一種用於輻射加工的電子束擴散裝置

《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》是華中科技大學於2010年11月4日申請的發明專利，該專利申請號為2010105327581，公布號為CN102097150A，公布日為2011年6月15日，發明人是樊明武、黃江、陳子昊、陳金華、楊軍、李冬、劉開峰、胡桐寧、余調琴、熊永前、陳德智。

《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》涉及輻射加工領域，是一種電子束擴散裝置，將輻照電子加速器的電子束均勻擴散，輻射被輻照產品。該發明由兩組永磁鐵組合而成，第一組永磁鐵將使得電子束團橫向散焦縱向聚焦實現均勻散開，第二組永磁鐵對散開的電子束團邊緣進行修整。該發明採用永磁鐵組合方法擴散電子束，提高了散開電子束輻照的均勻度，整個裝置不消耗電能，結構簡單、造價低、擴散後的電子束截面大、分布均勻，不僅適合線材、帶材和板材輻照，也適合輻照具有異性結構的大尺寸物體。

2017年12月，《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》獲得第十九屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種用於輻射加工的電子束擴散裝置
• 地址：湖北省武漢市洪山區珞喻路1037號
• 公布號：CN102097150A
• 公布日：2011年6月15日
• 申請號：2010105327581
• 申請日：2010年11月4日
• 申請人：華中科技大學
• 發明人：樊明武、黃江、陳子昊、陳金華、楊軍、李冬、劉開峰、胡桐寧、余調琴、熊永前、陳德智
• 代理機構 ：華中科技大學專利中心
• 代理人 ：李智
• 類別 ：發明專利
• Int. Cl.：G21K 1/10（2006.01）、G21K 1/00 （2006.01）、G21K 5/04（2006.01）

專利背景

輻射加工是指利用核輻射與物質相互作用，被照射物質產生電離或激發，釋放出軌道電子，形成自由基，使它的物理性能或化學組成發生改變，變成所期望的新物質，或使生物體（微生物等）受到不可恢復的損失或破壞，達到輻照滅菌的目的。基於輻射方法對產品進行處理，改善產品性能，稱為輻射加工。輻射加工不同於傳統的機械加工或熱加工，高能電子或γ射線具有很強的穿透能力，可深入到物質內部，在分子的層面上進行“加工”，實際上是納米加工技術。加工者是高能射線以及它引發的高度活性的中間物，不是分子的熱運動，基本不產生熱效應。因此，輻射加工能耗低、無殘留物、少環境污染問題，輻射加工在工業、農業、醫學、生物、環保中得到越來越多的套用。

2010年11月之前用於輻射加工的輻射源有兩類，一類是放射性同位素如鈷源，另一類是帶電粒子加速器如電子加速器。電子加速器的優點是能量可控；電子束基本作用於被照射產品，利用效率高；沒有放射性廢源的處理問題；停機時不消耗電力；整個生產過程中除產生少量臭氧外，幾乎不污染環境。因此電子加速器在輻射加工中有更多用戶採用的趨勢。

輻照電子加速器電子槍的發射度約為20-25π毫米·毫弧度，其中束斑直徑約4-5毫米。經過加速器加速後電子束束斑直徑大約在1厘米左右，電子輻射加速器束流功率大體在10-50千瓦之間，也有超過100千瓦的大功率電子加速器，電子束能量集中在這一不大的面積範圍，不適合直接用於輻射加工產品，集中的能量易造成產品損傷或照射劑量不均勻。因此，電子束離開加速器後，在輻射到物體之前，必須安裝一個電子束散開裝置。

2010年11月之前採用掃描磁鐵方法，磁鐵由一鋸齒波電源供電，類似於電視機中的行掃描把電子束在橫向掃開，束下裝置帶動被照射物體在縱向勻速通過電子束，相當電視機中的幀掃描作用，儘可能使被輻照物體接受到均勻的劑量，基本解決了上述矛盾。圖1（a）為1兆電子伏能量、100毫安流強的加速器掃描磁鐵結構圖，圖1（b）為掃描原理示意圖。但電子束掃描方式存在如下缺點：它不僅要消耗電能，也難以使大尺寸異構件產品受到均勻輻照。此外，傳動速度與掃描頻率配合不當，有可能造成被照物體接受劑量的不均勻。

發明內容

專利目的

《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》目的在於不需要使用電力驅動，使電子束均勻散開照射到被輻照的產品上，不僅適合線材、帶材和板材，也適合其它具有異性結構的大尺寸物體。在“電子束永磁擴散裝置”中，第一組永磁鐵作用是將電子束均勻散開，第二組永磁鐵是把散開的電子束的周邊進行整形，提高散開電子束輻照的均勻度。

