电子加速器技术工艺发展趋势分析

第一节 产品技术发展现状

带电粒子加速器自1930年前后问世以来，主要是朝更高能量的方向发展。在这个过程中，任何一种加速器都经历了发生、发展和加速能力或经济效益受到限制的三个阶段。在第三个阶段中，总会出现新技术或新原理突破困难，从而建造出新类型的加速器，使能量进一步提高，或使建造更高能量加速器在经济上成为可行。例如，电子感应加速器因磁铁庞大和加速能力不高而让位于电子同步加速器；同步加速器因辐射损失而让位于直线加速器。从另一个角度看，上述所有打静止靶的加速器又都存在有效碰撞能量随加速器能量增长缓慢的问题，而对撞机则大大提高了有效碰撞能量。

2007年，我国自主设计研制的首台高能大功率电子辐照加速器系统装置正式通过验收。这是我国目前能量最高、功率最大，具备产业化应用条件的电子辐照加速器装置，将被广泛应用于食品保鲜、医疗用品消毒、海关检疫等领域。高能大功率电子辐照加速器具有可控、能量高、辐照时间短、无核废物、灭菌彻底、无残留、不危害环境等特点，是符合可持续发展要求的理想辐射源，目前已成为国内外大力推广的射线辐照装置。

使用高能大功率电子辐照加速器辐照过的物品中不会有放射性残留，因此这种方法不仅成为一次性医疗用品消毒灭菌的重要手段，也用于邮件、邮包的消毒灭菌、食品的保鲜、粮食和其他农副产品的检疫和储藏、出口海产品辐照加工、纳米等新材料的制备等。高能大功率电子辐照加速器产生的效益十分可观，一台加速器每年开机5000小时，就相当于一座装量为100万至150万居里的钴源辐照装置，每年可辐照产品3万余吨，可实现年业务收入约2000万元。该示范工程的建成使我国具备了提供高能大功率电子辐照加速器成套设备的自主设计生产能力，显著提升了我国电子辐照加速器的制造技术和产业化水平，而且对优化辐照产业结构，促进食品安全，提高经济效益，实现可持续发展具有重要意义。

第二节 产品工艺特点或流程

一、直线加速器的原理

加速器是由三根用绝缘材料制成的高柱和在它们中间的加速器管组成。加速器靠真空泵保持真空。外表流线型，不仅仅是为了美观，而且是为了防止从任何棱角或突出部分形成意外的放电。

在加速器管中有金属圈，它们同高压发生器相连的方式能使一系列金属圈的负压由底部向顶端逐渐升高。生产质子的离子源安装在加速器管的上端。带正电的质子由于受到带负电的金属圈的吸引而顺管射下——由于下面的金属圈的负电压不断增大，质子的速度也不断增大。在加速器管的地端的地板下面，有一间装有接收器的小室，质子能够在这里同物质碰撞，在此过程中，轰击能够引起原子核的蜕变。

二、电子直线加速器真空盒的结构及加工工艺

1、真空盒的结构特点

真空盒作为NFZ电子加速器-电子加速器10工业辐照电子直线加速器的一个重要组成部分，其合理的机械结构及加工工艺设计是至关重要的。真空盒确保电子束流通过的空间为真空。其工作原理如图所示：

真空盒外形作为一狭长的封闭盒状，其外形结构主要受气隙1、2的空间尺寸及电子束流的轨迹制约，其内部为空心。真空盒的结构如图2所示。件1为采用高导电的无氧铜(TUI电子加速器)电子加速器加工而成的真空盒框架，不易被电子束击穿，而两侧面则采用1Cr18Ni9Ti电子加速器不锈钢皮来增加整个盒体的刚性和强度。(电子加速器电子束流基本上不到达两侧。真空盒在加工完毕后在A电子加速器-电子加速器A、B电子加速器-电子加速器B、C电子加速器-电子加速器C处分别与三个不锈钢法兰焊接为一封闭整体。

