反射磁鐵在改善線纜輻照均勻性方面的應用

許森飛，俞章華，俞 江，葉啟捷，范利平，朱煥崢，陸潔平，狄世思

(中廣核達勝加速器技術有限公司，江蘇 蘇州 215214)

2018年，國內工業加速器輻照加工年總產值超過1.4億人民幣，工業電子加速器使用量增加迅速。截止2018年底，全國在建及已建的工業輻照電子加速器超過700臺，其中90%以上的電子加速器用來輻照線纜。目前可輻照的線纜包括：電力電纜、裝備電纜、通訊電纜等[1]。

在線纜輻照加工中，由于大規格線纜(外徑40～80 mm)的直徑較大，絕緣、護套層、圓周弦長相對較長，線纜在束下纏繞的圈數數量限制、電子束能量大小的限制、輻照時線纜自身不能有效的旋轉等因素，電子加速器在輻照線纜時普遍存在輻照不均勻現象，即在線纜圓周方向吸收劑量不均勻，四面或多面熱延伸不一致，且最大熱延伸與最小熱延伸相差遠大于1.5倍[2]，或不均勻度遠超出-20%～20%范圍。熱延伸是考核橡皮絕緣和塑料絕緣材料在熱和負荷作用下塑性變形和永久變形的一種檢驗方法，采用比使用溫度高很多的試驗溫度和一定負重的條件，通過較短時間熱老化延伸率的變化來體現塑性變形和永久變形的一種試驗。熱延伸不均勻的線纜在使用時在熱延伸特別大以及特別小的部分率先出現龜裂、水樹、電擊穿、機械性能部分喪失等老化問題，造成整條線纜使用壽命縮短。引起線路開路、短路、起火等一系列災難性后果，給工程使用帶來了極大的安全隱患。本文主要分析線纜輻照加工時出現不均勻現象的原因和解決方法，以期為輻照大規格線纜時提高線纜的輻照均勻性提供參考。

1 線纜輻照不均勻分析

1.1 原因分析

由于輻照加工中，束下線纜纏繞的方法通常是變形“8”字(見圖1)，所以本文重點分析變形“8”字纏繞時輻照不均勻的原因。

(1) 在變形“8”字纏繞中，由于上層的遮擋，下層線纜接收的電子束少，這是造成線纜沿圓周方向劑量不均勻的主要原因(見圖2)。線纜外徑越大，下層被遮擋現象越嚴重，輻照越不均勻。

(2) 電子加速器輻照時，電子束從線纜上方呈扇形垂直照射下來。在變形“8”字纏繞中，曾試圖通過線纜自身旋轉來保證其各個面均勻的接受輻照。但是，由于線纜從進線端到出線端類似螺旋狀運動，在牽引的拉力與線纜本身的反向扭力共同作用下，其自身旋轉不是360°，更多的是90°到180°之間。不同類型的線纜自身旋轉的角度也不同。

圖1 束下線纜變形“8”字纏繞方式Fig.1 The “8” winding mode of underbeam

圖2 線纜照射截面示意圖Fig.2 Diagram of cable irradiation section

假設將線纜橫截面均勻分為1～4四個象限(見圖3)。初始狀態是1和2象限在電子束正下方，可以正常接受電子束輻照。3和4象限由于1和2象限的遮擋不能正常接受電子束輻照(見圖3a)。輻照時，如果線纜僅旋轉90°，4象限的線纜可以旋轉到電子束的正下方(見圖3b)。這樣，線纜的1、2和4象限可以正常接受輻照。而3象限不能有效的旋轉到正面接受電子束的輻照。當線纜離開輥筒后，在自身扭力的作用下又恢復到初始狀態，所以3象限不能接受到合理的劑量，可能造成線纜沿圓周方向劑量不均勻。

(3) 變形“8”字纏繞方式將線纜分為上下兩層，如果下層線纜距鈦膜較遠，由于電子束能量的衰減，下層線纜接受的劑量將減少，也會造成輻照不均勻。經過實驗測試，距鈦膜距離每增加10 cm，電子束能量將衰減0.1～0.2 MeV。能量的減少勢必影響輻照均勻性。

