电子辐照加速器种类,与典型应用（半导体材料与器件辐照条件下电特性异变）

发布时间: 2024-06-13 浏览次数： 次

　　（1）低能（0.1 MeV - 0.3 MeV）加速器：代表类型是电子帘加速器，它是一种高压型加速器，没有加速管和扫描装置，体积小、外型规整、具有自屏蔽功能，结构比较简单，束流功率一般为150 - 200kW。主要用于谷物等农产品的辐射灭菌，表面涂层辐射固化，特别是用于工程塑料、板材和玻璃等建筑装饰材料等产品涂层固化，海水淡化膜和锂电池微孔复合隔膜等功能膜的制备，废气处理，橡胶硫化等。电子帘加速器的一个新的用途是用于邮件或包裹表面的消毒灭菌，美国邮政部曾购买了8台电子束加速器用于对通向重要政府机关的文件进行消毒，以确保安全。 

　　（2）中能（0.3 MeV - 5 MeV）加速器，代表类型是高频高压加速器，亦称地那米加速器，它是目前世界上应用最广的辐照加速器类型，性能比较稳定。其束流能量一般在2 - 5 MeV，功率为几十到上百kW。主要应用于电线电缆的聚乙烯绝缘材料和聚乙烯发泡塑料的辐射交联，橡胶硫化，辐射生产高强度耐温聚乙烯热塑管等。 

　　（3）高能（5 MeV - 10MeV）加速器，代表类型是直线加速器，是利用微波电磁场加速电子。根据微波的类型可分为行波和驻波型，电子能量一般都较高（>5 MeV），输出功率在几kW到几十kW。电子直线加速器的最高电子能量已超过上百GeV，但由于工业辐射安全的限制，一般工业辐照电子直线加速器的最高能量限定为10MeV。在辐射加工安全许可范围内，高能（>5 MeV）电子对被照射物具有更深的有效穿透，并且X射线的转换效率也较高，可以转换为X射线进行辐射，因而得到广泛利用。主要应用于医疗产品的辐射消毒，食品保藏，电子元器件改性，轮胎硫化等方面。 

　　电子直线加速器（中国科学院高能物理研究所研制） 

　　电子直线加速器 

　　直线加速器（linear accelerator or linac）是带电粒子在高频电场加速下，沿直线轨道传输的加速器装置。直线加速器中轴向高频电场由微波功率源（一般频率为0.5 - 30GHz）溃入的微波功率产生，束流与交变的电场同步加速，形成多个束团。束流获得的能量取决于平均电场强度和加速的路程长度，因而直线加速器不受高压加速器中的高压电源高压难以进一步升高的制约，束流能量可以达到GeV量级。相对其他高能加速器，直线加速器具有注入、引出简单，束流利用效率高，束流强等优点。由于直线加速器易于实现较高的束流能量，所以辐射加工领域内5 – 10MeV的高能加速器主要是电子直线加速器。 

　　电子直线加速器基本组成主要有电子枪、加速结构、聚焦系统、调制器、功率源、微波传输系统、真空系统、控制系统、恒温系统、束流输运系统等，下图是一套电子直线辐照加速器的结构框图。各组成部分的主要作用为：调制器产生两个高压脉冲，一个激励功率源，功率源产生的高功率RF脉冲经微波传输系统溃入加速管，在加速管中建立加速电场。另一个高压脉冲加到电子枪上，引出电子束，电子束流注入加速管，受到加速电场的加速。聚焦系统保证束流在加速过程中始终沿着中心轨道传输，保持小的束流截面。辐照加速器中还有扫描磁铁和扫描盒系统。加速管出射的高能电子束经输运系统传输到扫描磁铁，扫描磁铁将束流在一个固定的角度内循环往复的进行偏转，经一个较长扫描盒后，增加了电子束流出射的扫描宽度，即增加了辐照的范围，可以辐照较大尺寸的物品。 

　　辐照加速器布局 

　　产品的传输系统 

　　辐照产品置于链式传送带上，可以处理各种包装或不同种类的产品。通过电子束的传送带，由有柔韧性的金属薄片做成。产品装载和卸载的操作可手动或自动完成。产品在传送带上的排列是平面的，并控制使得到最大的束流利用率及可重复的剂量分布。传输速度的控制与电子束流和电子束宽度相匹配，使被照射产品接受到预定剂量。当需要使箱盒翻身以便实现双面辐照时，最简单的方法是让箱盒传送出辐照室后，靠人工翻转。更安全可靠的方法是自动翻转。一般容器传送速度为0.5 - 15 m/min，控制精度为0.8%。 

