12MeV无损检测用驻波电子直线加速器总体技术设计

2011-01-19刘建辉孟祥宇郭彦斌范林霞李学先贾恩明

制造业自动化 2011年10期

关键词：磁控管灯丝加速器

刘建辉，孟祥宇，郭彦斌，范林霞，陈岩，李学先，王非，贾恩明

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

12MeV无损检测用驻波电子直线加速器总体技术设计

刘建辉，孟祥宇，郭彦斌，范林霞，陈岩，李学先，王非，贾恩明

（北京机械工业自动化研究所，北京 100120）

本文主要讨论了12MeV无损检测用驻波电子直线加速器总体技术设计,主要部分的设计思路、要点及最终设计方案。

磁控管；磁场强度；电子枪注入高压；AFC；聚焦

0 引言

12MeV无损检测用驻波电子直线加速器总体技术设计的主要是根据要求制定加速器的主要参数并对系统各个主要部分的设计思路、要点及最终设计方案进行说明。

合同规定的对加速器的技术考核指标，主要包括：

1）能量：12MeV；

2）剂量率：≥5500cGy/min.m；

3）焦点：φ2～3mm；

4）检测厚度（等效钢）：76～420mm；

5）检测灵敏度：ASTM E-142 1-2T。

依据技术考核指标，设计说明：

1）考虑一定的设计余量，在进行加速管设计时，取剂量率≥6000cGy/min.m；

2）加速管设计时，焦点按≤φ2mm设计。如果超过该尺寸，可以通过聚焦线圈进行调节；

3）由于超过10MeV电子束打靶时，会产生中子，会有一定的感生辐射残留。因此在设计初期，要求加速器出束完毕后，需要等待一段时间再进入曝光室操作。这无形中增加了每张底片的处理时间，降低了效率。为此，新增一档9MeV能量，用于对较薄工件进行无损检测，提高效率。而通过设备研制完成后对感生辐射进行的实际测量来看，感生辐射在要求范围内，不会影响检测效率。

加速管是加速器设备的核心部件，加速管的设计参数决定了加速器设备能够达到的技术指标。

1 加速管技术设计

加速管的主要设计指标：

1）电子束能量：12MeV、9MeV可调；

2）X射线剂量率：12MeV时，6000cGy/min.m；

3）焦点：≤φ2mm。

加速管技术设计说明：

1）驻波加速管结构设计；

2）加速管主要设计参数。

驻波电子直线加速器的能量增益公式如下：

其中：

βc：最佳耦合度

P0：加速管输入脉冲微波功率（MW）

ZT2：分流阻抗（M Ω/m）

L：加速管谐振腔列长度（m）

I：脉冲加速束流（A）

由此可见，加速管设计需要对βc、P0、ZT2、L、I等进行选择，以确定输出能量为12MeV。

（1）P0的选取

（2）I的选取

（3）分流阻抗ZT2

（4）加速管长度L

3）加速管涉及的其他问题

（1）水冷设计

（2）馈入口

（3）聚焦导向线圈

2 微波源技术设计

1）微波功率源采用E2V公司的MG6090磁控管，主要性能参数如下（参考datasheet）：

频率范围：2993～3002MHz

峰值输出功率：3.1MW

磁场：1600Gauss（使用MG6053电磁铁）

灯丝电压：14V

灯丝电流：8.0A

灯丝启动电流：不大于20A

阴极预热时间：最小10min

阳极电流：115A

阴极高压：-50kV

输出驻波比：1.1∶1

电压上升率：小于120kV/μS

冷却方式：水冷

最大占空比：1.35‰

2）磁控管选定的工作参数

参照上述性能参数及典型应用，我们选定磁控管工作参数如下：

磁场：1600±25Gauss

阳极电流：110A

灯丝电流：8A

脉冲宽度（半高）：4.5 μ S

重复频率：50～290pps

3）磁控管注意事项说明

（1）MG6090磁控管与常用的MG5193、MG5125磁控管在外形结构上有很大不同，磁控管的阴极垂直磁极面，从磁极中心伸出，因此传统的C型磁铁无法使用，必须使用E2V公司配套的MG6053电磁铁。

