小型电子感应加速器主控系统研制与成像测试

刘 琦 王海涛 李金海 陈 锐 陈海生 王仁波 汤 彬

1（东华理工大学教育部核技术应用工程研究中心 南昌330013）

2（中国原子能科学研究院 北京102413）

3（泛华检测技术有限公司 南昌330013）

随着现代高性能X 射线探测器的应用，电子感应加速器［1-4］高能量低剂量的特点使其特别适用于货物和车辆安检系统。由于国内从20 世纪60 年代就停止了电子感应加速器的研究［5-6］，目前国内这类设备主要依赖进口，因此迫切需要进行国产化，而其主控系统是核心关键部件。东华理工大学核技术应用教育部工程研究中心研制了一台小型电子感应加速器主控系统，联合机头构成的X 射线源可应用于辐射型货物和车辆检查系统，解决目前国内小型电子感应加速器依赖国外进口问题，实现国产自主化。

1 主控系统结构

小型电子感应加速器由主控系统、机头构成，其中机头内部主要是电磁铁和加速管，电磁铁由上、下磁极［7］组成，磁极中间气隙处安装加速管。小型电子感应加速器主控系统主要由励磁电源电路、电子注入电路、电子俘获辅助电路、电子偏转电路构成，如图1所示。

图1 小型电子感应加速器结构图Fig.1 Structure diagram of small electron induction accelerator

1.1 励磁电路结构

励磁电路负责在机头上下磁极的气隙处激励出符合电子稳定加速的磁场。为了减小励磁电源的体积，本工作设计了基于电感电容并联（Inductorcapacitor parallel，LC）谐振的励磁电路。励磁电路结构如图2 所示，其主要包括励磁绕组、电容组、绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、三相滤波器、全波整流器、LC 滤波器和直流高压电源模块。主励磁绕组安装在机头上磁极和下磁极，围绕磁极绕制而成，一共70匝，上下各35 匝。电容组由12 个20 μF/2 000 V 的无感电容并联而成。IGBT用于控制电容放电过程，以及从外部补偿磁损耗和绕组损耗引起的能量损失，使励磁电流保持一定的振幅。三相电源通过滤波整流，叠加直流高压，给电容组充电，使电容组在谐振器前储满能量。

图2 励磁电路结构图Fig.2 Structure diagram of excitation circuit

1.2 电子注入电路结构

根据电子俘获要求，从电子枪引出的电子束能量要达到30~40 keV，由电子枪引出的高压来实现，引出高压电路结构如图3 所示。根据加速器的原理，电子引出的脉宽要控制在3~5 μs，本工作采用LC串联放电的形式，克服了单电容放电拖尾导致脉冲宽度延长。放电脉冲在脉冲变压器初级产生一个脉冲电压，次级脉冲高压直接连接到电子枪的阴极上。

图3 电子注入高压电路结构图Fig.3 Structure diagram of electron injection high voltage circuit

1.3 电子俘获电路结构

由于小型电子感应加速器的加速管截面较小，电子俘获效率低，需要一些辅助措施来提高电子俘获效率［8-13］。本工作在上、下磁极的表面各安装一个半径和电子平衡轨道一样大小的单匝线圈。在电子束注入到加速腔的瞬间，线圈上产生一个脉冲电流，激励出的脉冲磁场［14-18］能够将瞬时轨道半径拓宽到电子枪出束口附近，随着脉冲电流减小，瞬时轨道半径将逐渐收缩到平衡轨道上。电子俘获辅助电路的电路结构如图4 所示，电容在功率开关器件的控制下，瞬时向俘获线圈放电，产生脉冲辅助磁场，叠加在加速磁场上。

图4 电子俘获电路结构图Fig.4 Structure diagram of electron capture assist circuit

1.4 电子偏转电路结构

当加速磁场的磁通达到峰值前时，电子加速到一定能量，需通过偏转方法将电子束偏转到靶上发生韧致辐射。本工作在加速器上下磁极表面上围绕中心磁垫各绕3 匝线圈，利用电容向线圈放电产生一个瞬时脉冲电流，激励的脉冲磁场叠加在加速磁场上使平衡轨道内的中心磁通瞬间增大，而平衡轨道附近的磁场仍然按加速磁场缓慢变化，瞬间增加的中心磁通使电子束轨道扩张。电子偏转电路结构如图5所示，电容在功率开关器件的控制下，瞬时向偏转线圈放电，产生脉冲磁场。

