大功率辐照加速器磁场系统研制

任秀艳，吕玉珠

（中国原子能科学研究院 核技术应用研究所，北京 102413）

大功率电子辐照加速器的磁场系统包括聚焦系统和扫描系统。在强流加速器中脉冲流强很高（达数百mA），空间电荷效应显著，且加速距离长，输运能量高，束流损失对加速管的工作稳定性影响较大，尤其在聚束段需对电子束进行横向约束和聚焦，以保证获得较高的俘获效率和较好的相聚，从而达到减少束流损失、提高输出能谱质量的目的。

电子辐照加速器的电子束以束团的形式从加速管出口处单方向射出，在加速管出口与扫描盒之间放置扫描磁铁，需对电子束进行横向扫描展宽，并同时移动辐照产品以实现对物品的均匀辐照。加速器电子束扫描的均匀性及扫描宽度对材料的辐照改性、辐照加工至关重要，直接影响材料的性质、辐照加工能力，因而保证电子束扫描宽度达到设计要求的同时，扫描均匀性也要控制在规定范围内，从而提高辐照加工的质量。

中国原子能科学研究院承建的10MeV大功率辐照加速器，其聚焦磁场系统由6个聚焦线圈组成，在聚束段产生准均匀约束磁场；扫描磁铁采用分体式结构，其电源输出电流波形为三角波，磁场大小、方向随时间变化，从而把束流均匀扫开。

1 磁场设计

1.1 聚焦及输运磁场设计

在电子直线加速器的聚束区域，为克服射频场和空间电荷力等因素的散焦作用，一般采用螺旋管聚焦，它调整较容易，磁场连续分布，中间不存在无场区，对线圈的准直要求较低。在结构上，螺旋管线包有长筒型线包和短饼型线包两种，长筒型线包对安装的同轴性要求较高，要保证加速管的轴线与磁场的轴线重合，否则电子束会偏离中心位置。短饼型线包由于每个线包很短，对线包的同轴性要求相对较低。所以，根据粒子动力学计算要求，按照短饼型进行设计［1］。对每个线圈的磁场径向均匀区范围的要求为φ＝3.5cm。

根据粒子动力学要求，采用Possion superfish［2］软件对聚焦线圈进行磁场模拟计算，共设计6个聚焦线圈，通过对线圈的安匝数与位置进行优化设计，最终得出较理想的磁场分布，从而保证最佳的束流传输结果。图1示出聚焦线圈磁场。

1.2 线圈工程设计

线圈结构由线圈骨架和导线组成，骨架材料为黄铜，导线采用扁铜漆包线。线包通电后由于导体的欧姆损耗而产生大量热，为避免过热需采用冷却方式，自然冷却方式的温升一般高于水冷却方式［1］。由于设计的线圈体积较大，且所通电流达十几A，因此，采取水冷却方式。

图1 聚焦线圈磁场Fig.1 Magnetic field distribution of coils

1.3 线圈测试

测试项目包括每个线圈的磁化曲线、磁场径向均匀区及整个系统的磁场分布。在1～10A范围内，测量每个线圈的磁化曲线。图2所示为1号、2号线圈的磁化曲线。由图2可知，线圈与磁场随电流变化的线性关系较好。

图2 1号、2号线圈的磁化曲线Fig.2 Magnetic field curves of No.1and No.2coils

给1号线圈通9A电流，在经过圆心的直径上，测量1号线圈磁场值随径向改变的曲线，径向均匀度范围φ＝4cm，满足工程需要（图3）。

将设计制造好的线圈按设计位置摆放，按照模拟计算结果，对线圈加载计算电流，可测出1条磁场曲线，此曲线与磁场模拟计算曲线基本拟合，在具体的调机过程中，根据实际情况对电流进行适当微调。磁场测试曲线与磁场模拟计算曲线示于图4。

