CN106793447B - 一种快速二维均匀辐照扫描方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速二维均匀辐照扫描方法，该方法包括：将带电粒子束扩束成截面为特定分布的且具有一定宽高比例的束流；根据束流的宏脉冲长度，计算出单次线扫描的时间；根据束流宏脉冲的重复频率，计算出单次步进扫描的时间间隔；根据需要扫描的样品面积和束斑面积，计算得到完成一次面扫描的时间；在束流的出口，根据计算的线扫描时间，采用线性变化的快变化磁场对束流进行偏转实现一个维度的线扫描；在束流的出口，根据计算的步进扫描时间，采用快响应的稳态磁场对束流进行偏转实现第二个维度的步进扫描；在扫描磁铁处采用陶瓷真空室；采用数字电源为扫描磁铁供电。本发明的方法具有扫描速度快、扫描面积大、扫描均匀度高等优点。

Description

一种快速二维均匀辐照扫描方法
技术领域
本发明属于辐照加速器领域，特别涉及一种快速二维均匀辐照扫描方法。
背景技术
辐照加速器广泛应用于工业、农业、医疗、卫生、环保等领域，用于有机材料改性、食品和医疗卫生用品消毒杀菌、延缓农产品发芽等，其产生的射线具有可控、能量高、辐照时间段、无核废物、不危害环境等特点。电子辐照直线加速器的原理是，由电子枪产生一定能量的电子束，经加速到高能后，进输运线进行调整，在扫描系统的控制下，照射到样品的不同部位。辐照扫描系统是其中非常关键的一个部件，通常情况下希望在满足剂量率的要求下，扫描系统达到的速度尽可能快，扫描均匀度尽可能高，扫描面积尽可能大。目前，被辐照的样品通常置于传送带，辐照系统的束流采用一维线性扫描，通过样品随传送带的运动，实现面扫描。由于其中一维是机械运动装置，这种连续扫描的方式，其扫描频率通常比较慢。在工业产品、航空航天器件设备等的耐辐照测试中，一些较大的样品要求进行大面积的快速均匀辐照，以测试样品各部分的辐照响应特性，现有的辐照扫描方式难以满足要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速二维均匀辐照扫描方法，从而解决现有技术中对大面积样品进行快速均匀辐照的问题。
本发明采用的技术方案为：一种快速二维均匀辐照扫描方法，所述方法包括：
步骤1、将带电粒子束流扩束成截面为特定分布的且具有一定宽高比例的束斑；根据束流宏脉冲的长度，计算出单次线扫描的时间；
步骤2、根据束流宏脉冲的重复频率，计算出单次步进扫描的时间间隔；
步骤3、根据需要扫描的样品面积和束斑面积，计算得到完成一次面扫描的时间；
步骤4、在束流的出口，根据计算的线扫描时间，采用连续变化的快变化磁场向截面尺寸小的方向进行一个维度的线扫描；
步骤5、在束流的出口，根据计算的步进扫描时间，采用高变化频率的稳态磁场向截面尺寸大的方向进行第二个维度的步进扫描。
其中，采用多块四极磁铁，对带电粒子束进行横截面方向的扩束，使得束斑截面具有一定宽高比例。
其中，采用冲击型磁铁产生快变化的线扫描磁场。
其中，所述冲击型磁铁，可以选择镍锌铁氧体磁铁。
其中，所述冲击型磁铁，其供电采用断续三角波电流波形的高频脉冲数字电源。
其中，采用快响应的磁铁产生稳态步进扫描磁场。
其中，扫描磁铁处的真空室采用镀膜陶瓷真空室。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明的方法可以用于对平面型样品进行带电粒子束的快速二维辐照，特别是应用在具有宏脉冲结构的直线加速器辐照装置上，可以有效提高扫描速度、扩大扫描面积、并解决扫描均匀度问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为束流、线扫描和步进扫描的时序关系；
图2为电子束传输线光学元件布局；
图3为电子束在传输过程中的垂直(上)和水平(下)方向的束流尺寸；
图4为一次线性扫描电子束连续堆积前(左)后(右)的电子分布；
图5为一次完整的二维扫描后辐照面上的电子分布。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种可以用于对平面型样品进行带电粒子束的快速二维辐照方法，有效提高辐照扫描速度、扩大扫描面积、并解决扫描均匀度问题。
在直线加速器辐照装置中，辐照扫描系统是其中的关键部件，利用磁场对连续产生的粒子束进行偏转，以实现对样品不同部位的照射。
本发明具体步骤如下：
将带电粒子束扩束成截面为一定分布的且具有一定宽高比例的束流，在真空室允许的条件下，尽量扩大束斑截面在其中一个方向的尺寸，有利于降低步进扫描的步骤，即提高面扫描频率。
根据束流宏脉冲的长度L，计算出单次线扫描的时间t1；根据束流宏脉冲的重复频率f，计算出单次步进扫描的时间间隔t2＝1/f；
根据需要扫描的样品面积、束斑面积及束斑分布，计算得到均匀辐照样品需要的步进次数n，可以得到完成一次面扫描的时间t＝n*t2，从而得到面扫描频率为f/n；
在束流的出口位置，根据计算的线扫描时间t1，利用磁铁产生一个持续时间t1的且磁场强度线性变化的磁场对电子束进行偏转，以此实现束流在一个维度的线扫描；
在束流的出口位置，根据计算的步进扫描时间t2，在单次线扫描结束后，利用磁铁产生一个持续时间t1<t<t2的稳态磁场，使得电子在第二个维度上进行步进扫描。
每完成一次线扫描后，增强一次步进扫描磁场，直到完成n次线扫描，即完成一次面扫描。
本发明的具体实例如下：
本发明的实例采用10MeV微波电子加速器产生的电子束流，其电子束的微脉冲重复频率为2856MHz，宏脉冲长度为15μs，宏脉冲重复频率为500Hz，利用本发明提供的辐照扫描方法，实现对距扫描磁铁5.74米处的1平方米的正方形样品以45度斜入射进行均匀辐照。
电子束传输扩束单元的元件分布如图2所示，束线总长13.21米，主要部件包括10台四极磁铁，1台二级磁铁，1台线性扫描磁铁和1台阶跃扫描磁铁。束流在垂直方向(y)偏转，初始束流包络函数为β＝5m，α＝-0.5，横向归一化发射度为εn＝10πmm-mrad，纵向束团脉冲长度σt＝5ps，采用程序进行束流模拟，得到从其实位置至样品处的束流横向RMS尺寸的演变过程，水平(x)和垂直(y)方向的束流尺寸如图3所示。扩束后的束流在样品表面的束斑垂直方向(y)尺寸约为0.22米。
水平方向采用线性扫描磁铁进行连续束斑扫描，整个扫描过程在15μs内完成，累计扫描42857个脉冲，连续堆积前后束流横向分布如图4所示。
根据宏脉冲重复频率，以阶跃扫描方式在垂直方向(y)进行脉冲堆积，脉冲间隔为1.5倍RMS束斑尺寸，因此，计算得到5步阶跃脉冲的束流堆积即可完成1m范围的均匀度好于10％的辐照，如图5所示。
本实例中，对于1平米的样品，可以实现高达100Hz的重复扫描频率。
对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本发明所提供的一种快速二维均匀辐照方法进行了详细介绍。本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (1)