图5 电子偏转电路结构图Fig.5 Structure diagram of electron displacement circuit

2 测试

根据上述电路组成结构图，本文研制的小型电子感应加速器主控系统如图6所示。

图6 主控系统实物图Fig.6 Photographic of main control system

产生X 射线的穿透力、空气丝分辨、空间分辨率、反差灵敏度是辐射型货物检查系统的关键指标。本工作在中广核贝谷有限公司的标准辐射成像测试系统上进行了各项性能指标测试。在测试过程中，加速器机头置于安检车行走部的铅屏蔽体内，主控系统置于屏蔽体旁边，X 射线探测器使用CsI 阵列。测试时，加速器固定不动，载有各项测试装置的测试车大约以0.5 m·s-1的速度通过检测区域，加速器产生X 射线剂量率为39.42 mGy·min-1，脉冲频率300 Hz，X射线能量设置为7.5 MeV。测试方法按照国标GB/T 19211―2015 辐射型货物和车辆检查系统进行。辐射成像测试系统如图7 所示，主控系统安装图如图8所示。

图7 成像测试装置Fig.7 Photographic of imaging test device

图8 主控系统安装图Fig.8 Installation diagram of control system

1）穿透力测试

穿透力测试装置如图9 所示，装置里面装有不同厚度的钢板，钢板长和宽均为500 mm，在钢板后面安装两块方形铅块，铅块规格为100 mm×100 mm×200 mm（L×W×H），铅块与钢板成45°角。测试时，通过增加钢板厚度，观察成像后的图像，以不能辨识出铅块形状为止，即为加速器产生X 射线的穿透力性能，测试结果如图10所示。在钢板厚度为276 mm 时，能够辨识出铅块形状，当厚度增加到296 mm 时，已无法辨识出铅块形状，穿透力达到了A类标准。

图9 穿透力测试装置Fig.9 Photographic of penetration test device

图10 穿透力测试结果Fig.10 Results of penetration test

2）空气丝分辨测试

空气丝分辨测试装置如图11所示，在装置上安装多条直径不同的钢丝在空气中，任意两条钢丝间的距离不应小于50 mm，钢丝与支撑结构成45°角。测试时，在图像中以能辨识出直径最小钢丝为止，测试结果如图12 所示，在图像中可以辨识出2 mm 的钢丝，空气丝分辨达到A类标准。

图11 空气丝测试装置Fig.11 Photographic of wire detectability test device

图12 空气丝分辨测试结果Fig.12 Results of wire detectability test

3）45°空间分辨率测试

45°空间分辨率测试装置如图13 所示，在装置上面，每3根钢丝组成一组，每组钢丝的内部间隔从1~4.5 mm 变化，钢丝与支撑结构成45°角。测试时在图像中以能单独辨识出每组里面的3 根钢丝为准，测试结果如图14 所示，在图像中可以辨识出间隔为3 mm的3根钢丝，空间分辨率达到B类标准。

图13 空间分辨率测试装置Fig.13 Photographic of spatial resolution test device

图14 空间分辨率测试结果Fig.14 Results of spatial resolution test results

4）反差灵敏度测试

反差灵敏度测试装置如图15 所示，在装置上，500 mm×500 mm×100 mm（L×W×H）的钢板后面装上不同厚度的矩形钢片和不同直径的钢丝，钢片和钢丝都与钢板成45°角。测试时，在图像中以能辨识出最小厚度钢片和最小直径钢丝为止。测试结果如图16 所示，在图像中可以辨识出3 mm 的钢片和5 mm钢丝，反差灵敏度达到A类标准。

图16 反差灵敏度测试结果Fig.16 Results of contrast sensitivity test

3 结语

本文介绍了一套用于小型电子感应加速器的主控系统，利用国家标准的辐射型货物和车辆检测系统对加速器产生X射线的穿透力、空气丝分辨、空间分辨率、反差灵敏度的性能进行了测试，结果表明主控系统可以满足小型电子感应加速器的各项电子学需求，产生的X 射线能够满足一定类别的货物辐射安检要求。该系统体积小、重量轻，为解决国内小型电子感应加速器依赖进口，实现国产自主化提供了重要技术保障。

作者贡献声明刘琦：设计和开发方法，电路研制，文章撰写；王海涛：制定实验；李金海：制定研究目标；陈锐：数据收集；陈海生：测试；王仁波：监督和领导研究计划；汤彬：监督和领导研究计划。