2/4MeV 无损检测用电子直线加速器

    主要核心部件
    加速管

    加速管是电子束加速过程的腔体，由电子枪、谐振腔链、靶、耦合波导、波导窗和钛泵等构成，是全密封真空器件，管内的静态真空度高达10-6 Pa。
    加速管的初始端连接电子枪，末端带有金属靶。来自微波传输系统的微波功率经波导窗、耦合波导送到谐振腔链（由一系列特定形状的无氧铜腔体串联而成）中，形成具有特殊场形分布的电场和磁场。初始端电
子枪所发射的电子进入加速管后，从电场中获得能量，加速到4MeV后轰击末端的金属靶产生我们所需的X射线。
    加速器采用精心设计的轴耦合结构驻波加速管，工作于2998MHz，π/2模式。驻波加速管相较于行波加速管，具有分路阻抗大、品质因数高和加速效率高的优点。轴耦合结构相较于边耦合结构，技术更为成熟，性
能更为可靠。
    电子枪
    电子枪是加速器的电子源，它产生一定能量、流强和形状要求的电子束，电子束进入加速管后得到加速。电子枪原理如下图所示：

    根据加速器的设计要求，本公司电子枪的工作电压为10kV，发射束流320mA。具有电子注入直径小、射程远、刚性好、动态散焦小的特点。
    电子枪采用金属——陶瓷封装结构，具有良好的绝缘性、气密性和牢固性，陶瓷管有足够的爬电长度以承受15KV以上的脉冲高压。
    微波功率源
    磁控管是一种特殊的二极管，除了有阳极和阴极外，还有外加磁场。它是利用磁场控制阳极电流，产生微波振荡的电子管，是自激振荡器，效率可达30％一60％。
    某些场合要求磁控管频率可调；例如电子直线加速器整机联调时，为了得到束流最佳的输出状态，则要求磁控管的工作频率与加速管的频率特性有最好的配合，对于驻波加速管来说，要求更为严格，因此，加速
器所用的磁控管都是频率可调谐的。磁控管振荡频率的调谐主要是利用机械调谐方法。一般是在阳极块的谐振腔中插入金属杆，改变插入深度，可在数兆赫范围内调频。
    加速管所需的微波功率是由微波功率源产生。本加速器使用的微波功率源是MG5193磁控管。磁控管的工作磁场由一块永久磁铁提供。磁控管的阳极接地，阴极接脉冲负高压，该脉冲高压通常称为磁控管的阳极电
压，它是由脉冲调制器通过脉冲变压器提供的。磁控管的阴极是间热式。磁控管加脉冲阳极电压后起振工作，其脉冲阳极电流的峰值大约100A。这时在磁控管的输出端可以得到约2.5MW的脉冲微波功率。该功率经微波
传输系统送到加速管中。正常状态下磁控管的工作频率和加速管谐振腔的谐振频率相等，典型值为2998MHz。磁控管具有频率调节机构，其工作频率可以通过伺服马达手动调节，也可由AFC系统自动调节。磁钢中心的
场强约为1570Gauss。

    微波传输系统
    微波传输系统的作用是传输相应波段的大功率微波，主要由直波导、弯波导和四端环流器组成。直波导和弯波导都为矩形波导。
    四端环流器的作用是保证微波单一方向传输，即微波只能从功率源传输到加速管，而不能从加速管传输到功率源，这样可以避免从加速管回来的反射波对功率源造成影响，起到保护功率源稳定运行的作用。

