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[电子辐照] 辐照交联机的结构和工作原理
P:2013-10-05 08:16:02
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辐照交联机的结构和工作原理
编者：王金建
摘 要
电线电缆辐照交联主要是利用加速器产生的电子束照射电线电缆的绝缘层使其发生交联。辐照交联工艺需要有适当能量、较大功率的电子加速器及合适的束下装置。辐照交联工艺简单，能在常温，常压的空气中进行交联。交联反应应易于控制，废品率小，生产效率高。交联过程中不接触湿气或水蒸气，绝缘层中不会残留水份。在实际生产中，辐照交联聚乙烯电线电缆的经济效益较好，但辐照交联所用电子加速器一次性投资大。辐照工作人员需要经过严格的培训，对整个设备的构造和技术要求充分认识后才可以上岗操作。那么辐照交联机的结构是由哪几部分组成？它们的工作原理又是什么呢？本文分段介绍了辐照交联机主要部件的结构和工作原理，其中包括电子加速器、电线传动装置、辐照生产线系统。
关键词
加速器；束下装置；辐照加工
Abstract
Cable radiation crosslinking is mainly produced using electron beam irradiation accelerator wire and cable insulation layer to crosslink. Radiation crosslinking process requires proper energy, high power electron accelerators and beam right under the device. Irradiation cross-linking process is simple, in normal temperature and pressure of the air to cross-linking. Crosslinking reaction should be easy to control, the rejection rate is small, high efficiency. Cross-linking process of no contact with moisture or water vapor, water insulation layer will be left. In actual production, irradiation cross-linked polyethylene wire and cable economic good, but cross-linked by irradiation with electron accelerators in the one-time large investment. Irradiation of staff to go through rigorous training on the equipment, construction and technical requirements before they can fully understand the operational posts. So the structure of radiation cross-line of which several parts? They work then what is it? This section describes the main components of radiation cross-line structure and principle, including the electron accelerator, cable transmission, radiation production line system.
Key word