　　人员的辐射防护系统 

　　辐照区周围要有屏蔽墙以衰减X射线，X射线是由高能电子打在物体上引起的，例如产品、运输带、墙、地板等。屏蔽墙的厚度随电子能量增加而增加，随屏蔽材料原子序数的增加而减小。对10MeV的电子加速器来说，侧屏蔽混凝土厚度约为2 m，直射混凝土屏蔽厚度约为2.5 m。为了减小散射辐射，传送带及人员的进出口，要设计成迷道。 

　　为了防止人员的辐照事故，进入安装辐照装置的区域必须有一套安全联锁系统装置，以确保人员不受误照射。此外还有个人胶片剂量计等用以记录人员的累积剂量。 

　　剂量实验系统 

　　吸收剂量值——辐射加工的定量指标。 

　　准确可靠的剂量测量，对于研究与复现辐射效应，校准与监督加工运行参数，提高生产效率，保证辐照产品的质量具有重要的意义。只有被国家或国际剂量标准所承认的充分可靠的剂量系统，才能出具正式的公文证明，说明辐照加工已达到了所要求的结果。此外，工业辐照加工中，食品辐照保鲜，医疗用品的灭菌消毒，都直接影响着人们的健康与安全，因而卫生及环保部门会提出严格要求，制定法律条款。我国制定并已发布的国家标准GB/T 16841-1997《能量为300keV-25MeV电子束辐射加工装置剂量学导则》，对辐射源的特性，辐照装置的组成，加工参数，剂量测量系统，辐照装置的确认，加工确认，日常生产加工，证书，文件和档案及不确定度等都有明确的规定。此外在辐射加工剂量测量系统的选择和校准方面也有国家标准GB/T16640-2008《辐射加工剂量测量系统的选择和校准导则》，都必需遵照执行。 

　　产品处理系统（产品的接收，辐照前，辐照后，储存区） 

　　辐照装置作为整体，要有一套合理的针对不同产品及加工要求的运行参数，以及一套科学的管理运行体系。它们对确保产品质量有着至关重要的作用。 

　　加工参数包括： 　　

• 辐照单元的特性（尺寸，堆积密度和不均匀性）；

• 辐照条件（加工的几何条件，单面辐照，双面辐照）

• 运行参数

• 电子束特性（电子能量E，电子束平均流强I）

• 产品的传输速度

• 电子束的扩展参数（扫描宽度） 

　　 运行参数需要在线测定，并建立起它们与吸收剂量值的关系，进行自动控制。 

　　 辐照加速器的应用 

　　 利用高能电子直线加速器技术来进行辐照加工项目，不但可以将它应用在化工产品方面，而且也可以用在农产品加工以及医疗事业方面。对提升区域内的工农业档次、加大本地区产品的出口力度、推动外向型经济的发展有极大的作用。主要应用领域如下： 

　　1)    利用电子束辐照快速晶闸管、芯片，可改变优化产品的性能。 

　　2)    降解水产品、蜂制品中残留氯霉素，达到出口国的农药残留卫生标准。 

　　3)    农副产品、食品、海、水产品的保鲜，达到杀菌、杀虫、抑制发芽、延长货架期的目的。 

　　4)    一次性医疗卫生用品的消毒灭菌（医用敷料、纱布、手套、手术用医疗器械等） 

　　5)    工业废水、生活废水和养殖业废水的处理，处理后可显著降低生物耗氧量、化学耗氧量和有机总碳量；能彻底杀死废水中的细茵、病毒及其他有害微生物。 

　　6)    中成药、保健品的杀菌，利用电子束，能有效杀死中成药、保健品中的各种有害病菌，达到实用卫生要求。 

　　7)    黄玉、珍珠、水晶致色，提高产品品质，增加产品附加值。 

　　8)    高分子材料的降解。利用电子束降解PTFE，获取微米级和纳米级超细粉。 

　　9)    可用于酒类的辐照陈化等。 

　　10)  宠物饲料的杀菌，利用电子束能有效杀死宠物饲料中各种细菌，特别是沙门氏菌，从而达到宠物食用的卫生标准。 

　　11)  各种玩具的杀菌，为了保证各种玩具在生产过程中产生的细菌污染会直接影响到儿童的身体健康，要对它进行电子束杀菌，从而达到卫生要求。 

　　12)  化妆品原料中的有害菌和化妆品在生产中因污染产生的细菌将对皮肤带来潜在危险，而高温灭菌又会破坏化妆品自身的特性，影响其质量，利用电子束灭菌是在常温下进行的，对于不耐高温的化妆品是一种理想的灭菌方法。 

　　13)  商品养护（防霉），各种商品经电子束辐照后可起到防霉作用，从而达到对商品的养护。 

　　半导体元器件辐射改良                          

　　热缩材料辐射交联  

　　子午线轮胎各部件的辐射预硫化 

　　食品辐射杀虫、保鲜、灭菌 

　　 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10MeV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。