（2）由于MG6090磁控管在高功率下的回轰现象更为严重，因此，除了灯丝切换之外，还需要对阴极进行强迫风冷，以保证良好的散热。

3 能量调变设计

如上所述，考虑到照相工作效率及薄工件的透照灵敏度，除了12MeV以外，增设9MeV能量档。根据前述公式：

可知，在加速管的特性参数βc、ZT2、L已经确定的时候，要想降低能量，唯有降低P0并增大I。能量调变涉及的参数变化很多，主要有：

1）降低磁控管阳极电流，以降低进入到加速管的微波功率；

2）减低电磁铁磁场，保证磁控管最佳状态工作；

3）提高电子枪注入高压增加发射电流；

根据加速管的设计说明，加速管注入微波功率从2.6MW降低至2.0MW，枪高压从10kV增至15kV，电磁铁磁场从1600Gauss降至1420Gauss。

4 调制器技术设计

调制器的主要作用是给磁控管和电子枪提供一定宽度的高压脉冲，它的性能参数主要取决于磁控管的工作状态。调制器的设计主要依据MG6090磁控管工作参数而定，同时考虑12/9MeV能量切换要求。采用线型调制器技术方案。

高压主回路由高压变压器、三相整流滤波电路、充电电感、脉冲形成网络（PFN）、闸流管、脉冲变压器等组成，用于对PFN的充电，以及PFN对脉冲变压器放电。除此之外，还有触发电路、反峰电路、De-Q电路、波头匹配、高压过流电路、灯丝供电等辅助电路。

调制器高压主回路设计说明：

1）脉冲形成网络（PFN）特性阻抗的选择

脉冲形成网络（PFN）的特性阻抗，通常取r＝25 Ω或r＝50 Ω，以便使PFN的特性阻抗与PFN到脉冲变压器之间的高频电缆的特性阻抗相匹配。市售高频电缆的特性阻抗一般为50 Ω，如果PFN的特性阻抗也取50 Ω，则通过计算可知，PFN的充电电压较高，约33kV，不利于绝缘及安全，因此选用PFN特性阻抗r＝25 Ω，这样计算出来的充电高压约为23kV，较50 Ω时大为降低，只是这种情况需要两根高频电缆并联，这也是通常的做法。

2）脉冲波形的要求

（1）脉冲宽度

上面提到磁控管阳极电流的脉冲宽度设计为4.5 μ S，而事实上，当磁控管阴极高压降到一定程度时，磁控管即停振，阳极电流降为0，因此阴极高压要比阳极电流的宽度略宽，通常宽大约0.3 μ S。因此，调制器设计时，PFN脉宽取4.8 μ S。

（2）脉冲幅值

磁控管额定脉冲电压在49kV，阳极电流110A，考虑一定余量，按50kV，110A设计，以便调试时如果能量或剂量率不满足要求，可适当提高阳极电流至112A～115A。

（3）上升前沿

考虑到磁控管规定阴极电压上升率必须小于120kV/μ S，而磁控管高压约50kV，因此上升前沿选择在0.5～1.0 μ S较为合适。

3）阻抗匹配问题

PFN的特性阻抗r与磁控管反映在脉冲变压器原边的阻抗RH之间存在三种匹配关系，即匹配、正失配和负失配。一般采用负失配方案，以加快闸流管的消电离。由于磁控管的磁场由电磁铁产生，因此基本可以忽略磁场随时间的衰退产生的磁控管阻抗变小，引起负失配加重的发生。磁控管打火等严重的负失配可通过反峰电路来消除。

4）波头匹配问题

磁控管未起振前，其阻抗无穷大，在脉冲变压器的初级电压波形的上升前沿上将会产生非常大的过冲，会导致脉冲变压器或高频电缆损坏。因此需要在脉冲变压器初级并联一个RC串接电路，使之在脉冲上升期间与脉冲变压器初级阻抗相同，呈现匹配状态。

5）De-Q电路要求

除了温度影响外，磁控管阳极电流幅度的快变化也会影响输出微波的频率，进而影响加速器输出剂量的稳定。这种快变化AFC无法自动调整，只能通过稳定阳极电流的方法解决。一般要求阳极电流稳定度在0.1%以上，一般采用De-Q电路实现。

另外，由于De-Q负载承受的功率有限，而当能量档切换至9MeV时，将有更大的功率加在De-Q负载上。因此必须采取措施，降低高压变压器的输出，以减小De-Q负载负荷。

5 AFC设计

驻波加速器的工作频带很窄，几十千赫兹的频率变化就会导致磁控管微波功率严重反射，从而使加速器输出剂量率急剧下降。为此，需要保证磁控管输出微波频率与加速管谐振频率一致。另外，由于能量调变时，磁控管输出微波频率随之发生较大变化，因此，需要对12MeV、9MeV能量分别设置预置位置，确保加速器良好的剂量率上升率。为了补偿这种频率的变化对加速器正常工作的影响，需要实时调节磁控管的频率，使之与加速管的谐振频率保持一致。这就是自动频率控制（AFC）系统要实现的目的。自动频率控制系统采用常见的锁相调频技术方案。

