小型電子感應(yīng)加速器主控系統(tǒng)研制與成像測試

劉 琦 王海濤 李金海 陳 銳 陳海生 王仁波 湯 彬

1（東華理工大學(xué)教育部核技術(shù)應(yīng)用工程研究中心 南昌330013）

2（中國原子能科學(xué)研究院 北京102413）

3（泛華檢測技術(shù)有限公司 南昌330013）

隨著現(xiàn)代高性能X 射線探測器的應(yīng)用，電子感應(yīng)加速器［1-4］高能量低劑量的特點(diǎn)使其特別適用于貨物和車輛安檢系統(tǒng)。由于國內(nèi)從20 世紀(jì)60 年代就停止了電子感應(yīng)加速器的研究［5-6］，目前國內(nèi)這類設(shè)備主要依賴進(jìn)口，因此迫切需要進(jìn)行國產(chǎn)化，而其主控系統(tǒng)是核心關(guān)鍵部件。東華理工大學(xué)核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心研制了一臺小型電子感應(yīng)加速器主控系統(tǒng)，聯(lián)合機(jī)頭構(gòu)成的X 射線源可應(yīng)用于輻射型貨物和車輛檢查系統(tǒng)，解決目前國內(nèi)小型電子感應(yīng)加速器依賴國外進(jìn)口問題，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主化。

1 主控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小型電子感應(yīng)加速器由主控系統(tǒng)、機(jī)頭構(gòu)成，其中機(jī)頭內(nèi)部主要是電磁鐵和加速管，電磁鐵由上、下磁極［7］組成，磁極中間氣隙處安裝加速管。小型電子感應(yīng)加速器主控系統(tǒng)主要由勵磁電源電路、電子注入電路、電子俘獲輔助電路、電子偏轉(zhuǎn)電路構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 小型電子感應(yīng)加速器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of small electron induction accelerator

1.1 勵磁電路結(jié)構(gòu)

勵磁電路負(fù)責(zé)在機(jī)頭上下磁極的氣隙處激勵出符合電子穩(wěn)定加速的磁場。為了減小勵磁電源的體積，本工作設(shè)計(jì)了基于電感電容并聯(lián)（Inductorcapacitor parallel，LC）諧振的勵磁電路。勵磁電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其主要包括勵磁繞組、電容組、絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）、三相濾波器、全波整流器、LC 濾波器和直流高壓電源模塊。主勵磁繞組安裝在機(jī)頭上磁極和下磁極，圍繞磁極繞制而成，一共70匝，上下各35 匝。電容組由12 個20 μF/2 000 V 的無感電容并聯(lián)而成。IGBT用于控制電容放電過程，以及從外部補(bǔ)償磁損耗和繞組損耗引起的能量損失，使勵磁電流保持一定的振幅。三相電源通過濾波整流，疊加直流高壓，給電容組充電，使電容組在諧振器前儲滿能量。

圖2 勵磁電路結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of excitation circuit

1.2 電子注入電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)電子俘獲要求，從電子槍引出的電子束能量要達(dá)到30~40 keV，由電子槍引出的高壓來實(shí)現(xiàn)，引出高壓電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示。根據(jù)加速器的原理，電子引出的脈寬要控制在3~5 μs，本工作采用LC串聯(lián)放電的形式，克服了單電容放電拖尾導(dǎo)致脈沖寬度延長。放電脈沖在脈沖變壓器初級產(chǎn)生一個脈沖電壓，次級脈沖高壓直接連接到電子槍的陰極上。

圖3 電子注入高壓電路結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of electron injection high voltage circuit

1.3 電子俘獲電路結(jié)構(gòu)

由于小型電子感應(yīng)加速器的加速管截面較小，電子俘獲效率低，需要一些輔助措施來提高電子俘獲效率［8-13］。本工作在上、下磁極的表面各安裝一個半徑和電子平衡軌道一樣大小的單匝線圈。在電子束注入到加速腔的瞬間，線圈上產(chǎn)生一個脈沖電流，激勵出的脈沖磁場［14-18］能夠?qū)⑺矔r軌道半徑拓寬到電子槍出束口附近，隨著脈沖電流減小，瞬時軌道半徑將逐漸收縮到平衡軌道上。電子俘獲輔助電路的電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示，電容在功率開關(guān)器件的控制下，瞬時向俘獲線圈放電，產(chǎn)生脈沖輔助磁場，疊加在加速磁場上。

圖4 電子俘獲電路結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of electron capture assist circuit

1.4 電子偏轉(zhuǎn)電路結(jié)構(gòu)

當(dāng)加速磁場的磁通達(dá)到峰值前時，電子加速到一定能量，需通過偏轉(zhuǎn)方法將電子束偏轉(zhuǎn)到靶上發(fā)生韌致輻射。本工作在加速器上下磁極表面上圍繞中心磁墊各繞3 匝線圈，利用電容向線圈放電產(chǎn)生一個瞬時脈沖電流，激勵的脈沖磁場疊加在加速磁場上使平衡軌道內(nèi)的中心磁通瞬間增大，而平衡軌道附近的磁場仍然按加速磁場緩慢變化，瞬間增加的中心磁通使電子束軌道擴(kuò)張。電子偏轉(zhuǎn)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示，電容在功率開關(guān)器件的控制下，瞬時向偏轉(zhuǎn)線圈放電，產(chǎn)生脈沖磁場。

圖5 電子偏轉(zhuǎn)電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Structure diagram of electron displacement circuit

2 測試

根據(jù)上述電路組成結(jié)構(gòu)圖，本文研制的小型電子感應(yīng)加速器主控系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 主控系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Photographic of main control system

