川核电子束辐照加工工艺的优化全文

电子束辐照加工工艺的优化莫燕 张亚群 廖增强 刘振 （四川省原子能研究院 成都610066）摘要 为充分利用电子束能量，提高辐照加工能力，通过对辐照加工工艺参数的调整与优化，在不同车高，不同能量，不同材料等加工工艺参数下分别进行了不同材料中辐照剂量分布的测量。结果发现：在加速器电子束能量不变的情况下，调整传输小车的高度可改善辐照质量。在传输装置高度不变的前提下，针对不同的辐照产品采取不同的电子束能量可以达到最佳辐照效果。研究成果有效地指导了我们对辐照加工工艺的优化，充分利用了电子束能量，提高了生产效率，拓展了辐照加工能力。达到了优化辐照加工工艺目的。关键词 电子束能量，辐照加工工艺，剂量分布，优化 电子加速器辐照加工中，产品中电子束吸收剂量（D）是辐照产品质量保证的重要指标。吸收剂量（D）的控制依赖于电子束能量；束流强度；传输速度等设备运行参数以及辐照加工工艺参数。在开展电子束辐照加工前，虽然可以对加工产品所需吸收剂量做出理论估算，但准确测量和控制被辐照材料中的吸收剂量是实现产品质量控制的关键，也是辐照加工中必须做好的应用基础研究验证工作（1）。电子加速器在运行十多年后，由于部分电子元件的老化，各元件工作参数会发生一些改变。在辐照加工生产中往往表现为电子束能量达不到额定要求。如何充分利用电子束能量，使其发挥更大潜力，通过对辐照加工工艺参数的调整与优化，可以提高生产效率，改善加速器辐照加工能力。1 实验部分1.1 设备与材料 GJ-2型高频高压电子加速器 751-GW型分光光度计 剂量计：CTA（三醋酸纤维素）材料：聚乙烯薄膜（厚0.4mm /张），聚乙烯网布（厚0.8mm/层）1.2 实验方法1.2.1 聚乙烯薄膜中的剂量深度分布采用每层薄膜布置2-3张CTA片，取其算术平均值。聚乙烯网布采用从表面开始，每层布置2张CTA片，每点取其算术平均值。1.2.2 在相同电子束能量；相同束流强度；相同传输速度的辐照加工工艺条件下将传输小车高度作不同的调整，分别调整到108cm；113cm；118cm；120cm的高度，单面辐照，测量在聚乙烯材料中吸收剂量的深度分布；测量剂量均匀区内横向剂量分布。1.2.3 传输装置高度不变（116cm）；同样束流强度；同样传输速度的辐照加工工艺参数条件下，采取不同的电子束能量，单面辐照，测量了聚乙烯薄膜；聚乙烯网布中吸收剂量的深度分布。项目来源：四川省辐射技术研究与成果转化公共平台项目（编号140107）2 结果与讨论2.1 在电子束能量不能提升的情况下，将传输小车高度升高，减少电子束能量在空气中的损失，观察材料中最佳吸收剂量的深度有多少变化。图1显示的是小车高度分别为108cm；113cm；118cm时，在电子束能量；束流；传输速度都不变的工艺参数下，单面辐照，聚乙烯材料中吸收剂量的深度分布结果。如图显示：在电子束能量不变的情况下，随着传输小车高度的升高，最佳剂量深度略有增加。既113cm比108cm车高最佳厚度增加了约0.2mm,118cm车高比113cm增加了厚度0.1mm。虽然增加厚度不大，但在生产中确有非常大的实际意义。结果提示我们：在电子束能量不能再提升的前提下，若要改善加速器对某些较厚的产品的辐照质量，可以通过提升小车的高度得到实现。 Fig.1 Depth-dose distribution of different height in irradiated PE2.2随着传输小车高度的升高，剂量均匀区内剂量会有多大变化？图2显示的是不同车高 Fig.2 Lateral-dose distribution of different height in irradiated field情况下，相同的电子束能量；束流强度；传输速度的工艺参数，小车上剂量均匀区内横向剂量分布情况。由图可见：小车高度变化不大的情况下，小車剂量均匀区剂量值变化不大。虽然120cm车高的剂量稍有升高，但实际生产中不会对产品辐照质量有所影响。结果提示：在对辐照产品设置运行参数；确定最佳辐照工艺时，针对小车高度的一定变化可不用考虑吸收剂量对产品质量的影响。2.3 在传送装置高度不变的情况下；同样的束流；同样速度的加工工艺参数下，采取不同的电子能量；单面辐照；观察测量了不同材料中吸收剂量的深度分布。 Fig.3 Depth-dose distribution of different energy in irradiated PE2.3.1 图3显示的是聚乙烯薄膜中吸收剂量的深度分布。从1.3到1.8兆伏特的能量范围内选择了4个点做了实验，测量了不同能量电子束的辐照下，聚乙烯薄膜的吸收剂量随深度的分布情况。图3可见：随着电子能量的增高最佳剂量深度也明显增加。而表面入射剂量随能量的增加而略有减少。这符合电子束运行的规律。即电子质量散射本领随能量增加而迅速降低（2）。 Fig 4 Depth-dose distribution of different energy in irradiated net cloth PE2.3.2 图4为聚乙烯网布中剂量的深度分布。结果显示：网布虽然单层厚为0.8毫米，由于其稀疏，在电子束能量1.3兆伏特下可辐照大于2.4毫米厚的网布。该应用基础研究实验工作结果对我们在实际生产中，优化辐照加工工艺具有非常重要的实际指导意义。3 小结 如何利用现有设备，提高加速器电子束能量的利用率，该次应用基础研究工作指导我们在实际生产中可针对不同的产品材料以及剂量要求，优化辐照加工工艺，达到保证辐照加工质量目的。例如，对一定厚度的产品，若在电子束能量有限的情况下，可以通过调整小车高度来改善产品剂量深度分布均匀的状况。对一些低密度；厚度薄的产品，采取降低电子束能量；提高束流强度；即可达到最佳辐照效果。针对不同产品采取最佳优化的辐照工艺，可最大程度地提高电子束能量的利用率，保证辐照产品的质量，同时还能提升生产效率，扩大经济效益。换句话说，通过以上应用基础研究验证工作，有效地指导了我们对产品辐照工艺进行优化设计，充分利用了电子束能量；提高并拓展了加速器的辐照加工能力。参考文献1 张达明，张利民、两种聚乙烯材料中的电子束辐照剂量分布测定优化辐射工艺的一种实验方法 、辐射研究与辐射工艺学报 、2000 、18（4） 、2722772 张兴宝等译.150MeV电子束辐射剂量学 、原子能出版社 、1994 、64664