆元件之間的反向壓降，同時提供對硅堆的過流保護。分析可知，整流組件D1′運行時的反向電壓最大約367kV，而其他各級硅堆組件運行時的最大反向電壓均低于此值。

基于1.2 MV／50mA 倍加器的調試經驗，在高壓電源的頂端和加速管之間設計720kΩ的限流電阻，以降低真空擊穿時高壓端部對地放電的最大瞬間放電電流，減小對高壓電源的沖擊。

兩臺氣體絕緣變壓器由中國科學院上海應用物理研究所與江蘇雷宇變壓器公司聯合設計，并由該公司生產。其采用單一線餅塔式的線餅結構，并在設計時基于試制經驗對多個細節進行特殊處理。兩臺變壓器參數完全相同，額定輸出電壓為130kV，次級繞組的導線直徑按300mA 額定電流（有效值）進行設計，考慮了整流變壓器由于整流二極管有限導通角引起的平均電流增大的因素。由于電源鋼筒空間有限，變壓器的體積、容量及結構須均衡。兩臺變壓器的異名端相連，與兩個D1′的負極和C1連接，再經硅堆電流表接地。負載運行時，硅堆電流表的讀數即為電源的負載電流，反映束流的大小。

兩臺變壓器由一臺輸出為400V 的單相柱式調壓器供電，調壓器由工控機控制的步進馬達驅動，用來調節加速器的高壓輸出即束流能量。

高壓測量通過跨接在高壓和地之間的總阻值為960 MΩ 的一串高壓電阻實現，低壓端串接μA 表后接地。實際調試時，通過測得流過高壓電阻的微弱電流，推算高壓輸出。在該臺加速器中，這串高壓電阻還兼具均壓電阻的作用。

2 電子槍設計

電子槍供電采用隔離變壓器的方案，由4臺具有環形磁芯且變比為220∶220的隔離變壓器串接而成，初、次級線圈分別以整圈和半圈的方式繞制在鐵芯的內、外層上，以便于變壓器輸入、輸出及相互連接。初、次級之間按200kV電壓差進行絕緣設計。隔離變壓器組件的輸出線與高壓電源的高壓輸出一起引至加速管高壓端，在加速管高壓端上設置變壓比約為220∶4、功率為200 W 的變壓器，該變壓器的輸出與電子槍的燈絲相連。電子槍燈絲采用錸鎢絲結構，引出電極安裝在加速管內，均與中國科學院上海應用物理研究所的地那米加速器相同。

3 加速器整體設計

圖2 倍壓加速器總體結構Fig.2 Diagram of Cockcroft-Walton electron accelerator

加速器總體結構如圖2所示，圖2未顯示引出掃描系統。高壓發生器和加速管分別置放在兩個壓力鋼筒內，采用厚壁波紋管連接。高壓饋送采用1根中空的不銹鋼管，連接限流電阻上端部與加速管高壓端，兩根絕緣導線懸浮在800kV 上，由最后1個隔離變壓器引出，穿過饋電導管，接入位于加速管上方燈絲變壓器的輸入端。

主電容柱、兩個輔助電容柱和兩排硅堆柱，構成了倍加回路的主要部分。按高壓設計慣例，電容器柱設置均壓電阻和電暈環。由于輔助電容柱第1級中各層須容納更多電容，因此占據了更大的橫向空間，電暈環與鋼筒內壁的最短距離僅50mm，其余各層電暈環與鋼筒內壁最短距離為100mm。主電容柱兩側的硅堆組件組裝在有機玻璃板上，便于安裝和固定，并設有均壓環。

兩臺氣體絕緣變壓器安裝在鋼筒底部，位于兩塊輔助電容柱金屬底板的正下方，這樣，位于變壓器正上方的引出端子易與輔助電容器柱相連。但由于高壓電源工作時金屬底座與鋼筒之間存在105V 量級的電位差，因此，底座的支柱只能采用絕緣材料。

限流電阻組件由多個高壓電阻串并聯組成，并設置籠狀均壓環，軸向給予足夠空間。這樣，發生加速管真空擊穿時，承載800kV 的限流電阻組件本身不致于擊穿而失效。安裝時，限流電阻籠整體安裝在電容柱上方的高壓平臺上。

