DZ-12/4多能量档电子直线加速器辐照关键参数测试

中国原子能科学研究院建立了一台DZ-12/4多能量档电子直线加速器,该装置主要用作辐射加工级电子束辐照实验平台。为了检测该电子束辐照实验平台辐照工艺控制参数,本文利用中国原子能科学研究院FJL-02型辐射变色薄膜剂量计对DZ-12/4多能量档电子直线加速器关键参数能量进行了测量,并对研制的束流监测系统法拉第筒的可靠性进行了验证。结果表明,DZ-12/4多能量档电子直线加速器能量在4~12 MeV范围可调,运行参数准确可靠;日常运行中,加速器运行人员通过监测设备和调节加速器参数可有效控制并估计辐照剂量,具有非常好的实用性和简便性。     

新型电子直线加速器测试与改进

一种新型的省略电子枪的小型直线加速器被研制成功。高功率速调管的用毕束流被引出作为注入电子,从而取代了传统的电子枪部分。装置在调试完成后开始运行,我们对获得加速后的电子束性能做了初步测量,并与模拟结果进行了对比。结果表明,加速器输出流强远低于设计目标。运用Parmela程序详细分析了电子束流损失的主要因素,针对减少束流损失,提高加速器输出流强,提出了新的改进方案。通过计算分析,得出了该方案良好的可行性。     

宽范围高精度电子枪系统的设计与验证

“空间环境地面模拟装置”是“十二五”国家重大科技基础设施项目,针对其子项目“低能电子加速器及束线”中辐照加速器的要求,在原有二极电子枪基础上增加了控制栅极。使用CST Particle Studio仿真研究了电子枪部分结构参数变化对引出束流强度的影响,设计出产生50 mA高品质束流的电子枪,并用PBGUNS(Particle Beam GUN Simulation)软件对设计结果进行验证。最后在电子枪实验平台上检验了电子枪结构参数变化对引出束流强度的影响规律,并对电子枪结构进行了优化。结果表明优化后的电子枪能够以阴极初级加热电压作粗调、栅极电压作细调的方式引出1μA～50 mA高品质电子束。     

电子能量损失谱仪用中高能电子枪的研制

研制了一台电子能量损失谱仪用的中高能电子枪。其产生的电子与原子、分子发生碰撞,通过谱仪收集、分析散射电子的动量和能量,可以获得靶的电子结构和碰撞动力学信息。该电子枪结构简单,由热阴极、栅极、阳极、聚焦极和偏转板组成;电子能量可调范围大(1-3 keV),操作简单。为了获得最优的束流条件,利用SIMION电子光学软件模拟了电子发射源大小和初始发散角对靶点处的束斑大小和束流发散角的影响。在电子能量为1.5 keV条件下,实验检验给出在离电子枪出口27 mm处可获得束径约为0.95 mm、束流发散角约0.93°和束流强度6.27mA的电子束,满足电子能量损失谱仪的使用要求。     

大型工业电子束脱硫脱硝装置辐射等效剂量场模拟与系统参数优化

为优化大型工业电子束脱硫脱硝装置和配套大功率电子加速器工程参数,应用Geant4模拟分析了不同出射能量的单能电子束在烟气中的径迹和偏转后电子束在烟气中的等效剂量场。计算得到1.75 MeV电子束更符合1 000 MWe级火电机组烟气系统工程设计需要,计算结果将为工业化设计提供参考。     

北京慢正电子强束流性能研究

采用电子束流以及脉冲慢正电子束流对系统进行了调试,对束流系统的性能参数进行了测定和研究。实验结果表明,系统对于模拟电子的传输效率高于98%,电子束斑直径小于5mm。在目前加速器短脉冲的运行模式下,脉冲慢正电子束流的强度达到了105/s以上,IP成像板束流沉积形貌直径小于15mm,脉冲慢正电子束流微分能谱半高宽(FWHM)约为10eV;;在高于3×10?Pa的超高真空中,慢正电子在直流化管道内7存贮40ms后,束流强度减弱到原来的50%。系统各项性能运行参数达到了设计要求。     

基于150 MeV电子束的光中子特性模拟分析

高能中子源是研究高能太空宇宙射线中子对人体和电子仪器辐射损伤的必备装置,基于高能电子加速器的光中子源是目前能够提供较高能量白光中子的方式之一。本工作以清华大学先进加速器实验室的激光电子加速器束流参数为基础,借助Geant4对产生的光中子的能量特性、产额特性、角分布特性、时间特性进行了分析。模拟结果表明,Φ2 cm×2 cm的圆柱体Ta靶时,150 MeV电子束流可产生最高能量约为110 MeV、中子产额约为1.2×10~5n/10~7e-、出射时间在0~100 ns之间呈负指数分布的几乎各向同性的光中子。根据拟合的中子能量-出射时间离散指数函数,估算得到对产生的1~100MeV中子,在飞行距离为5m时中子飞行时间的时间分辨率好于2.23%。本工作为该加速器的光中子产生和实验测量工作提供了参考依据。     