1.一种快速二维均匀辐照扫描方法，其特征在于，所述扫描方法包括：
步骤1、将带电粒子束流扩束成截面为特定分布的且具有一定宽高比例的束斑；根据束流宏脉冲的长度，计算出单次线扫描的时间；所述将带电粒子束扩束成截面为一定分布的且具有一定宽高比例的束流，在真空室允许的条件下，尽量扩大束斑截面在其中一个方向的尺寸，有利于降低步进扫描的步骤，即提高面扫描频率；
步骤2、根据束流宏脉冲的重复频率，计算出单次步进扫描的时间间隔；其中，根据束流宏脉冲的长度L，计算出单次线扫描的时间t1；根据束流宏脉冲的重复频率f，计算出单次步进扫描的时间间隔t2=1/f；
步骤3、根据需要扫描的样品面积和束斑面积，计算得到完成一次面扫描的时间；其中，根据需要扫描的样品面积、束斑面积及束斑分布，计算得到均匀辐照样品需要的步进次数n，得到完成一次面扫描的时间t=n*t2，从而得到面扫描频率为f/n；
步骤4、在束流的出口，根据计算的线扫描时间，采用连续变化的快变化磁场向截面尺寸小的方向进行一个维度的线扫描；其中，在束流的出口位置，根据计算的线扫描时间t1，利用磁铁产生一个持续时间t1的且磁场强度线性变化的磁场对电子束进行偏转，以此实现束流在一个维度的线扫描；
步骤5、在束流的出口，根据计算的步进扫描时间，采用高变化频率的稳态磁场向截面尺寸大的方向进行第二个维度的步进扫描；在束流的出口位置，根据计算的步进扫描时间t2，在单次线扫描结束后，利用磁铁产生一个持续时间t1<t<t2的稳态磁场，使得电子在第二个维度上进行步进扫描；每完成一次线扫描后，增强一次步进扫描磁场，直到完成n次线扫描，即完成一次面扫描；
其中，采用多块四极磁铁，对带电粒子束进行横截面方向的扩束，使得束斑截面具有一定宽高比例；
采用冲击型磁铁产生快变化的线扫描磁场；
所述冲击型磁铁是镍锌铁氧体磁铁；
所述冲击型磁铁，其供电采用断续三角波电流波形的高频脉冲数字电源；
采用快响应的磁铁产生稳态步进扫描磁场；
扫描磁铁处的真空室采用镀膜陶瓷真空室。
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