辐照加速器电子束聚焦系统设计与优化开题报告

加速器是一种利用人工方法产生高能带电粒子束的装置，它利用一定形态的电磁场将正负电子、质子、轻重离子等带电粒子加速使它们的速度达到每秒几千千米、几万千米甚至接近于光速^[1]。19世纪30年代初，一大批加速器相继问世，包括高压倍加器、回旋加速器、静电加速器。1932年，j.d.考克绕夫特（j.d.cockcroft）和e.t.瓦尔顿(e.t.warton)用他们建造的700kv高压倍加器加速了质子，并实现了第一个由人工加速粒子发生的核反应；同年e.o.劳伦斯(e.o.lawrence)用回旋加速器首次制成了人工放射性核素；同一时期，静电加速器由r.j.范德格拉夫(r.j.vandegraaff)创建。x射线管是最早的电子加速器，1940年，美国科学家科斯特研制出世界上第一个电子感应加速器，能量达到100mev。二战时期直线加速器得到了快速发展，l.阿耳瓦列兹（l.alvaerz）和w.w.汉森（w.w.hansen）,领导建造了质子驻波直线加速器和电子行波直线加速器，奠定了直线加速器的基础。在加速电子的过程中，同步加速器会有明显的同步辐射损失，而直线加速器恰巧克服了这一缺点。与工业化发展阶段相适应，我国粒子加速器的应用领域越来越广泛，已应用于工业、农业、医学、环保等领域^[2,3]。电子辐照加速器是一个比较复杂的电磁装置，主要应用于热缩材料、电线电缆、中药、医疗用品及食品加工领域，被誉为绿色加工装置，也是符合可持续发展的理想辐射源。

对于高压型电子辐照加速器而言，一般包括电子枪、加速管、高压电源系统、磁聚焦透镜系统、扫描磁铁、真空系统、水冷风冷系统、控制系统、束下装置、屏蔽系统等^[4]。辐照加速器结构图如图1所示。电子束由电子枪发射产生，并被引入到加速管中，直流高压电源为加速管提供高压，电子在电场的作用下被加速，能量得到提高。由于辐照加工对于电子束的要求比较高，电子束除了在外场和束流自场的作用下做径向和纵向运动外，还有在轴向场的作用下的角向运动，为了保证电子束的横向运动的稳定，使电子束沿加速管方向束流包络特性满足要求，电子束获得能量之后必须通过磁聚焦透镜系统进行聚焦，最终经过扫描磁铁的扫描发散，穿过钛窗照射到被辐射物体上。传统的弱聚焦应用同步加速器上在提高能量的过程中由于磁体尺寸、体积过大重重受阻。在20世纪50年代初，强聚焦原理首次被m.s.利文斯顿（m.s.livinston）和e.d.科朗（e.d.courant）提出，使得加速器的尺寸大大减小，随后一大批强聚焦型加速器诞生。目前电子辐照加速器磁透镜聚焦系统主要采用的通电螺线管聚焦，通电螺线管内部系统结构比较简单并且磁场呈轴对称结构，通过调节通电螺线管中的电流大小调节磁场大小，便于适应工业辐照加速器实际应用过程中的调试，但是在使用过程中需要消耗大量能量，并且效率低，螺线管的尺寸也限制了辐照加速器的尺寸，相比之下，永磁体强聚焦不需要消耗能量，其体积也可以尽可能的小，对于工业辐照加速器的性能提高具有重要意义，将强聚焦原理应用到辐照加速器必然是大势所趋。

2. 研究的基本内容与方案

本设计旨在对辐照加速器电子束聚焦系统进行优化与设计，在原有的螺线管聚焦的基础上，采用永磁体强聚焦，进一步扩展到周期永磁体聚焦，使电子辐照加速器电子束包络特性满足要求并完成束流输运过程中光路设计，最后完成永磁体的设计。

研究内容主要包括如下几个部分：

（1）、对国内外辐照加速器的发展进行分析，介绍电子辐照加速器的基本结构。

3. 研究计划与安排

1-3周：完成本设计的前期调研与准备工作，查阅资料学习相关知识，完成开题报告与外文文献翻译。

4-6周：完成电子束在磁场中的运动分析与不同透镜的聚焦规律，推导相关公式，为电子束光路设计奠定理论基础。

7-9周：利用transport软件完成电子束光路设计。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陈佳洱.加速器物理基础[m].北京：原子能出版社, 1993

[2]江海,袁肖肖,张伟,尹政,段明皞.10mev电子直线加速器辐照控制工艺研究[j].制造业自动化,2018,40(07):144-147.

[3]杜静玲,赵志祥,刘文平,王国宝,彭伟,陈殿华,王传桢.中国核技术应用发展现状与趋势[j].同位素,2018,31(03):180-187.