圖3 線纜照射截面旋轉示意Fig.3 Rotation diagram of cable irradiation section

1.2 改善輻照不均勻傳統方法

為了改善輻照不均勻現象，通常從輻照工藝及束下線纜運行方式兩個方面采取措施，解決輻照不均勻問題。

1.2.1累積輻照劑量不變，輻照兩遍或三遍 此方法雖然有改善效果，但是大大降低了生產效率。由于輻照遍數增多，加大了輻照過程中線纜損傷的風險。

1.2.2輻照劑量不變，增加束下纏繞圈數 雖然束下纏繞圈數越多輻照均勻性越好，但大直徑線纜單位長度質量比較大，常常會導致因內牽引啟動轉矩不夠，帶不動線纜等原因而存在燒毀線纜的風險；而增加外部牽引，則線纜容易壓扁，不能保證圓度。

1.2.3增大輻照劑量，輻照一遍 增大輻照劑量可以提高輻照均勻度，但會損失高分子材料的其他優良性能。劑量過大，對于某些大直徑線纜是不合適的。如材料的體電阻急劇下降、絕緣擊穿、放電，或后續耐壓試驗失敗、斷裂伸長率等力學性能急劇減少。大劑量輻照還會造成護套或絕緣脫殼、起泡、爆裂致使線纜報廢。也可能因為輻照劑量過大，在高分子材料微觀結構上形成缺陷，從而影響其耐酸堿、耐大氣老化等化學性能[5]。

1.2.4交叉 “8”字輻照 在輻照小規格電線時，使用交叉“8”字的方法改善輻照均勻性較好(見圖4)，但對于大直徑線纜的輻照效果不理想，原因如下：1) 線纜交叉“8”字纏繞時，更不易翻轉，線纜緊貼在輥筒表面，其側面始終垂直于輥筒表面。對于線纜側面圓周弦長，電子束不能穿透；2) 輻照大規格線纜使用的束下輥筒直徑較大，交叉“8”字纏繞時線纜架設較高，束流擋板在打開與閉合時易劃傷線纜；3) 線纜在滾筒上包角較大，牽引機可能拉不動，如果使用較大的力拉，線纜可能被壓扁。

圖4 交叉“8”字輻照方式示意圖Fig.4 Irradiation mode of cross “8”

1.2.5線纜自旋轉輻照 輻照加工早期使用線纜自旋轉的方法解決輻照不均勻問題[4]。由于是一根線纜獨自運行(見圖5)，所以其吸收劑量小、加工速度慢、收放線裝置也要同步旋轉以及其他原因，現在已經被徹底放棄。

圖5 線纜自旋轉輻照方式示意圖Fig.5 Cable spin irradiation mode

綜上所述，無論從輻照參數等工藝方面，還是束下繞線方式方面，都還存在難以克服的問題。經過長期實踐，業內人士發明了反射電磁鐵雙面輻照線纜的方法。

2 反射磁鐵工作原理、組成、特點

2.1 反射磁鐵工作原理

反射磁鐵有兩對磁極，一對電磁線圈(見圖6)。為防止束流燒毀磁極與線圈，均通有冷卻水。反射磁鐵放置在掃描窗下方，被輻照的線纜在掃描窗與磁鐵中間通過。箭頭表示電子束流，一部分直接照射在線纜上表面，另一部分經過磁場反射照射在線纜下表面。

圖6 反射磁鐵工作原理示意圖Fig.6 Working principle of reflection magnet

根據洛倫磁力定理，運動電子在靜磁場中做圓周運動，所受向心力為洛倫磁力[3]，力的大小為：

F=qvB

(1)

式中：F為電子受到的洛倫磁力，N；q為電子電荷，1.602×10-19C；v為電子速度，m/s；B為磁感應強度，T。

在洛倫磁力的作用下，電子在磁場中產生偏轉運動，偏轉運動的半徑為：

R=mv/qB

(2)

式中：m為電子質量，9.110×10-31kg；其余同公式(1)中含義。

公式(1)和公式(2)表明：1) 磁場中洛倫磁力使電子束由直線運動改變為偏轉運動；2) 偏轉運動彎曲程度與電子束能量、磁場強度均有關；3) 反射磁鐵通電后產生磁場，磁場強度在兩個鐵芯之間的狹長空間區域較強，其余空間磁場強度很小。

2.2 反射磁鐵組成

2.2.1反射磁鐵 反射磁鐵實物圖示于圖7，從圖7中可以看到，反射磁鐵有一對安裝在導磁立柱上的長方形磁極，還有一個凹形束流擋板，在擋板下方各有一個電磁線圈。細管是冷卻水管。兩對磁極中間的狹長區域為反射磁鐵的有效工作磁場區域。

