辐照直线加速器电子束扫描控制

　第10卷　第4期

强激光与粒子束V o l .10,N o .4 1998年11月H IGH POW ER LA SER AND PA R T I CL E BEAM S N ov .,1998　

辐照直线加速器电子束扫描控制

Ξ

周常兵　席德勋　庄　亚

(南京大学加速器研究所,南京210093) 摘　要　在工业辐照电子直线加速器的扫描线圈内通以准三角波电流能使电子束在扫描

方向分布均匀。系统的扫描电流周期和调制器的主脉冲同步,可消除扫描均匀性中出现的拍

频现象。根据速调管调制器主振脉冲频率、扫描宽度和电子束的束斑大小可以定出辐照床的最

高运动速度以实现高效率的辐照。

关键词　准三角波电流　扫描电流周期　拍频　高效率辐照

中图分类号　T L 503.6

工业辐照电子直线加速器[1]电子束扫描的均匀性对材料的辐照改性、辐照加工至关重要,直接影响材料的性质,因而在各种情况下,必须保证电子束扫描的均匀性都在规定的范围内。扫描磁铁安装在加速管与扫描盒的连接处,电子束在扫描盒下应当在一圆弧上均匀分布。被照射物体是水平放置的,所以扫描电子束在辐照床平面的电子束扫描方向上并不均匀。在实际使用中,还要考虑在辐照床运动方向上电子束扫描结果的均匀性,这样辐照床运动的最高速度将受到扫描频率的限制。扫描磁铁中的扫描电流一般用三角波电流,因而电流的变化不是连续的,顶点处波形的频率远远超过三角波的基波频率,在此处普通铁芯响应差,结果使扫描电子束在两边界处束密度过大,均匀度下降,所以扫描电流必须采用准三角波。1　电子束扫描的均匀性

实验所用辐照加速器的加速管采用直立式结构,其优点之一是加速管出口处的班点形状好,呈圆形,束斑中心密度基本上为高斯分布(与实际测量结果基本符合),因此可令单个束斑的密度分布为exp (-x 2 2Ρ2)。定义2Ρ为束斑宽度,于是,在扫描时电子束均匀分布的条件下,沿扫描方向的电子束总的密度分布为:

y =A 1{e -(x -k Ρ)2

2Ρ2+e -(x +k Ρ)2

2Ρ2

}+A 2{e -(x -3k Ρ)22Ρ2+e -(x +3k Ρ)22Ρ2}+……+A n {e

-[x -(2n -1)k Ρ]22Ρ2+e

-[x +(2n -1)k Ρ]22Ρ2}=∑n j =1A

j {e -[x -(2j -1)k Ρ]22Ρ2+e -[x +(2j -1)k Ρ]22Ρ2}

(1)(1)式是以扫描场中心为原点,N =2n 个束团均匀对称地分布在原点两边,其中强度近似为A 1=A 2=…=A n =A (常数),k 为系数,两峰之间的距离是2k Ρ。如果在坐标轴的某点x =p 处束斑密度有极大值,由于密度分布的对称性,则在点x =-p 处,束斑密度亦有一个极大值,这说明在扫描方向上均匀度并不理想。当束斑密度有多个极值时,点x =0处的密度一定是极小值,减小k 使2k Ρ减小到一定程度,密度由极小变成极大,这就是密度分布均匀性最好Ξ国家级产学研资助课题

1998年5月6日收到原稿,1998年7月22日收到修改稿。

周常兵,男,1970年8月出生,在读硕士生

的基本条件,这时系数k =k c 为临界值。对于N =2n 个束团(束团数有限)而言,为使它在一定的扫描范围内密度分布(N ≥10)的不均匀度小于±0.001%,系数k 有一临界值k c 。表1列出了临界值k c 和束团数N 的关系,根据所作的关系曲线,也可找到束团数为单数时它与k c 的关系。

表1　临界值k c 和束团数N 的关系

Tba le 1　Rela tion between k c and the nu m ber of beam s

N

2468101214161820k c

10.7770.6590.5820.5270.4860.4530.4260.4030.383N

22242628303234363840k c 0.3650.3520.3420.3350.3310.3290.3270.3260.3260.325

在实际应用时,并不要求不均匀度如此之高。若扫描宽度为100c m ,Ρ取2c m ,束团数取25,扫描电子束密度分布曲线的计算机模拟结果如图1,该曲线的不均匀度不大于±1.6%。图中光滑曲线即为拟合曲线。

F ig .1　Si m ulati on scanning curve 图1　模拟扫描曲线 在工程上,由于加速器本身稳定性的限制,不

均匀度的设计值取±3%就够了。上面讨论了沿扫描

方向的均匀性,现在讨论沿辐照床运动方向的均匀

性。设扫描范围(宽度)为2D ,速调管调制的重复频

率是f ,一次扫描的束团数为N =D k Ρ,表明扫描

周期实际上由f 决定,其好处在于扫描频率与f 之

间不会形成拍频,避免了一次扫描中均匀性出现的

波动。对圆形束斑,为保证辐照床运动方向的均匀

性,对辐照床的运动速度有一定的要求

v m ax =2k 2Ρ2f D (2)

为了使扫描束流在辐照平面上均匀分布,扫描电流不是精确的台阶形三角波,因为如果束团均匀扫描,其强度是在圆弧上均匀分布的。设扫描磁场的中心到辐照床的垂直距离为H ,辐照床上的扫描宽度为2D ,扫描波形是中心对称的,束流最大的偏转角应为Αm ax =arctan (D

H )。

在宽度D 内要求均匀分布N 2个束团,第j 个束团对中心垂线的角度Αj =arctan =(2jD H N ),所以角度变化为:

∃Αj =arctan 2(j +1)D H N -arctan 2jD H N =arctan 2D H N H 2N 2+4j (j +1)D 2(3)因而在理论上,应当对束团的位置进行校正,于是扫描电流波形是准三角波。

2　扫描控制系统

扫描电流可以用50H z 方波加在扫描线圈上以产生三角波电流[2],系统采用8098单片机控制,很容易产生校正三角波电流。为防速调管调制脉冲的强大干扰影响程序的正常执行,将调制器的主振脉冲引出,经脉冲变压器耦合到扫描控制系统,这样做的好处是使系统与高功率部分无直接联系,高功率干扰可大为减少。该主脉冲作为8098程序执行的同步信号,它的宽度约20Λm ,经加宽成形,得到60Λm 宽的矩形脉冲,当作8098的复位脉冲,以确保程序执行不受干扰(高功率干扰在高压脉冲结束后还会存在20～30Λs )。图2是本系统的框图,8098接受从程序控制送来的能量选择信号,以定出不同能量所需准三角波的幅度增益。扫描

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