Accelerator; beam under the device; irradiation processing
目 录
一、前 言
我国的辐照加工技术始于60年代初，从六十年代到七十年代，在这个漫长的二十多年里，由于受到大环境的影响，辐照加工技术发展缓慢，许多研究成果停留在实验室阶段。进入八十年代，随着科技经济体制改革逐步深入，在社会主义市场经济的推动下，国家原子能工业的重点由军用转向民用，为我国辐射加工技术提供了一个良好的发展机会。辐照行业中曾经面临的几个问题：1、新产品开发落后于加速器生产线建造规模，影响生产线效益的发挥，使投资单位增加了风险压力。2、加速器整天技术水平与国外产品存在差距，部分产品性能不够稳定，故障率多，自动化水平低。3、辐照工艺不成熟，与辐照加工和产品有关的专用装置和技术诀窍，大都属于专利，各国各厂都严加保密，而他们的性能与效率，往往是产品成败和获得效益大小的决定因素。4、辐照材料供应不稳定，品种少，价格高，尚未建立全面的产品质量标准。5、辐照加工专业技术人员和技工缺乏。6、辐照加工新产品市场开拓难度大，用户有漫长的接受过程。而现在，最严重的问题正是缺乏专业技术人员，这也是我选择这个岗位的原因。本文将逐一介绍辐照交联机主要部件的结构并分别解析他们的工作原理，从而让大家初步的认识一下这个行业的加工技术。
二、高电压型电子加速器的基本原理与结构
1、直流高压加速电子的原理
带电物体，同性相斥，异性相吸。下面介绍一下直流静电场中电子杯加速的过程。A和B为中心有圆孔的金属电极片。在A、B上加上直流高压V，AB之间即形成电场E。设AB之间距离为S，则有电场强度：E=V/S，①
从电子枪发射出来的电子，带有负的单位电荷e，它的初始速度很小。它受到A电极的排斥和B电极的吸引，实际即是受到电场E的作用而产生推力：F=eE，②
已知电子的质量为m，在推力F的作用下，电子有加速度：α=F/m，③
这样加速度α使电子的速度不断增加，也即电子的能量不断增加。在 B电极出口，电子有最大的速度或能量。电子由A到B，电场E对电子所作的功，亦即电子所获得的能量为：W=FS，④
用①②代入上式即得W=eV
此式表示，电子经过高压V加速以后，它的能量即为电子电荷e与高压V的乘积。它的单位为“电子伏特”eV。所以对于电子来说，有时加速器的高压V也被称为加速器的能量。
电子能量的通用单位为keV和MeV。我们说一台电子加速器的能量为2.5MeV,即加速器的高压V为250万伏特。
对于从B电极出来的具有能量为W的电子，它的速度为
V=√2eV/m
假设被加速出来的电子束流强度为I，则电子束的功率也即这台加速器的输出功率为P=IV
电子束的功率来源于高压电源。被加速的电子打到待辐射的产品，全部的电荷经过电缆铜芯接地端以及部分散射到地后回到高压电源的正级，在电源内部电子流再流向负极，通过电子枪的灯丝，完成电子流的整个回路。高压电源的输出功率则由它的初级提供。
实际上电子枪工作和电子流加速都只能再高真空中进行，几百万伏特的超高电压设备建造更非易事，所以电子加速器的实际结构是相当复杂的。
2、高电压型电子加速器的基本结构
所有高压型电子加速器加速电子的原理和过程都相同。不同名称电子加速器的主要区别是在于它们的高压电源上。产生高压的原理和方法不同，高压电源结构完全不同，加速器的名称也就不同。虽然这样，但它们都要产生并维持很高的电压，从而需要有能使高压发生器电场分布均匀能够承受最高电压的电极系统，这又使它们的外形趋向一致。
高压型电子加速器由大量构件组成。但从所有构件的作用上来区分，它们大致可以分为两大系统。
（1）高压发生器系统。
（2）电子加速系统。由电枪、加速管、聚焦线圈、导向线圈、扫描磁铁、扫描盒等组成，在各类高压型电子加速器中基本相同。
3、高压发生器
加速器的高压V由它的高压发生器产生。高压发生器由高气压钢筒、高压电极、分压环、高压电源、绝缘支柱、高压测量电阻等组成。其中绝缘支柱和分压环组成一个柱体，高压电源放中间，顶部的半球形高压电极上建立起高压V。这样的柱体与钢筒之间形成最均匀的电场分布，可以承受最高的电压。加速器高电压的限制可以有两个方面。一个是从高压电极或分压环向钢筒的径向击穿，另一个是柱体内部的轴向击穿。
