工业辐照加速器扫描磁铁电源的研制

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1、第２０卷第４期强激光与粒子束Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．４２００８年４月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳＡｐｒ．，２００８文章编号：１００１４３２２（２００８）０４０５９３０４工业辐照加速器扫描磁铁电源的研制冯德仁１，２，王相綦１，徐玉存１，郝浩１，裴元吉１，洪义麟１（１．中国科学技术大学国家同步辐射实验室，合肥２３００２９；２．安徽工业大学，安徽马鞍山２４３００２）摘要：分析了工业辐照加速器扫描磁铁的三角波励磁电流的选取。介绍了一种输出电流峰峰值２０Ａ、扫描频率为２０～５０Ｈｚ的连续三角波的工业辐照加速器扫描磁铁电源。阐述了三

2、角波调制器的原理、三角波线性度、基于单片机的控制系统以及其在工业辐照环境下采取的抗干扰措施。理论和应用均表明该设计具有很好的辐照均匀度。关键词：辐照加速器；扫描；三角波；辐照均匀度；扫描磁铁中图分类号：ＴＬ５０１．５文献标识码：Ａ工业辐照技术广泛应用于有机材料改性、食品和医疗卫生用品消毒杀菌、延缓农产品发芽等生产和生活领域。传统的工业辐照技术是利用放射性的钴源照射产品达到杀菌消毒等目的，然而，由于钴放射性的半衰期很长，废弃的钴源对环境的污染引起了人们的高度关注，其后期的安全化处理的成本也过高，随着科技的发展进步和环保政策的加强，人们开始考虑将电子加速器这一技

3、术应用于工业辐照以取代传统的钴源。与钴源相比，电子加速器有安全性能好、辐射剂量在线可调、辐照剂量均匀、无需后续无害处理等优点，因此，自２０世纪５０年代这一技术在欧美和前苏联推广应用以来，其卓越的性价比逐渐得到了认可。我国利用电子加速器进行工业辐照起步较晚。２００４年，中国科学技术大学在河南漯河工业园成功建起了一台工业辐照加速器，并投入商业运营。本文介绍了应用于河南漯河工业园的工业辐照加速器扫描磁铁电源的研制，该电源能输出电流峰峰值２０Ａ、扫描频率为２０～５０Ｈｚ的连续三角波励磁电流。１扫描磁铁励磁电流波形的选取为满足工业生产应用，需要设计一套工业辐照加速器

4、电子束扫描系统。工业辐照加速器输出电子束流最大能量为１０ＭｅＶ，束流截面大小约为ｍｍ量级，为使电子束均匀辐照在较大的物体上，应在束流出射和束流散开垂直方向施加变化的二极磁场，使电子束沿散开方向来回快速地扫描，以使被辐照物体尽可能获得均匀辐照剂量。当电子运行速度与均匀二极磁场方向垂直时，电子受洛仑兹力作用作圆弧曲线运动。动能为犠的电［１３］子在此磁场作用下，其偏转角度θ与有效长度为犔的磁铁磁场犅之间满足３００犅犔ｓｉｎθ＝（１）槡犠（犠＋２ε０）式中：ε为电子静止能量。由于磁铁的励磁电流犐与磁铁的某一点磁场犅之间总是存在确定的线性关系犅＝０［１２］λ犐，因

5、此，作圆弧曲线运动的电子偏转角度θ与均匀二极磁场犅及励磁电流犐之间满足ｄθｔａｎθｄ犅ｔａｎθｄ犐＝＝（２）ｄ狋犅ｄ狋犐ｄ狋通常扫描磁场的重复频率在数十Ｈｚ，对于近光速运动的电子而言，仅仅是不同时刻通过的电子偏转角度才有明显区别。公式（１），（２）中的偏转角度θ是电子经过扫描磁场后的出射角度。由式（２）不难看出，扫描偏转角度θ与励磁电流犐在小角度θ时总是存在线性关联，因此可以考虑选取具有线性变化特征的连续三角波的电流作为励磁电流，当扫描电子束能量为１０ＭｅＶ，最大扫描角角度±π／８时，采用５０Ｈｚ连续三角波扫描磁场，对电子束轨迹进行模拟计算，图１是在５０Ｈｚ

6、连续三角波扫描磁场下，根据计算数据作出的磁场与电子束轨迹分布图。图中背景颜色表示磁场强度的分布，颜色最深的部分为磁场最高区域，黑色曲线簇表示扫描电子收稿日期：２００７０９１０；修订日期：２００８０２１８基金项目：国家自然科学基金资助课题（１０１７５０６２，１７１７５１００）作者简介：冯德仁（１９６７—），男，博士，从事电力变换器与脉冲功率技术研究工作；ｆｄｒ＠ｕｓｔｃ．ｅｄｕ．ｃｎ。５９４强激光与粒子束第２０卷轨迹。从图中可以看出，扫描电子轨迹的均匀度基本符合要求。更深入的研究表明，略为偏离线性度的连续三角波扫描磁场更有利于获得均匀的辐照强度分布。

7、在本系统中，结合设备的具体参数，将扫描波形定为峰峰值为２０Ａ、频率为２０～５０Ｈｚ的连续三角波。２扫描电源的电路设计２．１三角波调制器原理由以上分析可知，连续三角波电流的流强变化有较好的线性度。由于扫描磁铁为感性负载，由暂态电路可［４５］知，电感充放电过程在较短的一个时间段内流过电感的电流可以是线性上升和下降的。因此，有可能利用扫描磁铁自身的电感充放电的过程就可以输出以连续三角波变化的励磁电流。为了产生正负对称的连续三角波，可以采用全桥式的对称电路，其原理如图２所示。Ｆｉｇ．１Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｅｌｅｃｔｒｏｎｂｅａｍｏｒｂｉｔａｎｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔ

8、ｉｏｎｏｆｍａｇｎｅｔｉｃｆｉｅｌｄＦｉｇ．２Ｄｏｕ