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华中科技大学硕士学位论文
摘要
电子帘加速器能级范围为80~300keV,其具有电源转换效率高、束流功率大、
易于集成等特点,被广泛应用于辐射固化、新型材料的生产、种子和医用物品表面消
毒灭菌等领域,是目前辐射加工行业的发展重点。
加速器的辐射均匀度直接影响加工产品的品质。相比其他电子加速器,电子帘加
速器是直接引出束流,辐射均匀度难以得到保证;其能级范围低,钛膜要很薄才便于
电子束穿出;束流引出窗用来支撑钛膜和散热,而引出窗的结构直接决定了束流传输
效率。因此如何在辐射均匀度满足要求的前提下,尽量提高束流传输效率是电子帘加
速器研究的重点和难点。本文以横向单灯丝电子帘加速器为研究对象,以最大化提升
辐射均匀度和束流传输效率为研究目标,对电子帘加速器的阴极、反射极、栅极以及
束流引出窗等关键结构进行了全面设计研究。
本文首先针对长灯丝阴极开展研究,从电子束流运动轨迹出发,考虑长灯丝阴极
加热后受到重力作用,建立了阴极下垂模型,详细分析了阴极下垂对电子发射密度、
电场分布以及束流分布的影响;利用CSTPARTICLESTUDIO仿真模拟了不同栅极
电压条件下阴极加热电流所产生的磁场引起的电子束偏转情况以及不同反射极电压
下的束流分布。结果表明:阴极长度为600mm时,下垂最大挠度达到2.26mm,阳
极处束斑由长条形变为圆弧形,束流传输效率提升了7.8%;阴极加热电流所产生的
磁场不影响辐射均匀度,但会在100V的栅极电压下使得束流传输效率降低2.5%;
综合束流传输效率和阳极处束斑纵向尺寸,反射极电压设为10V最为适宜。
本文还研究了栅极的结构和参数对加速器辐射均匀度和束流传输效率的影响情
况,通过分析栅极电压、栅极网孔大小和栅极与反射极圆心距离的改变对于电场分布
的影响,探讨了电子帘加速器内部各处的束流损失情况。在此基础上,利用CST
PARTICLESTUDIO模拟了支撑铜栅上束流的损失比例,使用蒙特卡洛仿真软件
GEANT4计算了电子束穿透钛膜时的能量沉积比例,得到束流引出窗上的损失功率。
最后利用流体力学仿真软件FLUENT模拟仿真了束流强度为20mA时的合理的支撑
I
华中科技大学硕士学位论文
铜栅结构参数与水冷参数。在此基础上提出了风冷增强型冷却结构,满足50mA引
出束流时的钛膜温度稳定,探讨了风冷喷嘴与钛膜平面所形成的角度和风速对于钛
膜上最高温度的影响。
本文最后进行了电子帘加速器的整体束流动力学仿真经束流动力学仿真,辐射
均匀度达到94.84%。在铜栅厚度为0.6mm、高度为6mm时,加速器束流传输效率
为71.6%,钛膜上最高温度为140.95℃,满足钛膜上最高温度低于150℃的要求,
为横向单灯丝电子帘加速器的工程化提供了重要参考。
关键词:单灯丝电子帘加速器;辐射均匀度;栅极;束流引出窗;束流传输效率
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华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Theenergylevelrangeoftheelectroncurtainacceleratoris80~300keV,whichhasthe
characteristicsofhighpowerconversionefficiency,highbeampower,andeasyintegration.
Itiswidelyusedinradiationsolidification,productionofnewmaterials,surfacedisinfection
andsterilizationofseedsandmedicalitems,andiscurrentlythedevelopmentfocusofthe
radiationprocessingindustry.
The
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