產(chǎn)生X 射線的穿透力、空氣絲分辨、空間分辨率、反差靈敏度是輻射型貨物檢查系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。本工作在中廣核貝谷有限公司的標(biāo)準(zhǔn)輻射成像測試系統(tǒng)上進(jìn)行了各項(xiàng)性能指標(biāo)測試。在測試過程中，加速器機(jī)頭置于安檢車行走部的鉛屏蔽體內(nèi)，主控系統(tǒng)置于屏蔽體旁邊，X 射線探測器使用CsI 陣列。測試時，加速器固定不動，載有各項(xiàng)測試裝置的測試車大約以0.5 m·s-1的速度通過檢測區(qū)域，加速器產(chǎn)生X 射線劑量率為39.42 mGy·min-1，脈沖頻率300 Hz，X射線能量設(shè)置為7.5 MeV。測試方法按照國標(biāo)GB/T 19211―2015 輻射型貨物和車輛檢查系統(tǒng)進(jìn)行。輻射成像測試系統(tǒng)如圖7 所示，主控系統(tǒng)安裝圖如圖8所示。

圖7 成像測試裝置Fig.7 Photographic of imaging test device

圖8 主控系統(tǒng)安裝圖Fig.8 Installation diagram of control system

1）穿透力測試

穿透力測試裝置如圖9 所示，裝置里面裝有不同厚度的鋼板，鋼板長和寬均為500 mm，在鋼板后面安裝兩塊方形鉛塊，鉛塊規(guī)格為100 mm×100 mm×200 mm（L×W×H），鉛塊與鋼板成45°角。測試時，通過增加鋼板厚度，觀察成像后的圖像，以不能辨識出鉛塊形狀為止，即為加速器產(chǎn)生X 射線的穿透力性能，測試結(jié)果如圖10所示。在鋼板厚度為276 mm 時，能夠辨識出鉛塊形狀，當(dāng)厚度增加到296 mm 時，已無法辨識出鉛塊形狀，穿透力達(dá)到了A類標(biāo)準(zhǔn)。

圖9 穿透力測試裝置Fig.9 Photographic of penetration test device

圖10 穿透力測試結(jié)果Fig.10 Results of penetration test

2）空氣絲分辨測試

空氣絲分辨測試裝置如圖11所示，在裝置上安裝多條直徑不同的鋼絲在空氣中，任意兩條鋼絲間的距離不應(yīng)小于50 mm，鋼絲與支撐結(jié)構(gòu)成45°角。測試時，在圖像中以能辨識出直徑最小鋼絲為止，測試結(jié)果如圖12 所示，在圖像中可以辨識出2 mm 的鋼絲，空氣絲分辨達(dá)到A類標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 空氣絲測試裝置Fig.11 Photographic of wire detectability test device

圖12 空氣絲分辨測試結(jié)果Fig.12 Results of wire detectability test

3）45°空間分辨率測試

45°空間分辨率測試裝置如圖13 所示，在裝置上面，每3根鋼絲組成一組，每組鋼絲的內(nèi)部間隔從1~4.5 mm 變化，鋼絲與支撐結(jié)構(gòu)成45°角。測試時在圖像中以能單獨(dú)辨識出每組里面的3 根鋼絲為準(zhǔn)，測試結(jié)果如圖14 所示，在圖像中可以辨識出間隔為3 mm的3根鋼絲，空間分辨率達(dá)到B類標(biāo)準(zhǔn)。

圖13 空間分辨率測試裝置Fig.13 Photographic of spatial resolution test device

圖14 空間分辨率測試結(jié)果Fig.14 Results of spatial resolution test results

4）反差靈敏度測試

反差靈敏度測試裝置如圖15 所示，在裝置上，500 mm×500 mm×100 mm（L×W×H）的鋼板后面裝上不同厚度的矩形鋼片和不同直徑的鋼絲，鋼片和鋼絲都與鋼板成45°角。測試時，在圖像中以能辨識出最小厚度鋼片和最小直徑鋼絲為止。測試結(jié)果如圖16 所示，在圖像中可以辨識出3 mm 的鋼片和5 mm鋼絲，反差靈敏度達(dá)到A類標(biāo)準(zhǔn)。

圖16 反差靈敏度測試結(jié)果Fig.16 Results of contrast sensitivity test

3 結(jié)語

本文介紹了一套用于小型電子感應(yīng)加速器的主控系統(tǒng)，利用國家標(biāo)準(zhǔn)的輻射型貨物和車輛檢測系統(tǒng)對加速器產(chǎn)生X射線的穿透力、空氣絲分辨、空間分辨率、反差靈敏度的性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明主控系統(tǒng)可以滿足小型電子感應(yīng)加速器的各項(xiàng)電子學(xué)需求，產(chǎn)生的X 射線能夠滿足一定類別的貨物輻射安檢要求。該系統(tǒng)體積小、重量輕，為解決國內(nèi)小型電子感應(yīng)加速器依賴進(jìn)口，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)自主化提供了重要技術(shù)保障。

作者貢獻(xiàn)聲明劉琦：設(shè)計(jì)和開發(fā)方法，電路研制，文章撰寫；王海濤：制定實(shí)驗(yàn)；李金海：制定研究目標(biāo)；陳銳：數(shù)據(jù)收集；陳海生：測試；王仁波：監(jiān)督和領(lǐng)導(dǎo)研究計(jì)劃；湯彬：監(jiān)督和領(lǐng)導(dǎo)研究計(jì)劃。