纵向多灯丝电子帘加速器的束流不均匀度

束流不均匀度是电子帘加速器束流性能的一重要指标。影响束流不均匀度的主要因素是加速器结构中各电极（阴极、反射极、栅极、阳极）的电位、形状及其相对位置。本工作针对1台纵向多灯丝电子帘加速器的实际结构参数,计算其束流不均匀度,通过分析和比较,讨论了进一步改善束流不均匀度的可能途径,为改进电子帘加速器的设计提供了参考。     

基于束流变压器的辐照加速器束流流强测量系统

加速器产生的电子束广泛应用于食品加工以及医疗卫生行业,为满足辐照加工中对剂量控制的要求,需要对加速器输出流强进行实时测量。基于10 MeV加速器脉冲束流流强的大小,提出一种束流变压器的测量方案,并根据束流变压器的输出特性设计了一套测量电路,包含阻抗匹配、放大电路、采样保持电路、压频转换电路及可编程逻辑控制器(PLC)处理电路等模块。在实验室搭建简易模拟束流电路对束流变压器进行定标,定标结果与模拟束流的拟合曲线线性度好,实际增益与理论分析基本符合。系统在10 MeV/20 kW加速器上进行了实验验证,测量输出结果稳定,可靠性高,可为辐照加工的工艺研究提供参考。     

HIRFL-CSR电子冷却装置电子枪的参数测试

在用实心电子束对离子进行冷却过程中，束流累积会增强电子离子重组概率和空间电荷效应而引起束流损失。针对这个问题，HIRFL-CSR电子冷却装置采用了一种能够产生从实心到空心电子束且电子束密度连续可调的特殊电子枪设计。本文介绍电子枪的结构及工作特点，给出一些主要参数的实验结果，并通过理论计算分析了用空心电子束进行冷却的优点。      

Heavy-current accelerator based on a transformer

The operating principles of a direct-action accelerator designed to acceIerate electrons to an energy of 1.5 MeV with a mean beam power of tens of kilowatts and an efficiency of around 90% are described. The electron-current pulse length can be varied from 0 to g msec, and the repetition frequency up to 50 times per sec. The mean current im may reach 1/6 of the maximum current in the pulse. Magnetic lenses are installed in order to focus electron currents of up to 100 mA into a beam a few mm in diameter in the accelerating tube. Heavy-metal screens are placed close to the axis of the tube in order to protect the gas gaps and other electrically-stressed parts of the accelerator from radiation arising inside the tube.The construction of a system for producing an electron beam with an energy of 1.5 MeV and a mean power of 25 kW (i_m = 17 mA) is described.Translated from Atomnaya Énergiya, Vol. 20, No. 5, pp. 385–392, May, 1966.     

Development of an electron linac at PNC for transmutation studies

Various methods have been examined to transmute long-lived fission products using accelerators at PNC. The present paper describes the development of a high power continuous wave (CW) electron linac which was started in 1989 to study the feasibility of nuclear waste transmutation. Transmutation by photonuclear reaction using an electron accelerator has the advantage of producing a relatively small amount of secondary radioactive waste. It is also deemed to broaden the base of accelerator technology.

The PNC high power CW electron accelerator, which is designed to accelerate energies up to 10 MeV and an average beam current of 20 mA and has a normal conducting traveling wave resonant ring (TWRR) disk-loaded accelerating tubes, was pre-commissioned with an injector and the first accelerating tube.

In December 1995, the accelerator had been partially built and the pre-commissioning of the injector began. We have been successful to produce electron beams with 3 msec pulse width, 100 mA peak, and about 2.9 MeV energy. The facility construction will be completed in March 1997, followed by the commissioning of the entire 10 MeV linac.     

低能加速器开关电源研制

利用直流脉宽调制技术以及半桥变换电路,为一种低能电子直线加速器成功研制阳极开关电源。根据开关电源的特点,对该电源中低压和高压部分进行详细设计。低压部分采用SG1525A为控制核心,实现脉宽调制、软启动、稳压调节以及过压保护功能。该开关电源主要指标:输出电压0~800V,最大电流400 m A,工作频率为18.5 k Hz,纹波峰值系数为0.9‰,达到设计要求。     

