電子束流能量測量

直線電子束流能量的測量束流能量是影響電子直線性能最重要的因素之一法、射程法等—測量原理磁偏轉法能譜測量原理示意圖E0。磁偏轉法測量電子束能譜的原理如上圖所示：從引出的電子垂直于磁場B與偏轉半徑的關系為：其中，B為磁場中的磁感應強度，e為電子電量，R為盤旋半徑，v為電子運動速度。考慮相對論效應，可以將上式寫為：其中β=v/c，c為光速，γ為相對論因子，γ與β滿足關系：電子的動能為：由上述幾個公式可以求得電子能量E與磁感應強度B的關系為：因此，對于磁場B，理論上只需要測出電子的盤旋半徑R，即可進一步算出緣為L，此即分析器的物點O由于從引出的電子能量具有肯定的能散ΔE，因此，對于流強較大的J處放置一個法拉第筒用于接收電子，使偏轉半徑為R的電子能夠被接收，通過轉變磁場B使不同能量的B-IB與能量存在公式所示的定量關系，因此通常直接做出E-I曲線，即能譜分布曲線，如以下圖所示的是一條能譜分布曲線，其中縱坐標表示歸一化電流，橫坐標為能量。承受磁分析法得到的能譜分布曲線其中峰值處的橫坐標值即對應電子束的能量E0半價層法加速電子打靶所產生的X射線本質上是具有相當能量的電磁輻射光子，到電子能量。輻射光子流在物質中的衰減規(guī)律聽從簡潔的指數(shù)關系如下：式中：I0、I分別表示穿過物質前、后光子流強度；μ是X射線在該物質中的衰減系數(shù)；x是物質層的厚度。半價層是指X射線的劑量減弱到一半時所穿透的物質的厚度。由這個厚度，可以從表中查到相應的能量。半價層的值x可由以下過程確定：上述方程組作變換可得兩式兩邊同時取以10為底的對數(shù)，得兩式相除可得：x-x1即為半價層厚度，由半價層厚度就可推斷X射線的能量。由公式可以看出，只要測出X射線經過不同厚度的阻擋物之后的強度，就可以算出相應的半價層，從而得到X射線的能量。依據NCRP51號報告中的曲線可以算出不同能量的X射線在幾種物質中的半價層列于以下圖不同能量的X射線在幾種物質中的半價層以下圖所示為半價層法測量能量的裝置示意圖射程法

