加速器辐照灭菌的几个经济问题
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现属IBA全资子公司的RDI公司，上世纪七十 年 代 以 来 ， 先 后 为 Raychem, Viritech, Isotron, MSI, BGS, SHI, Sumitomo等众多著名公司提供了 近二十台4~5MeV Dynamitron®。
但其中多数仍然主要用于辐射交联等加工用 途，只有少部分直接用电子束进行消毒灭菌，个别 机器转X线后用于灭菌。
5MeV电子束打靶转X线后用于辐射消毒灭菌 是一种适当的选择。但其缺点，一是5MeV电子束
穿透力不够，直接应用电子束时受到局限；二是目前 5MeV电子束转X线的转换效率（5~10%）仍然较低。
图1. 传统立式Dynamitron®设施模拟图
这样，打算转X射线的话，电子束功率至少得 150kW以上，也就是束流应超过30mA！如此，所获得 的 X 射 线 功 率 约 为 10-15kW ， 由 于 射 线 利 用 率 上 的 优 势，其加工能力可大致相当于100万居里的钴源。
比如，可以在加速腔圆周上的不同端口，获得 两种或更多的束流线（如5MeV和10MeV）；也可 以通过调整加速腔内的射频电场来降低某一端口的 电子束能量，降低幅度可达30%（如在10MeV端 口上，可以实现7MeV电子束）。
谱分布。能谱在设定能量附近的集中分布意味着良好 的束流质量，特别是在进行单面照射时，可以获得更 好的均匀度（max/min）。
2．Dynamitron®电子加速器
Dynamitron®电子加速器由美国核物理学家Dr. M. R. Cleland发明。该型加速器在0.5~5MeV范围 内均可稳定实现电子束输出，且能达到较高的束功 率(目前最大束功率为250-300kW) 。其中，5MeV 的Dynamitron®已用于辐射法消毒灭菌。
《辐射消毒灭菌用高能电子加速器的几个技术经济问题》
-1-
俄罗斯制造直线加速器的研究院所，如NIIEFA 等，在中国销售LINAC加速器，加强了其在中国的 影响。而特别值得注意的是，近年美国、日本等国 家的直线加速器生产公司，各自加强了在中国的市 场宣传和推广工作(如以前少为人知的L-3、IHI等)。
120% Energy spectrum Linac
120% Energy spectrum DC
100%
100%
80%
80%
pow er Pow er Pow er
60%ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Series1
40% Series1
60%
40%
20%
20%
Energy (MeV) 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 0%
在电效率、维护便捷、整体可靠性，以及满足不同辐 照要求上的适应性等方面，Rhodotron®均展现了独步 天下的优越性。
Electrical supply
Very high voltage pulses generator (100 kV)
Klystron microwave generator
Circe of Linac Technologies
目前，鼓噪可以制作5MeV加速器的，国内外都有 几家，但真正具有大功率5MeV成熟实践经验的只有 IBA一家公司。
只是，自从10MeV的Rhodotron®加速器进入市场 后，可以说，在消毒灭菌加速器领域，经济、技术上 的制高点已全部为Rhodotron®所占领。 3．微波（射频）10MeV电子加速器
《辐射消毒灭菌用高能电子加速器的几个技术经济问题》
-2-
率意味着较低的运行成本，两项叠加， Rhodotron®就意味着比直线加速器LINAC更低的 单位产品辐照生产成本。
谈到经济性，我们还必须提到机器的售价。过 去 ， 听 到 IBA 的 报 价 ， 国 内 不 少 人 士 认 为 Rhodotron®售价太高。实际分析一下，结论却是 恰恰相反：
