中能大功率强束流卧式电子加速器的研发.docx
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中能大功率强束流卧式电子加速器的研发
中能大功率强束流卧式电子加速器的研发
陆洁平俞章华
摘要:
在辐照交联电线电缆产业及热缩产品辐照产业迅猛发展,束下生产线设备技术有新突破的现今市场,相关企业对中能电子加速器的束功和束流强度有了更高的要求。
因此达胜公司决定研发一款中能、大束功、强束流电子加速器产品。
满功率运行最大束功达到120kW,1.5MeV能量段最大束流为80mA;1.2MeV能量段最大束流为100mA的,并且采用的是卧式角尺形结构的高频高压型电子加速器。
关键词:
电子加速器;中能;大功率强束流;卧式角尺形;
一.研发背景
近十几年来,我国辐照加工产业技术有了长足的发展。
在辐照交联电线电缆产业及热缩产品辐照产业近几年的发展尤为迅猛。
电线电缆方面:
1)建筑用线。
随着国民经济的发展,对建筑用电线的要求将越来越高,结合我国的实际情况,今后几年内将逐渐推广使用大量的辐照交联建筑用线缆主要有以下两大类:
① 辐照交联聚氯乙烯绝缘电线,特点是阻燃、耐刮磨,安全可靠性好;② 辐照交联聚烯烃绝缘及护套线缆,特点是环保、无毒、安全可靠性高。
2) 汽车线。
随着汽车的自动化程度越来越高,车内敷设的电线数量和长度不断增长。
3)电气装备用配线,此类电线用量很大,包括电子、电机、家用电器、灯具、计算机和仪器仪表等均要使用。
目前国内各类企业出口产品配套线必须采用此类电线。
预测今后几年内该类国内产品也将逐渐使用辐照交联电线。
另外辐照交联的热缩管的加工量目前也相当的惊人。
而这些电线电缆及热缩产品中又尤以4mm2及以下电子线及热缩细管的量居大。
用中能1.5MeV电子加速器辐照完全足够。
市面上现在普遍能做到的1.5MeV电子加速器机型,束功在90~100kW,也即额定能量的最大束流能达到60~66mA。
这样的束流强度,在几年前已是相当可观,但是现在随着国内辐照生产线设备的飞速发展,特别是多收多放收放卷技术的实现。
已能做到四收四放双工位双辊筒速度跟随甚至达到六收六放双工位双辊筒速度跟随的生产线设备,且单台收放卷设备最高都能达到350~500m/min的生产能力。
对于这样的生产线,要想发挥出它们全部的功效,60mA的束流强度就显得不够。
因此,对于相关企业来说,一是、希望市场上能有能量在1.5MeV~2.0MeV,大束功、强束流(束流在60~100mA)的电子加速器产品。
二是、常规高压型电子加速器的另一劣势是其对厂房要求相对较高,厂房建造成本在整个辐照生产线项目中所占的比重也很大。
(对于新建厂房或会达到50%。
)所以很希望市场上能有性能指标相近而厂房要求相对低的电子加速器产品。
针对以上市场需求情况,我们决定研发一种能满足以上要求,并且采用卧式角尺形结构的电子加速器。
二.研发过程
我们决定要开发的这款电子加速器产品,是中能(能量为1.5MeV)、大束功、强束流的新产品。
满功率运行最大束功达到120kW,1.5MeV能量段最大束流为80mA;1.2MeV能量段最大束流为100mA的,并且采用的是卧式角尺形结构的高频高压型电子加速器。
为了实现以上目标,我们做了以下两方面工作
1、一是,大功率、强束流的实现。
高频高压型(地那米型)电子加速器其倍压柱采用的是并激倍压电路。
如图一。
其电压方程为:
V=(NVf)/K―NI/KfCse
从加速器的电压方程中我们可以看到,第二项为带负载后的电压降落(即束流在内阻抗上的压降),其仅与整流级数N的1次方成正比。
而在给定了压降关系ΔV/V的条件下,倍压柱上的允许负载电流Imax是正比于Vf、f、Cse的。
所以要把最大负载电流Imax提高上去,需要提高加速器的总束流功率。
按理说,120kW的高频高压加速器,其功率指标并不高。
我们的4.5和5.0MeV机型已经超过;相应的高频机以及环形变压器都可生产。
问题是,要求流强达到或超过100mA,就必须对整流硅堆和电子枪有所突破。
当电子枪已经解决之后,面临的问题就是硅堆了。
为了使现有硅堆(设计指标60mA)能获得120mA的整流输出,我们对加速器的倍压电路进行了改造,开发出了高频高压加速器的所谓“全波整流电路”。
即保持加速器径向几何不变,仅适当增加轴向高度,在倍压电路里将硅堆的数量加倍,使每个硅堆的最大负载电流降至总负荷的一半(50mA),而最终获得100mA的直流输出。
整流硅堆加倍虽然增加了成本,但束流也加倍了,还是合算的。
而充电电容的增加由于高频高压加速器本来电容量就很小(通常在10-10~10-12法拉量级)其储能的增加对打火危害性造成的影响是相当有限的。
2、二是,重新设计成卧式角尺形结构
在设计此型加速器时,我们采用了卧式角尺形结构设计。
将主电源与加速器分成两体成直角联接。
(参见图二、三)
图二、1.5MeV/80mA卧式角尺形布局图一
图三、1.5MeV/80mA卧式角尺形布局图二
1、采用卧式角尺形设计,只需对加速器部分及束流引出部分进行屏蔽,而高频高压电源部分一般不需要屏蔽。
2、由于将高频高压电源部分卧置,其直立高度大大降低,不仅可建在一般的标准厂房内,更适宜利用原厂房进行产品换代生产。
3、对于维修来说,卧式的倍压柱更便于检修。
4、加速管置于独立的钢筒内,二者互相不受干扰。
检修调试时更便于判断故障点所在。
三.研发成果。
目前我们的大束功、强束流卧式角尺结构电子加速器已经研发成功。
其满功率运行指标为:
最大束功120kW,1.5MeV能量段,最大束流为80mA,1.2MeV能量段,最大束流为100mA。
满功率运行时的转换效率>63%。
(经国家剂量院测试)
该机型已在达胜台湾基地投产运行,配备了四收四放双工位,双辊筒速度跟随的束下生产线设备。
从反馈的运行效果来看,还是相当理想的。
在达胜总公司辐照中心也已投放两台卧式结构的加速器。
四.延续性研发方向
有了此型加速器的研发经验,后续我们的研发方向是:
1、2.0MeV/50mA卧式角尺形高频高压形电子加速器
2、尝试2.0MeV/75mA大束功强束流型卧式角尺形加速器。
3、低能自屏蔽强流加速器。
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