12MeV驻波电子直线加速器的能量调变技术设计

　　0 引言

　　12MeV驻波电子直线加速器的能量调变，使单能量加速器具有两档能量，可以满足国内外不同类型的检测标准对加速器能量的要求。当工件厚度减小时，降低能量使用，可使胶片灵敏度提高;当对非金属工件无损检测时，可增加密度分辨率，扩大了适用范围。

　　根据加速管能量增益公式：

　　可知，在加速管的特性参数βc、ZT2、L已经确定的时候，要想降低能量，唯有降低P0并增大I。而随着加速管输入微波功率P0的降低以及加速束流的增加，整个加速器系统很多参数都会随之改变，这些都是能量调变需要考虑的。

　　1 降低磁控管阳极电流，以降低微波功率

　　根据加速管设计，12MeV能量时，输入到加速管的微波功率为2.6MW;9MeV能量时，输入到加速管的微波功率为2.0MW。考虑波导系统0.6dB的损耗，则磁控管输出功率从12MeV时的3.0MW降为9MeV时的2.3MW。查磁控管Datasheet，如图1所示。

　　从图1可以看出，磁控管输出3.0MW功率对应阳极电流111A，磁场约1550Gauss;输出2.3MW时，对应阳极电流98A，磁场约1380Gauss。因此，在9MeV情况下，需要通过De-Q电路把阳极电流从111A降至98A左右，如图2所示。

　　通过上图的KK15触点及电位器VR5，实现De-Q触发电压的切换。

　　2 降低高压，减轻De-Q负载负荷

　　磁控管阳极电流由111A切换至98A时，若不采取其他措施，则De-Q负载损耗将由原来的7%增加到29%，负载功率增加3倍多，这是De-Q负载所无法承受的。因此，需要在降低磁控管阳极电流的同时，降低调制器高压变压器输出整流高压，以保证De-Q负载在合理的范围以内。由于高压变压器副边整流电压约25kV难以操作，因此电压切换选在高压变压器原边，如图3所示。

　　图3中，T1为高压变压器，KM2A、KM2B用于原边抽头切换。

　　3 降低磁场强度，保证磁控管最佳状态工作

　　由上可知，能量由12MeV切换至9MeV时，为保证磁控管正常工作，电磁铁磁场也需切换，磁场由1550Gauss切换至1380Gauss。参照MG6053电磁铁datasheet所附曲线，如图4所示。

　　此时，电磁铁供电电流由24A降至21A左右。

　　通过图5电磁铁供电及保护电路板(26AP)上的J4继电器及W5、W6电位器进行电磁铁电源预置电流值的设置和切换。

　　4 提高电子枪注入高压，增加发射电流

　　按照加速管设计，能量降至9MeV时，电子枪高压需由-10kV增至-15kV。这主要是通过切换电子枪一路脉冲变压器高压抽头来实现的。考虑到一定的设计余量，取12MeV时脉冲变压器枪高压抽头取-11kV，9MeV时取-17kV，并通过一定阻值的分压电阻进行调节。如图6所示。

　　图6中，T5为脉冲变压器，E2、E3为枪高压抽头，8个1.4K电阻用于高压分压，KT4能量开关用于高压切换。

　　5 AFC预置位置切换

　　由前图磁控管datasheet所示，磁控管阳极电流从111A降至98A时，磁控管输出微波约有1MHz的频率偏移，而加速管的谢振频率不发生变化。因此要保证12MeV和9MeV都有较好的剂量上升率，必须切换磁控管预置频率位置。如图7所示。

　　图7中，A12用于切换AFC预置值，RP10、RP11用于调整预置值大小。

　　6 聚焦切换

　　12MeV加速管的各项参数设计时虽然兼顾了9MeV的参数要求，但是会有设计出入。例如焦点问题。加速管优化设计在没有外部聚焦的情况下，12MeV焦点小于2mm，而能量切换至9MeV时，由于注入微波功率降低，势必导致轴向汇聚磁场的弱化，进而使9MeV的焦点有所发散，因此，需要考虑9MeV时的外部聚焦。聚焦切换如图8所示。

　　图8中KK14、KM42用于聚焦电源切换，TDY1、TDY2用于调节聚焦线圈电流大小。

　　7 结束语

　　根据上述方法分别对12MeV、9MeV能量档的参数进行设定调试，分别测得各自半值层为31.8mm、30.8mm，满足能量设计要求。

　　通过对聚焦电源的调节，保证了9MeV能量档时焦点尺寸≤2mm。

　　12MeV、9MeV满功率出束1小时，各部件工作正常，无局部过热现象出现。

　　作者简介：刘建辉(1979 -)，男，河北石家庄人，工程师，主要从事电子直线加速器技术研究工作。