图2. 法国LINAC技术公司的直线加速器 笔者认为，就加速器应用技术而言，这种竞争 宣传有可能对国内一些用户产生误导。技术早已落 后的小功率直线加速器大量安装使用，对中国辐射 加工业发展未必有利！
表1. 工业辐照直线加速器的基本参数
电子束能量（MeV）
3~10
最大平均束流功率（kW）
3~20
脉冲重复频率（Hz）
辐射消毒灭菌用高能电子加速器的几个技术经济问题
郭文勇1 赵奕1 刘仁庆2 1（艾尔贝姆（北京）医疗器械技术服务有限公司）
2（亿比亚（北京）粒子加速器技术有限公司）
北京通州区 光机电一体化产业基地 兴光二街六号 邮编 101111
一、常见的辐射消毒灭菌电子加速器
工业辐照电子加速器的种类很多，使用中各有 利 弊 。 目 前 国 内 已 安 装 使 用 的 大 都 是 1MeV 至 3MeV中低能量机型，主要用于高分子材料的辐射 改性。
RHODOTRON ELECTRICAL EFFICIENCIES AT 10 MeV
50
40
30
20
10
0 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 BEAM POWER (kW)
图5. Rhodotron®电效率曲线(10MeV) Rhodotron® TT100/200/300标称束流功率分别为 35 、 80 、 150kW ， 束 流 功 率 电 效 率 分 别 高 于 20% ， 31% ， 43% 。 当 束 功 率 提 高 至 100-200kW 时 ， TT200、TT300的电效率分别接近36%、50%。目前世 界上电子束束功率最大的TT1000束功率为：5MeV— 500kW, 7MeV—700kW；其电效率远超过50%。通 常，同一型号的Rhodotron®在更低MeV数工作时，可 获得的电效率会更高。 这里所提到的电效率值数据并非单纯理论计算所 得，而是经过多家公司多年实践得到实际证实的。基 本电耗统计数据中，包含加速器所有部件：功率电 源，电子部件和控制柜，主冷却回路等。 产生这种参数差异的主要原因在于两种机器的结 构原理不同。Rhodotron®在连续波（CW）模式下运 行，与脉冲方式的直线加速器有根本区别。 更大的束功率意味着更高的产出能力，更高电效
Rhodotron®不需要同步触发信号，也不必担心丢 失脉冲或脉冲失真，可以确保束流不稳定度小于 0.5%。概括地说，这就意味着Rhodotron®很少会因为 故障而停产，并且具有更好的剂量一致性（生产批内或 批次间）。
电压波形V
直线加速器
t 束流I
图6. Rhodotron®多出口输出电子束 条件适当的话，这种配置调整不影响加速器的 总束流功率。特定输出端口能量的降低，甚至还能 增加总电效率。这种能量调节和保持总功率不变的 能力，大多数直线加速器都不具备。 当加工只需较低穿透能量的产品时， Rhodotron®的用户就可以调低能量增加束流，处理 产品的产量就得以提高（线速度与mA数相关）， 可以多获收益。 谈到电子束能量，还必须讨论一下电子束的能
能量可达10MeV的工业辐照电子加速器，包括IBA 公 司 的 Rhodotron® 系 列 和 各 种 微 波 直 线 电 子 加 速 器 （以下简称直线加速器或LINAC）。
直线电子加速器，国内外均有不少人家研制和制 造生产。除了俄罗斯BINP研制的单腔直线电子加速器 ILU-10系列（最高能量4.5MeV, 50kW）技术路线较为独特 外，其余大多数用于工业辐照的品种均为LINAC型微 波（驻波或行波）直线电子加速器。
国内最常见的电子加速器机型为美国辐射动力 公司（RDI）发明的Dynamitron® (地那米)高频高压 型电子加速器（包括国内单位不同年代仿制的各种 型号），以及俄罗斯西伯利亚核物理研究所 （BINP）的ELV系列高压变压器型电子加速器。
10MeV 高 能 电 子 加 速 器 已 投 入 使 用 的 有 ： 80kW的Rhodotron®TT200（Sterigenics —上海辐 新）和10kW级别的直线LINAC（四川久远科技、 上海束能、宁波超能等）。即将安装的有中国计量 院、山东蓝孚科技、合肥科大创新、青岛青迈等。