图3 线圈径向磁场分布Fig.3 Magnetic field distribution of coil

图4 磁场曲线Fig.4 Magnetic field

2 扫描磁铁设计

扫描磁铁是辐照加速器不可缺少的元件，当束流能量一定时，电子束穿越磁场，其偏转半径随磁场的变化而变化，从而使束流被扫开，扫描磁铁设计要求为：电子束能量，10MeV；偏转角度，±30°；扫描宽度，±334mm；扫描频率，5～15s－1；磁极间距，48mm。

2.1 扫描磁铁理论计算

根据电子束能量，计算偏转磁钢度：

其中：E0为电子静止质量；W为电子束能量；R为偏转半径；B为磁感应强度。

根据偏转角度和磁气隙的要求计算偏转半径：

其中：R为偏转半径；c为二分之一磁极厚度；d为二分之一磁极间距；θ为偏转角度。

扫描磁铁的基本极面方程为y＝y0，它是1对平行于x轴且相距为2y0的平行平面。如果铁心极面是由基本极面方程组成，用1组无限延伸平行平面极面可建立起一纯二极磁场，但实际上铁心表面磁极宽度必定是有限的，铁心极面只能在一定宽度范围内符合基本极面方程，而后从该范围处断开，这个位置称为极面断开点。极面断开后，虽然磁场的主要成分仍为二极磁场，但已不是纯二极磁场，还包含了因极面断开产生的若干高阶磁场。这些高阶磁场形成了磁场的偏差，引起磁场质量下降。这种偏差为磁铁本身固有的，为系统偏差，在设计过程中，应把它限制在一定范围内。弥补基本极面断开后产生的磁场质量下降通常可采用将极面断开点延伸到离好场区边缘足够远的地方，以便将极面断开后对要求的有用场区范围内磁场的影响减小到允许的程度（图5）［3］。根据偏转角度和磁极厚度，得出所需磁场好场区约为30mm，则a取40mm。

图5 二极磁铁好场区Fig.5 Good field range of dipole

根据磁场设计、好场区以及安装尺寸的要求，用Possion superfish程序对扫描磁铁进行磁场模拟计算，得出扫描磁铁线圈的安匝数，根据线包电流密度要求确定线包匝数及所通电流。扫描磁铁磁场分布如图6所示。

图6 扫描磁铁磁场分布Fig.6 Magnetic field distribution of scanning magnet

2.2 扫描磁铁工程设计

扫描磁铁磁极结构设计为H型，分上下两部分，能够拆卸，便于安装真空室。磁铁结构如图7所示，其磁极面积为16 800mm2。

图7 扫描磁铁结构Fig.7 Structure of scanning magnet

2.3 扫描磁铁测试

为保证扫描磁铁能长期稳定工作，需对扫描磁铁的参数进行测试。分别给扫描磁铁通8和6A直流电流，测试最大磁感应强度，测试结果分别为0.152 9和0.113 8T。

3 结论

配合10MeV电子直线辐照加速器的整机测试，对磁场系统进行联调，并对扫描均匀度进行测试。距参考点－22～＋20cm范围内最大吸收剂量Dmax＝4 441Gy，最小吸收剂量Dmin＝3 813Gy，其扫描均匀度100%，测得扫描均匀度为92%。

磁聚焦线圈结构简单，便于安装；线圈有3层冷却水，保证线圈不受温度限制，能长时间稳定工作；扫描磁铁分体制作，便于安装真空室；各部分配套电源调节方便，并与控制系统连锁，便于控制、监测。

磁场系统各部分元件均进行了磁场分布及磁化曲线的测量，电源也进行了12h连续工作的考验。测试后整套磁场系统安装在大功率辐照电子直线加速器主体上。磁场系统已正常稳定运行至今，各项性能均满足了加速器的技术要求。

［1］顾本广.医用加速器［M］.北京：科学出版社，2003：115－116.

［2］JAMES H B，LLOYD M Y.Possion superfish，A－UR－96－1834［R］.USA：Los Alamos National Laboratory，1996.

［3］赵籍九，尹兆生.粒子加速器技术［M］.北京：高等教育出版社，2006.