隔離變壓器較重，4 個隔離變壓器分層支撐、連接，并設置籠狀均壓環，整個籠子懸吊在鋼筒的頂部法蘭上。測量電阻兼具均壓電阻的作用，均布連接在各電暈環之間。

電源鋼筒的內徑為1.2m，高度約3.4m。兩個鋼筒充以0.65 MPa（表壓）的SF6絕緣氣體。整個電極系統的電場分布采用Poisson Superfish軟件包在水平和垂直方向對多處進行評估，確保即使考慮三維時電場增強因素，最大場強相對該氣壓SF6的擊穿場強也有足夠余量。

加速管和掃描引出系統采用了中國科學院上海應用物理研究所地那米加速器的成熟設計，控制系統為基于西門子的PLC 控制器設計，工控機與PLC 控制器通訊，實現基本參數的監控、調節和閉環等。

4 調試過程和結果

調試初期，控制系統未能真正實現步進電機對調壓器可靠的連續調節，常出現高壓上沖現象，為高壓鍛煉增加了風險并可能因此導致一臺變壓器的打火損壞。柱式調壓器也經過兩次返修。為加強對變壓器的保護，限流電阻此后調整為1 080MΩ。控制系統的問題解決后，采用一臺變壓器進行單邊升壓實驗，但系統高壓很難鍛煉至700kV，打火幾率較高且隨機，難以判斷是氣體放電還是加速管真空擊穿。為此，專門設計實驗，發現所用兩段舊加速管耐壓下降。

加速管經再處理后，系統最高電壓有所提升，放電情況大為減少，空載鍛煉至720kV，并在650kV 下成功進行了單邊線路15mA 的出束實驗。但此后，高壓難以鍛煉到更高值，放電頻繁，起始放電電壓較重復。經氣體干燥處理措施后，系統在連接加速管的情況下，輕松鍛煉至860kV 無放電。至此，高壓電源的高壓指標已被證明可達到。

在800kV／15mA 調試過程中，一次加速管放電再次造成另一變壓器損毀。通過解剖，發現兩臺變壓器的故障現象基本相同，均為次級線圈低壓端由于打火短路而燒毀。分析認為，廠家按常規在次級低壓端附近設置的多匝測量線圈及使用時的處理方式（懸浮）可能是造成該薄弱環節的重要因素。基于此，線圈重新繞制時，省略了測量線圈，并更換了層間絕緣材料。原始設計時還為變壓器副邊設置了對地放電球隙，提供過壓保護，但實際調試時未發現起保護作用的證據，甚至有不能解釋的現象，因此拆除了球隙。之后的調試中，近地的一臺燈絲隔離變壓器也發生了初級對地短路而損毀，初步分析原因為打火時高壓浪涌竄入且該變壓器存在質量缺陷。

系統完整恢復后進行了多次測試，因不具備800kV 出束的條件（目前使用的加速管在該高壓之上仍發生管流抖動現象，原因未查明，但很可能是加速管本身的原因），所以加速器一般空載高壓鍛煉至760kV，在700kV 下出束30mA，最長連續運行時間大于2h，最高引出束流33mA。系統偶有打火現象，但未再引起設備或倍加線路的故障。此后該加速器常用于一塊X 射線轉換靶的散熱考驗，至目前為止，一直運行良好。

5 討論

工頻倍加器型加速器的關鍵問題是解決其較高儲能的安全釋放，盡可能降低元件和設備損壞的幾率，當不可避免發生加速管真空擊穿時，穩定、安全的泄放通道、避免次生打火及加強關鍵部件的保護等是設計必須考慮的問題。

800kV／30mA 倍加器在倍加線路元件損壞的幾率上遠低于1.2 MV／50mA 倍加器，雖打火次數較多，但僅幾次線路元件損傷，調試過程中的問題多發生在外圍（如氣體、控制）、變壓器，甚至包含一些接線失誤可能導致的結果。

測試中，超過10 mA 的束流負載下，不計功率因數，加速器的能量轉換效率均超過85%，這樣實際能量轉換效率很可能接近90%。相對地那米型加速器，高能量轉換效率和工頻供電的便捷是該類型加速器用作1 MV以下輻照加速器的明顯優勢。長時間運行的可靠性考驗以及提高出束能力、增加散熱及盡可能降低損耗（如盡可能減小限流電阻）等改進均是目前的主要工作內容。

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