以Rhodotron®TT300为例，其报价不到500万 欧元，按现价换算成人民币约5000万元，不可谓 不高。但其束功率近200kW，以单位束流功率售价 看 ， 不 到 25 万 元 /kW ， 与 直 线 加 速 器 近 100 万 元 /kW的价格相比，还不到其售价的1/4。
假如再加上附属设施等建设费用计算总的投资 成本，可以肯定，10MeV直线加速器的单位功率 投资成本比Rhodotron®高得更多！
图4. 典型的10MeV Rhodotron®电子束加速路径 示意图
三 ． 10MeV 能 级 的 Rhodotron® 与 微 波 直 线 加 速 器 的 技术经济性比较
1. 束功率、电效率与经济性比较 普通LINAC加速器的束功率一般为10kW，电效率
通常不超过10%。与之相比，束功率最小、电效率最 低 的 Rhodotron®TT100 也 要 高 出 直 线 加 速 器 一 倍 以 上，TT200/300则要高出两倍。
采用一种优美的简约设计，Rhodotron®达到了 设计目标，为全世界提供了一种不同于以往技术局 限的独特产品。
图3. Rhodotron®主机和270 °束流弯转磁铁
自 第 一 台 Rhodotron® 在 瑞 士 Studer 安 装 以 来，经过累计二十多台、最长十几年的实际使用，
ELECTRICAL EFFICIENCY (%)
5~600
典型脉冲高压（KV）
~100
典型微波脉冲功率（kW）
3000~6000
工作微波频率（GHz）
2~3 (S波段为主)
电子束扫描频率（Hz）
5~20
扫描窗扫描宽度（m）
0.3~1
循 环 往 复 式 电 子 加 速 器 Rhodotron® ， 是 IBA 公 司 历经数年苦心钻研，于上世纪九十年代初研制出的 划时代的工业辐照加速器。
如果业主的加工业务量不够大，安装使用大功 率 的 Rhodotron®TT300 有 困 难 ， 可 考 虑 购 买 束 功 率小至50kW的TT200，或更小的TT100等型号。
2. 加速器的灵活适用性比较
a) 电子束能量的调节能力
作为可选配置，Rhodotron®用户可在同一机器 上，得到不同能量（MeV）的电子束。
总的来看，如采用电子束消毒灭菌，在产品适应 性上，使用5MeVDynamitron®会受到更多的产品尺寸 及密度的限制。
但5MeVDynamitron®相比10MeV的LINAC具有三 个主要优势：①总体电转换效率高；②电子束束流大 （比LINAC平均束流高至少一个数量级），产能高； ③可采用X射线技术。
图7. 不同类型电子加速器能散比较
Rhodotron®的设计能散公差为：10MeV时不超过 300keV，在实际中甚至低至100keV。据IBA所知，在 光路上不使用能量过滤装置而导致功率损失的条件 下，这是目前能获得的最精密的能散特性。
b) 束流调整能力
基本的直线加速器设计，需要波导内断续的射频 （通常在短脉冲之间是很长时间的空闲）和电子枪时 序完全同步。如果在这一过程中，速调管开关时间和 电子枪发出的电子不完全同步，在一个脉冲内将只有 部分束流被输出，或者更坏的情况下，整个脉冲都将 丢失。如果直线加速器产生数量较多的脉冲丢失或脉 冲失真，这将转化为剂量率的不稳定。
1． 俄罗斯的ELV电子加速器
3MeV以下能量的电子束，因穿透力太小（水 中质量射程仅为1.29 g/cm2），只能极少量地用于 医疗用品生产厂的在线灭菌（薄型包装或容器浅表 面）。
俄罗斯的ELV系列电子加速器，因设计技术原 理所限，目前实现3MeV能量已相当困难。基本上 可以认为，该机型不能用于工业化消毒灭菌。
-20% 9
0%
Energy MeV 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11
Dynamitron® Rhodotron® LINAC