反射磁鐵的線圈用來產生磁場，每個線圈電阻12.5 Ω，兩個線圈串聯阻值25 Ω。四個長方形純鐵磁極組成磁場通路，兩個磁極中間的狹長區域為磁隙，此處磁場集中，強度大。從束流引出窗出來的束流一部分照射到線纜的正上方，一部分從線纜兩側照射在磁隙處，這一部分電子束以圓弧軌跡偏轉打在線纜的背面。電磁線圈、凹形束流擋板、導磁立柱、磁極等均通有冷卻水，反射磁鐵冷卻水與加速器高壓聯動，防止電子束燒毀磁鐵。

圖7 反射磁鐵實物圖 Fig.7 Reflection magnet photo

2.2.2反射磁鐵電源 反射磁鐵電源示于圖8，顯示屏上下數值分別為電壓(V)與電流(A)。其兩個主要參數指標為輸出電壓0～150 V，連續可調；輸出電流0～6 A，連續可調；最大輸出功率900 W。

圖8 反射磁鐵電源Fig.8 Reflecting magnet power supply

反射磁鐵電源是一臺恒流電源，為電磁線圈提供穩定的電流，產生穩恒磁場。穩恒磁場可保證被反射的電子束流強度穩定，從而使得線纜吸收的劑量始終不變，保證輻照均勻性。

2.3 磁場方向判定

掃描窗引出的束流一部分照射到線纜上表面，另一部分需被反射磁鐵反射到線纜的下表面。為了使被反射的電子束朝線纜的下表面方向運動，需要正確的磁場方向。因此使用反射磁鐵輻照加工前，必須先判定磁場方向(見圖9)。具體判別方法如下：打開電源，使用面板電流調節旋鈕調節電流至3～4 A，電磁鐵將產生磁場；使用一根長1 m、0.35 mm2的軟線分別垂直放在兩組磁極中間，線兩端與一個1#電池相連，電池正極向下，模擬電子束的運動方向；導線通電的瞬間由于洛倫磁力的作用，軟線將會擺動。因為要求左邊電磁線圈與右邊電磁線圈產生的磁場方向相反，所以，如果擺動的方向朝向內側，電源接線正確。反之，電源連接線接錯，需要改變接線的方向。

圖9 磁場方向判別示意圖Fig.9 Determination of magnetic field direction

2.4 測試反射效率

線纜輻照的均勻度取決于電子束被反射磁鐵反射的數量。設電子束流為I，被反射的束流強度為I′， 希望I′/I=0.7～1.0之間，數值越大越好，即反射的束流強度越接近正面入射的束流強度越好。

反射效率不但與磁場強度、反射磁鐵高度有關，還與電子束能量、掃描X方向的長度有關。磁場強度由反射磁鐵恒流電源產生的電流決定，電子束能量與X掃描長度由電子加速器調節。

反射磁鐵高度在15～20 cm之間，調整高度后必須根據電子束能量調整反射磁鐵電流、X掃描長度之間的相互對應關系，以使反射效率最大。

測試反射效率具體方法如下：首先確定照射時的束流軌跡(見圖10)，簡稱束條。在磁極上，左右均衡地各放置一片普通硅酸鹽玻璃片，玻璃尺寸為2 mm×100 mm×1000 mm(厚×寬×長)。磁極上束流軌跡長度應為900～1 000 mm，在此長度時，可以將反射效率調整到最大值。

圖10 束流軌跡接收測試圖片Fig.10 Photo of beam shape reception test

束條測試完后取出玻璃片，使用測試靶(見圖11)調試反射效率。測試靶由半圓形銅管組成，銅管中間放置云母絕緣管使其相互絕緣。上、下兩組半圓形銅管分別串聯起來，通過0.75 mm2導線各接到一個1 kΩ/0.25 W電阻上，電阻另一端接公共地。

圖11 測試靶Fig.11 The test target

測量電阻兩端的電壓，計算電子束的反射效率。電子束能量為1.8～2.8 MeV時，反射效率為70%～90% ，對應的磁場強度為80～120 mT。測量電阻是兩個1 kΩ/0.25 W的五色環金屬膜電阻(見圖12)，通過0.75 mm2的導線分別與測試靶正反兩面相連。正面照射的電子束與反射的電子束分別照射在測試靶的上表面與下表面，使用數字萬用表2 V直流檔測量這兩個電阻上的電壓，通過計算電壓的比值可知反射效率。