高平均束流功率辐照加速器加速结构的研究

本文介绍了10 MeV/100 kW的高平均束流功率工业辐照加速器束流动力学模拟结果及其加速结构的优化设计结果。加速器采用驻波双周期轴耦合结构,1个加速腔和1个耦合腔构成1个加速单元,其工作频率为325 MHz,工作模式为π/2,加速腔和耦合腔之间通过耦合狭缝在轴向以磁耦合的方式耦合在一起。使用SUPERFISH优化加速腔的有效分路阻抗、Kilp系数等关键参数。束流动力学方面,使用PARMELA模拟论证在粒子源提供2.5 keV、500 mA的电子束后,通过6个加速腔可得到10 MeV/100 kW的平均束流功率。加速腔优化完成后使用CST对耦合腔进行了设计,此时由6个加速单元组成的加速结构有效分路阻抗为23.9 MΩ/m、无载品质因数为29 347,各加速腔与相邻的耦合腔耦合系数为4.7%,工作模式与其相邻模式的最小频率间隔为2 MHz,每个加速单元功耗为290 kW。     

Design of High Power Electron Linac at PNC

Abstract

A high power CW (Continuous Wave) test electron linac was designed to develop a higher power linac to transmute radioactive wastes. The test linac is energized by two 1.2 MW CW L-band klystrons to produce an electron beam with the energy of 10 MeV and current of 100 mA. The average beam power is 200kW–1MW for the duty factor 20–100.%.

In designing such a high power linac, authors selected a traveling-wave accelerator with TWRR (Traveling Wave Resonant Ring). This is to enhance the threshold current of BBU (Beam Break-Up) and to get high accelerator efficiency that results from the low value of attenuation constant τ and high field multiplication factor M which are permitted only with TWRR.

A kind of efficient cooling structure is adopted to an accelerator structure in order to disperse the generated heat by RF (Radio Frequency). The variational method is used to calculate the sizes and parameters of the disk-loaded accelerator structure employed. There is a discrepancy of the order of a few hundredth of one percent between the calculated sizes and the experimental ones. The M determined in the design agreed well with those measured in low and high power tests.     

Characteristics of the beam injection system in an electron LINAC

The main characteristics of an electron beam injection system are described; the system is used for injecting and focusing electron beams into the acceleration structure of an 10 MeV linear electron accelerator. The beam injection system consists of a Pierce convergent diode-type electron gun with pulse modulator for power supply and a thin axially symmetric lens. The perveance and the capture coefficient were optimized by the analogical resistors network. This type of injection system was used in the linear electron accelerators: ALIN - 3 MeV, ALIN - 10 MeV and ALID − 8 MeV, performed at NILPRP^∗ Bucharest, Romania.     

9MeV行波电子直线加速器加速管的物理设计

海关大型货物在线检测用加速器采用４ＭＷ速调管作为微波功率源，保证加速管入口功率可达３．５ＭＷ、工作频率为２８５６ＭＨｚ；以行波方式加速电子，聚束器俘获效率大于８０％；加速管全长约２２０ｃｍ；电子能量设置９、６ＭｅＶ两档，对应的额定脉冲束流强度理论设计值分别为１７０和３００ｍＡ。本文给出了纵向粒子动力学、盘荷波导的尺寸及加速管的工作特性等方面的计算结果。     

基于脉冲步进调制技术的ECRH全固态阳极高压电源控制系统设计

电子回旋共振管是产生高功率毫米微波的真空电子器件,在可控热核聚变研究、雷达等领域中有重要的应用。针对可控热核聚变研究中1 MW/105 GHz回旋管加热系统阳极电源幅度可调且调制的要求,使用高频开关电源技术和脉冲步进调制技术（PSM）研制了全固态阳极高压电源。重点阐述了阳极高压电源实现稳压、调制、前沿时间可调功能的软件控制算法,并通过实验对设计进行了验证。该阳极高压电源具有单脉冲、多脉冲调制和六电平预置波形等3种模式输出功能;输出参数达到35 kV/200 mA,波形前沿3 ms内可调,最大调制频率为1 kHz,调节精度在100 V以内。设计的控制方法也可应用于其他大功率微波源。     

同步加速器束流能量自动切换控制系统

带电粒子放射治疗中3D主动治疗方式需要不同的束流能量照射不同的病灶切面，这就需要同步加速器控制系统能实现多级束流能量的自动切换控制并提供接口对接治疗计划进行自动变能控制。本文开发了同步加速器束流能量切换控制系统，同步加速器的前端服务器中存储着执行1个同步加速器加速周期所需的全部控制数据集，其中控制数据通过索引标号对其进行区分，同步事例信息是同步加速器多级束流能量切换的触发信号。当前端控制器被同步时间系统的同步事例触发激活后，从DSP波形发生器的SDRAM空间中读出磁铁电源、高频等控制数据进行数据切换。同步事例信号包含同步触发信息、束流能量控制数据的索引信息和控制数据的更新操作信息。多级束流能量自动切换控制系统能实现255级束流能量间自动切换控制（碳束能量在50～500 MeV间切换，步长可控制在1.77 MeV），完全能满足实际中碳束能量在50～500 MeV间以10 MeV为步长的自动切换控制。