4、高压电源
高压电源产生高压的原理有很多种，结构上也各部相同。例如主要的有倍压整流法、绝缘磁芯变压器法和高频耦合整流法等。在电子加速器中采用不同的高压电源，它们的名称也随之而不同。
5、电子加速系统
（1）电子枪
加速器上用的电子枪一般有直热式和间热式两种。直热式电子枪由阴极、聚焦极、阳极三者组成。阴极发射电子，阳极处于正电位把电子流引出来。聚焦极电位的改变可以改变电子流的形状，使它成为会聚束、平行束或发射束。
（2）加速系统
加速系统的任务是形成一个电场，使电子在电场力的作用下，受到加速而得到所需要的能量。现代工业电子加速器的加速系统绝大多数都采用等梯度加速管。按结构区分，加速管有两种式样。一种加速管分段较少，加速电极用金属圆筒做成，每段长可达几十厘米。在圆筒电极内，不存在加速电场，因此电子通过时，没有加速作用，但在相邻加速电极之间的空隙里有加速电场（因为电极之间有电位差）。电子在通过这些间隙时，才有加速作用。另一种式样的加速管分段很细，每段只有20到30毫米长，使电压分布更为均匀。它的具体结构是采用许多硬玻璃环或瓷质的绝缘环胶接或焊接而成，相邻之间封入加速电极，这种加速电极的形状一般是平板形，为了避免二次电子的产生，也有采用碟子形状的。电极的中间有孔道，作为电子通道。电极之间连接着分压电阻，以保证电场分布均匀。大多数高压型加速器现在采用后一种结构。为了电子能顺利地在加速管中通过。加速管中必须保持10-5~10-6毫米水银柱的真空度。
6、其他系统
（1）电子光学系统
从电子枪发射出来的电子流一般总是发散的，强流电子束轰击到任何地方都会吧设备打毁。电子光学系统的任务是使从电子枪发射出来的电子流顺利地通过加速管和扫描磁铁，变成扫描束，引出钛窗供辐照应用。电子束在电场和磁场中会发生偏转，如同光线在光学透镜中发生偏转相似。所以可以利用电磁场做成的电子光学透镜来控制电子束的聚焦、加速、导向和传输。
（2）真空系统
大气中的气体分子运动时会相互碰撞而使分子丢失能量改变方向。一个分子在两次碰撞之间所能行进的直线距离称为该分子的自由程，它与气体的密度也即气压有关。气体分子的平均自由程λ=4.7×10-3/P
式中：λ的单位为厘米（cm)
P的单位为毫米汞柱（mmHg)
当压力P很低时，如P=10-1mmHg以下时我们称它为真空度。
假若加速器中从电子枪到钛膜之间的距离为7米，希望电子在这行程中不发生碰撞，则要求真空度为
P=4.7×10-3/700=7×10-6mmHg
所以一般希望加速管内的真空度在约10-7mmHg数量级。
总的真空系统是由两大部份所组成：
第一部分是被抽真空的部分，它包括电子枪、加速管、漂移管道和扫描盒。这部分真空的好坏决定于这些组件的材料、加工、有机物质放气、表面吸气、污染情况以及结构中存在抽气死角、焊缝缺陷等。这些组件之间的真空密封也很重要，尤其是在钢筒内的。有的微漏在大气下已难于找到，系统的真空度很高。但当钢筒充气时，微漏变大，真空度下降。这种在高气压下才出现的微漏失很麻烦的问题。所以真空组件的本身质量和安装质量对于系统达到高真空度来说极为重要。
第二部分是抽真空用的真空机组，通常它由机械泵、高真空泵、真空阀门、真空测量、联锁保护和控制系统等所组成，机械泵一般为油封滑板式结构，极限真空为10-3mmHg。分子泵又称透平泵，它的转子高速旋转，真空度可达10-7mmHg是一种高真空泵。离子泵属于超高真空泵，真空可以达到10-9mmHg。离子泵的起动真空要在10-5mmHg量级，真空差时对于离子泵工作很不利。
真空系统要求内部尽量始终保持高真空，关闭闸板阀，只留离子泵连续工作可以实现这一要求。若有停电等问题，离子泵有自动保护装置。