Energy spectrum Rhodotron 120%
100% 80%
60%
40% 20%
0% 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 Energy (MeV)
但其中多数仍然主要用于辐射交联等加工用 途，只有少部分直接用电子束进行消毒灭菌，个别 机器转X线后用于灭菌。
5MeV电子束打靶转X线后用于辐射消毒灭菌 是一种适当的选择。但其缺点，一是5MeV电子束
穿透力不够，直接应用电子束时受到局限；二是目前 5MeV电子束转X线的转换效率（5~10%）仍然较低。
图1. 传统立式Dynamitron®设施模拟图
这样，打算转X射线的话，电子束功率至少得 150kW以上，也就是束流应超过30mA！如此，所获得 的 X 射 线 功 率 约 为 10-15kW ， 由 于 射 线 利 用 率 上 的 优 势，其加工能力可大致相当于100万居里的钴源。
比如，可以在加速腔圆周上的不同端口，获得 两种或更多的束流线（如5MeV和10MeV）；也可 以通过调整加速腔内的射频电场来降低某一端口的 电子束能量，降低幅度可达30%（如在10MeV端 口上，可以实现7MeV电子束）。
谱分布。能谱在设定能量附近的集中分布意味着良好 的束流质量，特别是在进行单面照射时，可以获得更 好的均匀度（max/min）。
2．Dynamitron®电子加速器
Dynamitron®电子加速器由美国核物理学家Dr. M. R. Cleland发明。该型加速器在0.5~5MeV范围 内均可稳定实现电子束输出，且能达到较高的束功 率(目前最大束功率为250-300kW) 。其中，5MeV 的Dynamitron®已用于辐射法消毒灭菌。
《辐射消毒灭菌用高能电子加速器的几个技术经济问题》
-1-
俄罗斯制造直线加速器的研究院所，如NIIEFA 等，在中国销售LINAC加速器，加强了其在中国的 影响。而特别值得注意的是，近年美国、日本等国 家的直线加速器生产公司，各自加强了在中国的市 场宣传和推广工作(如以前少为人知的L-3、IHI等)。
120% Energy spectrum Linac
120% Energy spectrum DC
100%
100%
80%
80%
pow er Pow er Pow er
60%ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Series1
40% Series1
60%
40%
20%
20%
Energy (MeV) 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 0%
在电效率、维护便捷、整体可靠性，以及满足不同辐 照要求上的适应性等方面，Rhodotron®均展现了独步 天下的优越性。
Electrical supply
Very high voltage pulses generator (100 kV)
Klystron microwave generator
Circe of Linac Technologies
目前，鼓噪可以制作5MeV加速器的，国内外都有 几家，但真正具有大功率5MeV成熟实践经验的只有 IBA一家公司。
只是，自从10MeV的Rhodotron®加速器进入市场 后，可以说，在消毒灭菌加速器领域，经济、技术上 的制高点已全部为Rhodotron®所占领。 3．微波（射频）10MeV电子加速器
《辐射消毒灭菌用高能电子加速器的几个技术经济问题》
-2-
率意味着较低的运行成本，两项叠加， Rhodotron®就意味着比直线加速器LINAC更低的 单位产品辐照生产成本。
谈到经济性，我们还必须提到机器的售价。过 去 ， 听 到 IBA 的 报 价 ， 国 内 不 少 人 士 认 为 Rhodotron®售价太高。实际分析一下，结论却是 恰恰相反：
图2. 法国LINAC技术公司的直线加速器 笔者认为，就加速器应用技术而言，这种竞争 宣传有可能对国内一些用户产生误导。技术早已落 后的小功率直线加速器大量安装使用，对中国辐射 加工业发展未必有利！