技術方案

《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》包含兩組永磁鐵，第一組永磁鐵包含有四個磁極，該四個磁極成對固定在上、下磁軛上，相對及相鄰磁極極性相反，這四個磁極構成的磁場使得電子束團橫向散焦縱向聚焦實現均勻散開；第二組永磁鐵包含有八個磁極，八個磁極成對固定在上、下、左、右磁軛上，相對及相鄰磁極極性相反，這八個磁極構成的磁場對散開的電子束團邊緣進行修整。所述磁極採用材質為汝鐵硼。所述磁軛採用材質為DT4。

改善效果

《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》的技術效果體現在：僅採用兩組永磁鐵，沒有電能消耗，結構簡單、造價低。第一組永磁鐵可將電子束均勻散開，第二組對散開的電子束的周邊進行整形補償，提高散開電子束輻照的均勻度。以能量為0.5兆電子伏、1兆電子伏的電子束為例，擴散裝置作用效果如圖10、11、12、13、14所示，電子束縱向積分的橫向均勻度≤6.7％，電子束被均勻分散在長為1米，寬為0.3米的矩形內，相比於掃描磁鐵，提升了擴散的均勻性；由於電子束擴散裝置的縱向面積大，提高了輻射產品的適用性，不僅適合線材、帶材和板材輻照，也適合其它具有異性結構的大尺寸物體。

附圖說明

圖1為掃描磁鐵示意圖，圖1（a）為掃描磁鐵結構圖，圖1（b）為掃描磁鐵原理示意圖。

圖2為《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》組合結構圖，圖2（a）為正視圖，圖2（b）為側視圖。

圖3為《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》分組結構圖，圖3（a）為第一組永磁鐵正視圖，圖3（b）為第一組永磁鐵側視圖，圖3（c）為第二組永磁鐵正視圖，圖3（d）為第二組永磁鐵側視圖。

圖4為TRANSPORT粒子束團相圖，圖4（a）為X方向束團相圖，圖4（b）為Y方向束團相圖。

圖5為0.5兆電子伏束流運動軌跡與出口處束團相圖，圖5（a）為0.5兆電子伏束流運動軌跡，圖5（b）為0.5兆電子伏束流加速管出口X方向束團相圖，圖5（c）為0.5兆電子伏束流加速管出口Y方向束團相圖。

圖6為1兆電子伏束流運動軌跡與出口處束團相圖，圖6（a）為1兆電子伏束流運動軌跡，圖6（b）為1兆電子伏束流加速管出口X方向束團相圖，圖6（c）為1兆電子伏束流加速管出口Y方向束團相圖。

圖7為電子束團在加速管出口處高斯分布圖。

圖8為電子束團在加速管出口處高斯分布曲線圖

圖9為電子通過永磁鐵擴散後，在輻射物體上的分布（僅第一組磁鐵）示意圖。

圖10為電子通過永磁鐵擴散後，在輻射物體上的分布（經第二組磁鐵修整）示意圖。

圖11為電子能量為0.5兆電子伏時擴散分布圖

圖12為電子能量為0.5兆電子伏時擴散分布曲線圖。

圖13為電子能量為1兆電子伏時擴散分布圖。

圖14為電子能量為1兆電子伏時擴散分布曲線。

權利要求

1.《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》包含兩組永磁鐵，第一組永磁鐵包含有四個磁極，該四個磁極成對固定在上、下磁軛上，相對及相鄰磁極極性相反，這四個磁極構成的磁場使得電子束團橫向散焦縱向聚焦實現均勻散開；第二組永磁鐵包含有八個磁極，八個磁極成對固定在上、下、左、右磁軛上，相對及相鄰磁極極性相反，這八個磁極構成的磁場對散開的電子束團邊緣進行修整。

2.根據權利要求1所述的電子擴散裝置，其特徵在於，所述磁極採用材質為釹鐵硼。

3.根據權利要求1所述的電子擴散裝置，其特徵在於，所述磁軛採用材質為DT4。

實施方式

如圖2所示，《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》包括兩組永磁鐵。

具體結構參加圖3，第一組永磁鐵四個磁極成對稱分布固定在上下磁軛上，相鄰及相對磁極的極性相反。本組磁鐵的作用是將電子束在一個方向上拉伸，另一個方向上壓縮，使得電子束擴散為近似橢圓形。第二組永磁鐵八個磁極成對分布在四個磁軛上，相鄰及相對磁極的極性相反。利用本組磁鐵形成的磁場對橢圓形的邊緣進行修整，形成近似矩形。接下來以電子能量0.5-1兆電子伏的加速器為例說明本發明電子束永磁擴散裝置的工作情況。2010年11月之前電子輻照加速器使用的電子槍的發射度大約20-25π毫米·毫弧度，取中間值22.5π毫米·毫弧度，採用束流傳輸通用軟體TRANSPORT計算束流軌跡。x，y分別表示電粒子在X和Y向的位置，x’和y’分別表示電子在X和Y向的運動方向。