在真空系统经过一段时间工作，系统内的放气很少，也不存在任何微小漏源的情况下，即使在加速器出束时也可关闭闸板阀，只留离子泵工作。机组的这样安排，对于延长分子泵的工作寿命很有好处。当真空系统有需要打开时，要用干燥氮气通过放气阀向系统内放气，这在下一次系统抽高真空时可以节省很多时间。上述机组安排，两台高真空泵同时工作，系统可以较快达到10-7mmHg。性能较好的真空系统，不出束时的静态真空可达5×10-8mmHg,出来时的工作真空可达5×10-7mmHg。
（3）冷却水系统
加速器钢筒内的高压电源本身有功率消耗，会使绝缘气体温度升高。扫描盒内壁会有散射束轰击。扫描窗出口的挡板束工作时负荷更大。分子泵也要水冷。各种高压型电子加速器上都有一些设备需要水冷。这些冷却水的水质要纯净，不会腐蚀设备，也不会在管壁结垢。
高频高压电子加速器的高频系统有高频振荡管和双向可控硅也要水冷。由于这些器件的工作电位比较高，它们的冷却水还需要有好的绝缘性能。这些冷却水都循环使用，为此还需要有二次冷却水回路来冷却它们。
（4）通风系统
加速器出束时，辐照厅内有大功率电子束轰击空气，并有大剂量χ辐射，结果大厅内产生了大量臭氧（O3）。臭氧会严重腐蚀设备，也对人身有害，所以厅内要大量排风，抽除臭氧，排到高空。同时送入相应的新鲜干燥的空气。一般使辐照厅内保持适当负压以免臭氧外逸。
辐照厅内的马达等传动机构要用不锈钢罩罩住，并通入干燥空气以免被臭氧所腐蚀。加速器厅内也会产生少量臭氧，也要排风和补入新空气。加速器厅的负压要比辐照厅的少负一些，以免辐照厅的臭氧进入加速器厅。
（5）控制系统
加速器的控制系统也即是各个分系统控制的综合。每个分系统运行时都有一些重要操作步骤必须分先后按序操作。若发生误操作，联锁保护系统就立即起作用。作为加速器的总体控制，要点是把各系统的联锁保护合理安排，使它们能够满足加速器运行操作规范的要求。在加速器开机时，当前一个操作步骤尚未达到预定要求之前，后一部操作就不起作用。例如需要通冷却水的设备，未通水之前设备就不能启动。即使已在运转的设备，冷却水一断，除了该设备停止运转以外，在它以后的各系统的操作亦均失效。
加速器的重要运行参数如高压应有整定值，以免电压太高发生击穿；真空度如果偏低，是否系统发生漏气，要能自动退下电压等等。
加速器是与产品辐照传输系统配合工作的。正常运转时有其正常的配合要求。当传输系统出故障时加速器也要能够立即有相应的反应。
（6）辐射防护系统
电子加速器运行时会产生大剂量χ辐射，对人身有致命危险性。所以如3MV加速器辐照厅防护墙厚度有1.7~1.8米，可确保χ射线不能穿越，从而确保墙外工作人员的绝对安全。
3MeV能量的电子束或χ射线不会使任何元素激活而变成放射性元素。所以加速器一停止工作，辐照厅和加速器厅内就立即没有任何放射性，也不会产生放射性废物。
虽然这样，但当加速器大功率运行时还应对工作场区的剂量情况进行测量以检验防护墙的剂量屏蔽效果。对于像电缆进出口地坑和传输系统进出口区等难免会有小剂量外逸，要仔细测量它们的分布情况，以便于工作人员尽量避免受到照射。
在防护门外、迷宫内、传输系统进口区等合适部位安装固定式剂量仪表，可以可以在控制室监察这些地区的剂量分布和变化情况。利用携带式剂量仪则可以方便地对任何工作场区随时进行剂量测量、以保证工作人员确实处于剂量安全地区。
加速器只要一升高压，即使不出束流，加速管内也会产生次级电子流，同样被加速出来。所以这时辐照厅和加速器厅就都会有剂量。这种情况下，辐照厅内绝对不能进入。加速器厅内的剂量相对小一些，一般也不要进入。如果确实有需要进入，则需有专人作剂量测量和监护，根据剂量安全规范，在确保人身安全的前提下进厅作必要的工作处理。
三、电线传动装置
1、传动装置
辐照交联机生产过程中传动装置是其最重要的辐照工艺装置之一。其发展过程可以大致分为以下几个内容1）轮片结构2）滚筒加导向梳、平轮和紧轮结构3）由被动方式发展为主动方式包括单滚筒主动，双滚筒主动、四滚筒全主动4）固定式结构发展到沿导轨可移动式结构，以适应多组束下装置共用一台辐射加工用电子加速器的目的5）直流调速或交流变频调速6）配异型反射板或反射磁铁提高电子束利用效率7）手动控制，程序控制发展到计算机自动控制
2、收放线装置
包括放线架、储线器、束下装置、主牵引器、打印、收线架。