表1. 工业辐照直线加速器的基本参数
电子束能量（MeV）
3~10
最大平均束流功率（kW）
3~20
脉冲重复频率（Hz）
辐射消毒灭菌用高能电子加速器的几个技术经济问题
郭文勇1 赵奕1 刘仁庆2 1（艾尔贝姆（北京）医疗器械技术服务有限公司）
2（亿比亚（北京）粒子加速器技术有限公司）
北京通州区 光机电一体化产业基地 兴光二街六号 邮编 101111
一、常见的辐射消毒灭菌电子加速器
工业辐照电子加速器的种类很多，使用中各有 利 弊 。 目 前 国 内 已 安 装 使 用 的 大 都 是 1MeV 至 3MeV中低能量机型，主要用于高分子材料的辐射 改性。
RHODOTRON ELECTRICAL EFFICIENCIES AT 10 MeV
50
40
30
20
10
0 10 30 50 70 90 110 130 150 170 190 BEAM POWER (kW)
图5. Rhodotron®电效率曲线(10MeV) Rhodotron® TT100/200/300标称束流功率分别为 35 、 80 、 150kW ， 束 流 功 率 电 效 率 分 别 高 于 20% ， 31% ， 43% 。 当 束 功 率 提 高 至 100-200kW 时 ， TT200、TT300的电效率分别接近36%、50%。目前世 界上电子束束功率最大的TT1000束功率为：5MeV— 500kW, 7MeV—700kW；其电效率远超过50%。通 常，同一型号的Rhodotron®在更低MeV数工作时，可 获得的电效率会更高。 这里所提到的电效率值数据并非单纯理论计算所 得，而是经过多家公司多年实践得到实际证实的。基 本电耗统计数据中，包含加速器所有部件：功率电 源，电子部件和控制柜，主冷却回路等。 产生这种参数差异的主要原因在于两种机器的结 构原理不同。Rhodotron®在连续波（CW）模式下运 行，与脉冲方式的直线加速器有根本区别。 更大的束功率意味着更高的产出能力，更高电效
Rhodotron®不需要同步触发信号，也不必担心丢 失脉冲或脉冲失真，可以确保束流不稳定度小于 0.5%。概括地说，这就意味着Rhodotron®很少会因为 故障而停产，并且具有更好的剂量一致性（生产批内或 批次间）。
电压波形V
直线加速器
t 束流I
图6. Rhodotron®多出口输出电子束 条件适当的话，这种配置调整不影响加速器的 总束流功率。特定输出端口能量的降低，甚至还能 增加总电效率。这种能量调节和保持总功率不变的 能力，大多数直线加速器都不具备。 当加工只需较低穿透能量的产品时， Rhodotron®的用户就可以调低能量增加束流，处理 产品的产量就得以提高（线速度与mA数相关）， 可以多获收益。 谈到电子束能量，还必须讨论一下电子束的能
能量可达10MeV的工业辐照电子加速器，包括IBA 公 司 的 Rhodotron® 系 列 和 各 种 微 波 直 线 电 子 加 速 器 （以下简称直线加速器或LINAC）。
直线电子加速器，国内外均有不少人家研制和制 造生产。除了俄罗斯BINP研制的单腔直线电子加速器 ILU-10系列（最高能量4.5MeV, 50kW）技术路线较为独特 外，其余大多数用于工业辐照的品种均为LINAC型微 波（驻波或行波）直线电子加速器。
国内最常见的电子加速器机型为美国辐射动力 公司（RDI）发明的Dynamitron® (地那米)高频高压 型电子加速器（包括国内单位不同年代仿制的各种 型号），以及俄罗斯西伯利亚核物理研究所 （BINP）的ELV系列高压变压器型电子加速器。
10MeV 高 能 电 子 加 速 器 已 投 入 使 用 的 有 ： 80kW的Rhodotron®TT200（Sterigenics —上海辐 新）和10kW级别的直线LINAC（四川久远科技、 上海束能、宁波超能等）。即将安装的有中国计量 院、山东蓝孚科技、合肥科大创新、青岛青迈等。