圖4為TRANSPORT中束團相圖，圖中束團發射度x＝2.25毫米，x’＝10毫弧度，y＝2.25毫米，y’＝10毫弧度，電子槍引出電壓為25千伏，加速管長度：1.2米。

圖5（a）為0.5兆電子伏束流運動軌跡，電子束團通過加速管後能量達到0.5兆電子伏，束斑基本為圓形，束團發射度x＝11毫米，x’＝8.8毫弧度，y＝11毫米，y’＝8.8毫弧度，束團半徑為1.1厘米。

圖6（a）為1兆電子伏束流運動軌跡，電子束團通過加速管後能量達到1兆電子伏，束斑基本為圓形，束團發射度x＝10毫米，x’＝9.1毫弧度，y＝10毫米，y’＝9.1毫弧度，束團半徑為1厘米。取0.5兆電子伏電子束束斑半徑為1.1厘米，1兆電子伏電子束束斑半徑為1厘米代入粒子追蹤程式中進行計算，電子在此時呈高斯分布如圖7和8所示。

圖9為僅通過第一組永磁鐵擴散後，束斑擴散為一橢圓形，橢圓內部分布基本均勻。從輻照角度，期望束斑形狀接近矩形。因此採用第二組永磁鐵，對束斑邊緣進行修整，

如圖10所示，電子束通過第二組永磁鐵後，大體上成為了矩形，內部分布比較均勻，通過計算可得加速器能量為0.5兆電子伏時，在（-50厘米-50厘米）共1米的範圍內，電子束縱向積分的橫向均勻度≤6.7％；加速器能量為1兆電子伏時，在（-50厘米-50厘米）共1米的範圍內，電子束縱向積分的橫向均勻度≤3％，適合輻照套用。

圖11，12給出了電子能量為0.5兆電子伏時擴散分布圖和擴散分布曲線圖，圖13，14給出了電子能量為1兆電子伏時擴散分布圖和擴散分布曲線圖。為了適應電子束能量調節的需要，可以調整第一組永磁體的間隙，改變磁場大小以散開不同能量的電子束，圖中為能量0.5兆電子伏和1兆電子伏時，電子的擴散分布圖。

電子束永磁擴散裝置除了上述所談到的優點以外，還解決了一個加速器製造商感到麻煩的事，掃描盒的鈦窗容易被能量集中的電子束燒毀。而均勻擴散的電子束，不會發生能量集中，擴散的電子束通過鈦窗，使鈦窗燒毀的可能性大大減少。

下面列舉一個具體實施例：

第一組永磁體（尺寸22×16厘米），如圖3（a）、圖3（b）所示，磁極1-4，材料為汝鐵硼。磁軛的磁軛5-8材料為DT4。其中磁極1，3磁化方向相同；磁極2，4磁化方向相同。磁極1、4為S極；磁極2、3為N極。磁軛5，7可以在磁軛6，8上移動以調節磁場大小。磁極1、2間距1厘米；磁極1、3間距4-8厘米可調，整個磁鐵厚度為1.5厘米；磁軛間距可調以改變磁場適應不同能量的電子束擴散。

第二組永磁鐵（尺寸18厘米×16厘米），如圖3（c）和3（d）所示，包括磁極10-17，材料為汝鐵硼；磁軛18，材料為DT4。磁極10、12、14、16為S極；磁極11、13、15、17為N極。磁極10與11間，12與13間的最窄間距為3厘米，磁極厚度為3厘米，在磁極厚度為1厘米處，磁極間距變為4厘米；磁極14與15，16與17間距為4厘米，磁極厚度為1厘米；這樣特定形狀的作用使在第二組磁鐵的入口處形成特定形狀磁場對束團進行擴散，然後在厚度1厘米時，形成特定形狀磁場對束團形狀進行整形，從而使得電子束擴散的均勻度得到最佳化。此組永磁鐵的作用是對擴散開的電子束束斑邊緣進行修整，使電束團變為為矩形，內部分布比較均勻，適合輻照套用。

該實施例中，從正面看過去，第一組永磁鐵的磁極位置落在對應的第二組永磁鐵磁極位置之間，這樣設定的原因是為了滿足1兆電子伏能量的電子進行均勻擴散，當能量發生變化時，磁極的位置可以發生相對移動，例如位於第二組磁鐵磁極位置之外或者重合。

榮譽表彰

2017年12月，《一種用於輻射加工的電子束擴散裝置》獲得第十九屆中國專利優秀獎。