在此系统中主牵引速度应与电子束流强度相关连。储线器主要为连续生产而设置，电缆接头时可不停机，同时也可作为张力调节作用，收线的张力可采用力矩电机来调节。
四、辐照生产线系统
1、辐照加工中的吸收剂量，剂量率
在电子束下被照射产品内任一点的吸收剂量定义为每单位质量吸收的电子束能量的量。
常用的剂量单位是拉德（rad)和兆拉德（Mrad),
1rad=100erg/g.一种新的单位是戈瑞（Gray)
1Gray=1J/kg。1戈瑞等于100拉德。
1Mrad=10KGy=10kw.sec/kg
1kGy=0.1Mrad
1W=10Mergs/sec=100,000grad/s
1kw=360Mrad.kg/hr=6Mrad.kg/min
剂量率是指单位时间达到的剂量，通常用KGg/sec或KGY/Min表示。
2、辐照工艺及工艺装置
辐照工艺主要包括：辐射源的种类、强度、布置，与待辐射产品相适应的辐照工艺技术和装置，辐照工艺参数，工艺流程配置与控制，辐照剂量的计算与监测，技术经济分析，人员培训。
辐照装置主要有以下几个部分组成：辐照源，产品传输系统，安全系统，控制系统，辐照室，辅助设施。其核心部分是辐射源与产品传输系统。
a.辐照效率：是指一定的辐照时间间隔内产品吸收了能产生辐射效应所需的能量。它依赖于辐射的穿透能力，源与产品间的几何位置，并与产品的原子组成，大小，密度等有关。
b.加工能力：实际加工能力是辐射装置在一定时间内能处理的产品量。它依赖于辐射源的辐射功率，辐射效率和产品达到某种改性要求所需要的最低剂量。
C.剂量不均匀度：剂量不均匀度是产品中最大吸收剂量与最小吸收剂量的比值。
3、辐照加工
a.辐照加工的要素：材料、辐射源和辐照工艺装置是辐照加工三项基本要素。
b.辐照生产线厂房布局：1）产品通过方式：通过式或往返式2）辐照室结构：迷宫结构、半迷宫结构或是无迷宫结构。辐照室地平选择±0.0、半地下室或是地下室3）辐照工艺装置：采用固定式或是可移动式或者组合方式4）产品进出辐照室的方式：扁平窗口或是穿墙管道5）辐照产品质量保障措施
c.辐照方式：1）单侧旋转辐照：剂量均匀性好，产品沿轴线旋转又以V速度运动，输送装置复杂，全部辐照剂量是在一次通过时给予，发热严重，生产率不可能高。2）鼓轮或导轮系统（所在实习岗位使用）：该系统使产品剂量均匀性受产品自身无规则扭动的影响，但是产品经往返多次后达到辐照剂量，其冷却条件好，生产率比较高。在束下工艺装置无动力被动牵引时产品受拉伸力较大。该系统适用中小尺寸的管子和芯线。对大截面厚壁管子或电缆将受到弯曲半径限制和穿透弦长的影响。另外，由于存在无规则随机的扭动会造成剂量均匀性较差。3）塑料薄膜辐照系统：分层辐照多次通过增加有效厚度，冷却较好。多层叠绕辐照是把产品缠在大滚筒上辐照，处理后从滚筒上展开。据介绍这种方法束流的能量的利用率能高于平均剂量值。4）双束代流中心线辐照系统：均匀性好，效率高，但一次性投资大。5）磁分束双侧辐照或准环型辐照系统：均匀性好，一次性投资较小。6）箱盒辐照处理系统：有传送带、悬挂装置或输运小车，传输带最为方。箱盒尺寸要与通道尺寸和扫描宽度相匹配。小车尺寸要使箱盒最大限度装小车，小车与小车之间间距要保证能通过通道的最小弯曲半径并使小车间距部分辐射损失最小。
五、结论
综上所述：通过本文我们已经初步了解了辐照交联机的结构以及它们的工作原理。由此我们可以知道，操作辐照交联机是一项多么复杂的工作，辐照加工专业人员需要经过严格的培训并对设备结构很好的熟悉才能避免操作上的失误，从而产生严重的经济损失。当然，本文在实际操作方面提之甚少，这也是本片论文的不足之处。在今后的工作中，我也相信自己能对辐照加工技术有着更深入的掌握。
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辐照加工流程简述
linear polarization - 线性偏振 （0） 投诉
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