以Rhodotron®TT300为例，其报价不到500万 欧元，按现价换算成人民币约5000万元，不可谓 不高。但其束功率近200kW，以单位束流功率售价 看 ， 不 到 25 万 元 /kW ， 与 直 线 加 速 器 近 100 万 元 /kW的价格相比，还不到其售价的1/4。
假如再加上附属设施等建设费用计算总的投资 成本，可以肯定，10MeV直线加速器的单位功率 投资成本比Rhodotron®高得更多！
图4. 典型的10MeV Rhodotron®电子束加速路径 示意图
三 ． 10MeV 能 级 的 Rhodotron® 与 微 波 直 线 加 速 器 的 技术经济性比较
1. 束功率、电效率与经济性比较 普通LINAC加速器的束功率一般为10kW，电效率
通常不超过10%。与之相比，束功率最小、电效率最 低 的 Rhodotron®TT100 也 要 高 出 直 线 加 速 器 一 倍 以 上，TT200/300则要高出两倍。
采用一种优美的简约设计，Rhodotron®达到了 设计目标，为全世界提供了一种不同于以往技术局 限的独特产品。
图3. Rhodotron®主机和270 °束流弯转磁铁
自 第 一 台 Rhodotron® 在 瑞 士 Studer 安 装 以 来，经过累计二十多台、最长十几年的实际使用，
ELECTRICAL EFFICIENCY (%)
5~600
典型脉冲高压（KV）
~100
典型微波脉冲功率（kW）
3000~6000
工作微波频率（GHz）
2~3 (S波段为主)
电子束扫描频率（Hz）
5~20
扫描窗扫描宽度（m）
0.3~1
循 环 往 复 式 电 子 加 速 器 Rhodotron® ， 是 IBA 公 司 历经数年苦心钻研，于上世纪九十年代初研制出的 划时代的工业辐照加速器。
如果业主的加工业务量不够大，安装使用大功 率 的 Rhodotron®TT300 有 困 难 ， 可 考 虑 购 买 束 功 率小至50kW的TT200，或更小的TT100等型号。
2. 加速器的灵活适用性比较
a) 电子束能量的调节能力
作为可选配置，Rhodotron®用户可在同一机器 上，得到不同能量（MeV）的电子束。
总的来看，如采用电子束消毒灭菌，在产品适应 性上，使用5MeVDynamitron®会受到更多的产品尺寸 及密度的限制。
但5MeVDynamitron®相比10MeV的LINAC具有三 个主要优势：①总体电转换效率高；②电子束束流大 （比LINAC平均束流高至少一个数量级），产能高； ③可采用X射线技术。
图7. 不同类型电子加速器能散比较
Rhodotron®的设计能散公差为：10MeV时不超过 300keV，在实际中甚至低至100keV。据IBA所知，在 光路上不使用能量过滤装置而导致功率损失的条件 下，这是目前能获得的最精密的能散特性。
b) 束流调整能力
基本的直线加速器设计，需要波导内断续的射频 （通常在短脉冲之间是很长时间的空闲）和电子枪时 序完全同步。如果在这一过程中，速调管开关时间和 电子枪发出的电子不完全同步，在一个脉冲内将只有 部分束流被输出，或者更坏的情况下，整个脉冲都将 丢失。如果直线加速器产生数量较多的脉冲丢失或脉 冲失真，这将转化为剂量率的不稳定。
1． 俄罗斯的ELV电子加速器
3MeV以下能量的电子束，因穿透力太小（水 中质量射程仅为1.29 g/cm2），只能极少量地用于 医疗用品生产厂的在线灭菌（薄型包装或容器浅表 面）。
俄罗斯的ELV系列电子加速器，因设计技术原 理所限，目前实现3MeV能量已相当困难。基本上 可以认为，该机型不能用于工业化消毒灭菌。
-20% 9
0%
Energy MeV 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11
Dynamitron® Rhodotron® LINAC
Energy spectrum Rhodotron 120%
100% 80%
60%
40% 20%
0% 9 9.2 9.4 9.6 9.8 10 10.2 10.4 10.6 10.8 11 Energy (MeV)