    四端环流器共有四个端口。一般来说，微波从1端口输入，2端口输出，3端口接水负载，4端口接干负载。反射波由3端口的水负载吸收。
    AFC系统
    电子加速器中一般都设有自动稳频系统(Auto Frequency Control System，AFC)。电子加速器微波功率源的振荡频率必须与加速管的工作频率相一致，才能保证加速器稳定地工作。加速管的频率会随着温度的变
化而漂移，AFC系统可以实时监控加速管的频率，并调节磁控管输出的微波的频率，始终保持微波的频率与加速管的频率一致。否则就会因为频率的偏离，造成电子能量的降低和电子能谱的增宽，从而导致加速器输出
剂量率的降低，甚至导致停止出束。
    电子枪及磁控管灯丝电源及脉冲变压器
    电子枪及磁控管灯丝电源安装在X射线头内加速管的左边，它们同调制器的脉冲前沿匹配电路一起被称为灯丝电源箱或者波头匹配箱。箱内装有电子枪和磁控管灯丝电源的电源变压器、整流模块、滤波电路等等，
而脉冲前沿匹配电路则装置在箱体上方。电源的控制和保护回路装在调制器柜内。模块内还安装了电子枪及磁控管发射电流平均值的测量电路。
    磁控管工作所需的阳极脉冲高压是由脉冲调制器通过脉冲变压器提供的。脉冲变压器的初级接在调制器脉冲形成网络（PFN）的放电回路中。次级产生约44kV的负高压给磁控管阴极供电。次级绕组由两个绕组并联
，通过次级绕组给处在高压端的加速管灯丝供电。
    电离室
    电离室是一种探测电离辐射的气体探测器。
    气体探测器的原理是，当探测器受到射线照射时，射线与气体中的分子作用，产生由一个电子和一个正离子组成的离子对。这些离子向周围区域自由扩散。扩散过程中，电子和正离子可以复合重新形成中性分子
。但是，若在构成气体探测器的收集极和高压极上加直流的极化电压V，形成电场，那么电子和正离子就会分别被拉向正负两极，并被收集。随着极化电压V逐渐增加，气体探测器的工作状态就会从复合区、饱和区、
正比区、有限正比区、盖革区(G-M区)一直变化到连续放电区。
    所谓电离室即工作在饱和区的气体探测器，因而饱和区又称电离室区。在该区内，如果选择了适当的极化电压，复合效应便可忽略，也没有碰撞放大产生，此时可认为射线产生的初始离子对N0恰好全部被收集，形成电离电流。该电离电流正比于N0，因而正比于射线强度。加速器的监测探测器一般均采用电离室。标准剂量计也用电离室作为测量元件。电离室的电流可以用一台灵敏度很高的静电计测量。
    温控系统
    温控系统是加速器的一个组成部分，虽然它在加速器系统中所占的比重并不大，但它却起着重要的作用。
    X射线头内许多部件工作时会发出大量的热量，需要及时散发，而水冷则是最经济最适用的技术手段。需要水冷的部件主要有磁控管、加速管、四端环流器、大功率吸收负载、靶等。其中加速管设计工作条件是温度25度，因此，对水冷却要求较高，我们的水冷系统入口水温的变化小于±2℃，通过橡胶水管引至X射线头。各分管路上装有水流压力开关，能检测水流的变化，我们的系统能确保水冷系统工作正常，及时将部件产生的热量带走。
    供气系统
    微波传输系统是将微波功率源产生的微波功率馈送到加速管，微波传输波导要传输足够大的微波功率时必然要建立较强的电场，为防止大功率微波传输系统内的击穿打火，需在波导系统内充高压绝缘气体，提高大功率微波传输系统内的绝缘强度。
    供气系统可提供压力合适，干净干燥的气体，目的就是为了保证微波传输系统内部绝缘强度，避免波导内部的打火现象。
    本加速器所充的气体采用绝缘强度、安全性能极为可靠的SF6气体。气瓶采用容积为2升，承压15Mpa的气瓶，减压器的输出压力连续可调，设计有气体干燥器以保证气体的干净与干燥，电接点压力表提供过压保护，控制板提供欠压保护接点，供联锁及报警指示。另外，系统中装有欠压联锁，当系统压力低于设定值时，自动切断调制器高压，并且给出指示。给系统充气时，当压力达到设定值时，状态灯熄灭。充气系统是指给微波传输系统充以一定压强的特定气体的一套装置。
    真空系统
    电子直线加速器的运行都离不开真空技术，都需要在高真空、甚至超高真空的条件下运行。其工作真空度应高于5×10-6。
    真空技术在加速器中的作用主要有：
    (1) 避免加速管内放电击穿。无论是行波加速管，还是驻波加速管，为有效地加速电子，要建立很强的微波电场，一般为每厘米几十kV到几百kV，所以要求加速管要维持高真空、甚至超高真空的状态。
    (2) 防止电子枪阴极中毒、钨丝材料的热子或灯丝氧化。尤其是全密封驻波加速管采用氧化物阴极，有害气体会使阴极中毒，对真空的要求更高。
    (3) 减少电子与残余气体的碰撞损失。
    本项目加速器，使用的抽真空系统为2L/s的离子泵，离子泵电源为4kV高压。
    屏蔽壳

    加速管工作时会产生一定的侧漏射线，屏蔽壳包裹在加速管外面，材料为铅，一是可以保护其它电子元件不受强射线的损害，二是可以降低对厂房的防护要求。
    电气控制系统
    电气系统包括中央控制系统、安全联锁系统、X射线机头、调制器、恒温水冷系统。采用多台PLC及控制软件组成整套控制系统，加速器操作程序化。随着计算机技术、网络技术、通讯技术融于加速器控制系统中，大大提高加速器监控系统的智能化程度。对于加速器中的每个相对独立的子系统，通过网络将系统中的各个子系统联结起来。分布式控制系统具有可靠性高、扩展灵活、控制可靠性高等优点。
    中央控制系统

    中央控制系统包含：一台工业计算机、中控西门子PLC控制器、中央控制电路板、电源、联锁控制箱。中央控制系统作为整个加速器控制的控制核心，所有加速器相关数据信息由下位机通过以太网传输到中控PLC，PLC再对各种数据信息进行整理实时在上位机（即工业计算机）进行显示。各安全联锁、温度、剂量信息等通过中控电路板进行隔离送PLC进行处理。上位机承载加速器控制系统软件，方便对加速器进行各项数据的实时监控。
    调制器
    高压脉冲调制器是加速器的功率源。调制器控制系统分为本控和遥控，本遥控不能同时操作。调制器本控方式以便于调试及维修。本控操作设有待机、启动、高压开启、关闭、复位，并有相应的故障和开机状态指示。在遥控方式时，调制器由计算机控制，实现控制的分级管理。
    (1) 高压回路：为磁控管提供脉冲高压。调制器状态显示有待机、启动、高压开、出束、本/遥控、系统准加。表头显示有钛泵电流、调谐电机位置、磁控管灯丝电流、枪灯丝电流、重复频率等。
    (2) 闸流管触发器：供调制器闸流管栅极触发脉冲。
    (3) 灯丝调压稳压器：实现磁控管灯丝自动加电。
    (4) 钛泵分机：给加速管钛泵提供高压电源。
    (5) 波头匹配箱：调制器电压调整电路。
    恒温水冷系统
    恒温水冷系统是加速器的主要辅助设备，通过加热和制冷的手段是水温恒定在设定的温度范围内，以使加速器负载温度也恒定在这一温度范围内。该装置包括水循环系统、制冷系统、控制保护系统三大部分，并组装在一个机柜中。水冷系统通过一块HMI人机界面屏进行控制，也分为本控和遥控两种控制方式，平时使用一般在遥控状态下。