6 控制系统技术设计

6.1 控制系统

12MeV直线加速器，主要由加速器机头、调制器、控制台、水冷系统、安全联锁系统等组成，如图1所示。为了能够使设备安全有效的工作，12MeV直线加速器要求有更加稳定、可靠、安全的控制系统。控制系统能够使得加速器的机头、调制器、控制台、水冷系统等有机的联系起来，达到最佳的工作状态。

控制系统设计采用集中控制方式。

为了保证加速器控制系统的可靠性和稳定性，不在机头内放置CPU控制器和存储芯片。因此控制系统采用集中控制的方式，把控制器放置到操作台，与位于检测大厅的机头线缆连接。

图1 加速器系统框图

操作控制有两种方式，控制台按钮式操作和计算机操作。按钮设置在控台上，操作人员可以方便的进行开机、待机、出束、停束、设置剂量等操作。计算机操作是通过在计算机显示器上进行开机、待机、设置剂量的操作。两种控制方式可以互相切换。方便用户操作。

6.2 控制电路

控制电路系统采用西门子PLC可编程序控制器S200系列的CPU226。CPU226模块集成了24I/16O共40个数字量I/O 点。它可连接7个扩展模块，最大可扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O点。有13k字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。系统中CPU226又扩展了两块本地16I/16O 模块EM223如图2所示。

6.3 保护电路设计

图2 PLC控制电路图

为使加速器系统正常运行，控制系统中设有许多保护电路。每个保护电路的信号都输入到PLC控制器，通过与上位机连接，在上位机显示出相关保护信息，方便操作人员处理。当部件的工作条件不能满足工作要求时，保护电路动作，提示操作人员注意。根据保护电路的等级，这些信号又分为状态提示信号和故障报警信号。当故障报警信号发生在出束过程时，将会立刻切断高压，使系统退出出束状态。以下是部分保护电路的设计介绍。

1）真空保护

加速器中的加速管是电真空器件，由钛泵来维持加速管真空。当加速管真空度变差偏离要求时，保护电路动作报警。真空保护电路通过检测钛泵工作时的微小电流实现对加速管真空度监测。钛泵电流正常时很小，一旦变大，说明真空度变差。超过设定值时，保护电路动作，提示不能加高压出束。待加速管正常后，再重新进入工作状态。设计专门的真空保护板，对信号进行放大滤波提取，输入到PLC。

2）水流保护

在加速器系统中，水冷却系统是一个重要的系统。机头内部几个重要的部件如加速管、磁控管、环流器、脉冲变压器等都需要水冷却，水冷系统能够自动加热和制冷以保持机头内在工作过程中保持恒温。而水流检测就是保证有足够流量的水流过部件以达到冷却效果。一旦水流不正常，机头内的水流量检测开关会发出报警信号。只有水流量正常后，才能工作。

3）气压保护

为了提高波导内微波传输绝缘效果，在波导内充入绝缘气体SF6气体。按照磁控管及波导的要求，气体压力设定有上限和下限保护，当充气压力过大可能导致波导承受压力大，过小起不到绝缘的良好效果。因此当气压不正常时，会发出报警信号。

4）灯丝保护

12MeV加速器中磁控管、加速管在进入高压工作状态前，要对其灯丝进行预热，并分为3分钟低预热和7分钟高预热状态。在预热过程中，按照对灯丝的供电电压和电流的要求，使磁控管和加速管的处于最佳工作状态。当灯丝电压和电流不正常时，会发出报警信号。

5）-400V保护

电离室是X射线检测的装置。电离室要求-400V的电源供电。对其保护主要是对其供电电源进行保护，当-400V电压不正常时对损坏电离室，因此保护系统实时检测-400V，出现异常会报警，对电离室做保护。

6）高压保护

高压保护主要是实时检测出束状态时高压电流，当电流过流情况发生时，马上切断高压。

7）反峰保护

反峰保护主要是对磁控管进行保护的，一旦系统内部负载不匹配，发生打火现象，反峰保护系统起作用，切断高压，发出反峰报警信号。

8）电磁铁保护

12MeV直线加速器磁铁采用电磁铁，电磁铁电源若工作不正常，回馈信号发生变化，会启动保护系统。