圖12 測量反射效率的電阻Fig.12 Resistance to measure reflection efficiency

2.5 反射效率與電子束能量、掃描長度、磁場強度之間的關系

為增加電纜輻照的均勻性，即最大熱延伸與最小熱延伸的比值接近1.5[2]，必須調整反射磁鐵的反射效率使之盡可能的達到最大值。為了解反射磁鐵的反射效率，需要做相應的測試。

采用DD3.0-30/1200型電子加速器進行測試，DD型電子加速器是一種工業用可以產生高能量電子束流的設備，可改善電線電纜的護套或絕緣層的耐熱性能及其他使用性能。該電子加速器為高頻高壓型電子加速器，產生的電子束流最大能量為3.0 MeV，最大電子束流強度為30 mA，電子束流掃描后最大長度為1 200 mm。導向電流I=0.01 A、聚焦電流I=5.1 A；電子束能量E分別為 2.2、2.5、2.8 MeV，能量閉環工作，即能量處于自動跟蹤、穩定在設定值的工作狀態；束流：本底0.24 mA+出束2.0 mA，束流閉環工作，即束流處于自動跟蹤、穩定在設定值的工作狀態；測試靶距鈦膜高度170 mm。

分別取2.2、2.5、2.8 MeV三個能量，在每一個能量工作狀態上分別設置三個掃描電流。當電子束能量、掃描電流設置完成后，連續調節反射磁鐵的電源電流，計算反射效率。測試結果列于表1，表1數據表明能量越高，磁鐵電流相應加大，掃描電流相應調整保證掃描長度基本不變(1 050 mm)，反射效率約80%。

表1 電子束能量、反射磁鐵電流、掃描電流與反射效率的關系Table 1 The relationship between energy, reflected magnetic current, scanning current and reflection efficiency

2.6 反射磁鐵輻照加工特點

使用反射磁鐵輻照線纜產生了與傳統的輻照方法不一樣的特點與效果。反射磁鐵上方的線纜受到掃描窗出來的電子束與反射的電子束照射， 反射磁鐵下方的線纜不被照射。線纜是緊密排列，同方向運行。具體特征如下：

1) 線纜運行方式為“O”型(見圖13)。由于反射磁鐵的使用與線纜纏繞方式的改變，將提高束流利用率，改輻照兩遍為一遍，提高了生產效率。

圖13 反射磁鐵輻照線纜示意圖Fig.13 Radiation cable with reflective magnet

2) 上層線纜緊密排列(見圖14)，其最佳排列寬度400 mm。線纜同向運動，與輥筒之間的包角小，保證了線纜圓度、減少了線纜表面損傷的程度。

3) 線纜兩側的電子束在磁隙中受力，運動方向發生了180°改變。線纜正上方的電子束照射在線纜的上面，被反射的電子束照射在線纜的背面，極大的提高了電子束流的利用率，同時改善了電纜的輻照均勻度。

圖14 線纜“O”型纏繞輻照照片Fig.14 Photo of cable “O” type winding

4) 對于外徑40～80 mm大截面圓形線纜，測試熱延伸沿圓周方向的誤差范圍為-20%～20%。改善了大截面線纜常規輻照時沿圓周方向劑量不均勻問題。同時由于輻照劑量小，并不影響線纜其他重要性能。

3 反射磁鐵使用前后效果對比

3.1 束下線纜“O”形纏繞(跑道式，不使用反射磁鐵)

采用DD3.0/30電子加速器對外徑54 mm、壁厚2.4～2.6 mm的線纜進行輻照，輻照后測試結果如下(要求熱延伸為5%～20%)。

1) 設定吸收劑量為120 kGy，線纜輻照一遍后，沿線纜同一截面相距90°均勻取四個點，使用紅外測溫儀測試其表面溫度，四面溫度分別為31、42、50、50 ℃。

2) 沿線纜同一截面圓周方向相隔45°均勻取8個點，黏貼8個美國GEX B3輻射變色薄膜劑量計(以下簡稱B3劑量片)，測試線纜吸收劑量，見圖15，最大劑量132 kGy，最小劑量15 kGy，最大劑量與最小劑量比值為8.8，超過1.5[2]。

3) 輻照2遍后線纜吸收劑量為240 kGy ，四面取樣測試熱延伸結果：25%、90%、125%、斷(在200 ℃老化箱中進行15 min負載下耐熱測試，時間小于15 min時，樣品在2 cm長刻度中間斷裂。表明熱延伸測試失敗，樣品輻照結果不合格)。