2、加工、焊接中易出现的问题

在加速器的研制过程中，真空盒的加工是难点之一，因无氧铜材质硬度小，刚性差，与不锈钢皮采用一般常规加工、焊接方法，真空盒易变形，两侧面平行度大大超差，焊接处会出现缝隙等不良现象。

3、改进后的加工方法

经反复研究、试验，现采用如下的加工方法：

1）加工真空盒的两个侧面，即加工出气隙1，气隙的尺寸，如图所示。

真空盒工作原理图

2）在数控铣床上加工真空盒的无氧铜框架内框，外轮廓暂不加工，使其成为一个连续封闭的框架结构如图所示。然后进真空炉600℃退火，以加强整个无氧铜框架的刚性，减少变形量。

3）加工完不锈钢皮Ⅰ、Ⅱ后，做其与无氧铜框架焊接前的准备工作：进真空炉800℃烧氢镀镍Ni电子加速器(电子加速器不锈钢只有镀镍后才能与无氧铜焊接)电子加速器。镀镍层不得有脱落现象，以免影响焊接效果。

4）在真空炉中，将不锈钢皮Ⅰ、Ⅱ焊接垫片分两次与无氧铜框架焊接为一体。在焊接时，注意采用压模板压模焊接的工艺方案，以保证配合面的紧密接触。

5）用数控铣床再对原点加工无氧铜框架外形轮廓。

6）在A电子加速器-电子加速器A、B电子加速器-电子加速器B、C电子加速器-电子加速器C电子加速器处切割，除去该几处以外用做加强筋的部分。

7）在A电子加速器-电子加速器A、B电子加速器-电子加速器B、C电子加速器-电子加速器C电子加速器处分别与相应不锈钢法兰焊接为一体。

4、结构与焊接工艺的特点

1）压模板、不锈钢皮、无氧铜框架焊接定位销孔分别为Ф3、Ф2、Ф1。无氧铜框架与不锈钢皮在进真空炉中焊接时，应在两钢皮外侧再各加一压模板，如图所示，使配合面紧密接触，焊接配合情况良好。若三者定位销孔直径大小一致，则在焊接过程当中，由于热胀冷缩，TUI电子加速器的热胀系数比1Cr18Ni9Ti电子加速器大，会出现真空盒各部分在升降温的过程中发生热变形，致使销孔间卡死，不锈钢皮与无氧铜框架之间出现缝隙，且会发生压模板在焊后取不下来的现象。

2）压模板材料的选择和处理。压模板材料选为1Cr18Ni9Ti。压模板在焊接前先进氢炉烧氢处理，使其表面生成一薄层黑色氢氧化物保护膜，该膜在无氧铜框架与不锈钢皮焊接时，避免流出的焊料与压模板粘结，易在焊接完毕后卸去压模板。

第三节 国内外技术未来发展趋势分析

用电子加速器产生的高能电子束照射可使一些物质产生物理、化学和生物学效应，并能有效地杀灭病菌、病毒和害虫。这一技术已被广泛应用于工业生产中的材料改性、新材料制作、环境保护、加工生产、医疗卫生用品灭菌消毒和食品灭菌保鲜等。它同钴源辐照一样，具有常温、无损伤、无残毒、环保、低能耗、运行操作简便、自动化程度高、适宜于大规模工业化生产等特点。与钴源相比，其最大优点是辐照束流集中定向，能源利用充分，辐照效率高，不产生放射性废物。随着钴源售价的飞涨、废源处理费用的上升，电子加速器辐照装置具有明显的价格和经济优势。用能量为l0MeV的高功率电子加速器建设高能电子辐照中心，在发展辐照加工产业的同时，开展辐照工艺和辐照新领域的研究，在国内外都是一项极具挑战和开拓性的工作，具有明显的社会经济效益和不可估量的潜在价值，是目前国际上倍受关注的高科技领域之一。
 

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