4) 輻照3遍后線纜吸收劑量為360 kGy ，四面取樣測試熱延伸結果：25%、35%、45%、斷；

圖15 未使用反射磁鐵輻照一遍四周吸收劑量 Fig.15 The absorbed dose test without use the reflective magnet

從劑量片與熱延伸測試結果可以看出，無反射磁鐵“O”型纏繞時，劑量均勻性較差，即使輻照三遍熱延伸測試結果也較差[6]。

3.2 束下線纜變形“8”字纏繞(不使用反射磁鐵)

采用DD4.5/25電子加速器對外徑59 mm、壁厚2.61～3.27 mm的線纜進行輻照，測試結果如下(要求熱延伸<30% )。

1) 輻照一遍后，線纜吸收劑量為180 kGy，熱延伸：斷、斷、斷、125%。

2) 輻照兩遍后，線纜吸收劑量為360 kGy，熱延伸：斷、斷、90%、75%。

3) 輻照三遍后，線纜吸收劑量為540 kGy，熱延伸：45%、20%、10%、5%。

測試結果表明，變形“8”字纏繞時，需要輻照三遍，耗時10.5 h熱延伸才勉強能滿足要求。

3.3 使用反射磁鐵輻照(“O”形纏繞)

采用DD3.0/30電子加速器對外徑54 mm、壁厚2.4～2.6 mm的線纜進行輻照，測試結果如下(要求熱延伸為5%～20%)。

1) 線纜輻照一遍，吸收劑量為120 kGy，沿線纜同一截面相距90°均勻的取四個點，使用紅外測溫儀測試其表面溫度，四面溫度分別為33、35、40、40 ℃，溫度較為均勻。

2) 沿電纜同一截面圓周方向相隔45°均勻的取8個點，黏貼8個B3劑量片，測試電纜吸收劑量(圖16)，最大劑量121 kGy ，最小劑量78 kGy，最大劑量與最小劑量的比值為1.55。熱延伸：10%、10%、15%、15%、20% 。

圖16 使用反射磁鐵輻照一遍四周吸收劑量Fig.16 The absorbed dose test with use the reflective magnet

從測試結果可以看出，使用反射磁鐵“O”型纏繞，劑量均勻性優于無反射磁鐵。輻照僅耗時2.0 h，節省了輻照時間，提高了生產效率。

3.4 凝膠含量對比

輻照線纜截面積 270 mm2，外徑21 mm，壁厚2.2～2.4 mm。使用反射磁鐵輻照與不使用反射磁鐵輻照的凝膠含量測試對比結果列于表2。表2數據顯示，使用反射磁鐵后輻照劑量比較均勻，沿線纜圓周截面相隔60°均勻的取六個樣品，其六面凝膠含量基本一致。

表2 凝膠含量對比表Table 2 Gel content comparison table

注：表中的pcs為英文pieces的縮寫，表示個、件的計量單位。3pcs即為三個樣品，斜杠后面的數字表示三個樣品的測試結果或范圍。

4 反射磁鐵磁場空間分布

圖17 磁場強度測試點示意Fig.17 Magnetic field strength test point

為了更好的使用反射磁鐵，了解反射磁鐵有效工作區域內磁場強度的分布，采用HT20數字特斯拉計對磁場強度進行測試(見圖17)。在每對磁極狹長區域內部，選取上、中、下三條直線。上直線與磁極上表面平行，中直線與磁極中間平行，下直線與磁極下表面平行。在每條線上的前、中、后測試三點(兩邊邊緣及中間)，測試結果列于表3。由表3數據結果可知，外側邊緣磁場強度為54～57 mT，中間磁場強度為60～68 mT，內側邊緣磁場強度為54～65 mT。

表3 各點磁場強度Table 3 Magnetic field intensity at test point

5 結束語

本文闡述了線纜輻照加工時出現的不均勻現象，剖析了產生的原因及解決方法。為了較好的解決線纜輻照不均勻問題，可采用反射磁鐵。并詳細的介紹了反射磁鐵的工作原理與使用方法，對比使用反射磁鐵與不使用反射磁鐵輻照線纜的效果。輻照結果表明，使用反射磁鐵輻照可提高大規格線纜的輻照均勻性。國、內外使用反射磁鐵改善線纜輻照均勻性的應用較少，而大規格線纜輻照量日益增加，所以，電子加速器輻照行業普及使用反射磁鐵勢在必行。

致謝：

此文撰寫中得到了張家港市中核華康輻照有限公司張征輝老師的精心指導，在此表示衷心地感謝。