半價層法測量束流能量裝置示意圖測量電子束在密度均勻物質中的射程Rp來確定其能量。電子的實際射程Rp定義〔如以下圖本底的外推線的交點處的深度。(1.0～5.0)MeV平行單能電子垂直入射聚苯乙烯得到的深度劑量分布曲線測量深度劑量分布曲線需要與薄膜劑量測量系統(tǒng)結合，用劑量片測量參考兩種不同類型。另一種獲得Rp的常用方法是通過電流-厚度曲線的外推值得到。試驗說明，承受推值所對應的鋁的厚度就是電子束在鋁中的射程Rp。得到射程值Rp即可代入適當?shù)拈啔v公式算出電子束的能量Ep。承受箔片測量到的射程曲線主要有以下幾個(以下閱歷公式均以鋁的形式給出)：(1)Katz-Penfold射程公式，當電子能量大于2.5MeV時有ρ為鋁或水的密度，k1和k2可依據下表取值參數(shù)k1,k2取值表ρ=2.7×103mg/cm3，因此可得純鋁的射程公式為：對于鋁合金，ρ=2.8g/c3，故可得鋁合金的射程公式為依據GB/T16841－1997，對于鋁，當電子能量在1.0MeV和10MeV之間時，以MeV為單位的電子束能量E與以cm為單位的射程Rp之間的關系可以用以下二次方程表示：依據文獻可得當電子能量在4~12MeV時，電子在鋁中的射程公式為式中E為電子束能量，單位MeV，Rp為射程，單位cm能量為2.5~25MeV的電子束在鋁中穿透深度Rp(cm)與電子能量E(MeV)的關系有如下閱歷公式能量為2.0~12MeV的電子束在鋁中穿透深度Rp(cm)與電子能量E(MeV)的關系為：能量為5~25MeV的電子束在鋁中穿透深度Rp(cm)與電子能量E(MeV)的關系有如下閱歷公式二．國內外爭論狀況國內爭論狀況X射10%-15%內即可滿足要求，所以射程測量法在常規(guī)測量中使用得較多法的應用，其中以射程法最為普遍。為了得到電子束的射程值Rp4.5MeV/2.5kW的輻照滅菌能量進展了測量，測量裝置如以下圖所示階梯鋁板射程法電子束射程測量裝置X-Y記錄儀輸出結果如以下圖所示。為了得到電子束的射程，需要對該結果數(shù)據進展選取并重作圖，承受外推法得到Rp值。承受公式4.57MeV，測量結果與標稱結果吻合較好。屢次測量得到能量不確定度為±2.5%。測量結果承受階梯鋁板射程法對NFZ_10輻照用電子直線的電子束能量進展了測量，所用裝置如以下圖所示。電子射程法測量示意圖對12MeV能檔的測量結果如下圖，從圖中得到Rp值后，代入公式進展計算，得到電子束能量為12.5MeV。屢次測量說明所用NFZ_10輻照用電子直線符合設計要求且優(yōu)于國家行業(yè)標準要求。經過屢次測量，得到能量不確定度≤1.8%。12MeV能檔I/Rp曲線〔鋁吸取法〕將A，B兩只內置蓋玻片的鉛盒放在參考面上、參考點四周兩對稱的位置上，同(鉛盒在面對束流的一方開有Φ8mm的人射孔)，在每個電流表讀數(shù)點上的輻照時間為5min程。再使用伊凡斯(Evans)的射程-能量關系式，就可以得到待測電子束的能量。結果說明，在1-3MeV能量范圍內，能量測定準確度優(yōu)于±10%。在得到電子束在蓋波片中的射程之后，則承受查表的方法，插值得到電子束的能量。國外爭論狀況

參考點和參考面示意圖國外ISOF-CNR爭論所的P.G.Fuochi等人在試驗的根底上提出了一種基于電荷沉積分布的測量電子束能量的方法。該方法所用裝置如下圖。Electron-beamenergydevice (a)schematicand(b)frontview.a)中的兩塊鋁板〔前板和后板〕，鋁板置于鋁制外殼內，電信號，外殼接地。前板厚度承受最優(yōu)化厚度，后板厚度取25mm保證電子束不能穿透后板。其試驗平臺為兩臺名為ISOF和IIISOF能量從6-12MeV可調，II加速器能量從4-10MeV可調?！布囱b置最100mm、厚度為0.5mm的鋁片疊加作為前板，通過轉變鋁片的數(shù)量來轉變前板厚度，測量不同厚度時前板的積分電荷量，得到如圖中實線所示的積分電荷沉最優(yōu)化厚度即前板厚度即承受微分電荷沉積曲線的峰值點所對應的厚度。對ISOF，最優(yōu)化厚度為12mm，對II，最優(yōu)化厚度為5mm。Fuochi等人測量到的ISOF引出電子束對應的Al中的電荷沉積曲線〔積分和微分〕，劑量深度曲線亦示于圖中電荷量的測量可以轉為對電流的測量。Fuochi等人在其文章中提出了能量比的概念：=前板電流/(前板電流+后板電流)說明仍承受能量比這一概念。在使用該裝置前，還需要確定電子束能量，F(xiàn)uochi等人承受射程法測量電Rp〔單位〕II電子束在鋁中的典型劑量分布曲線Fuochi等人在ISOF和II兩臺上進展試驗，測量得到對應不同能量Ep時的能量比，將測量結果進展線性擬合，得到了如下三張圖所示的試驗結果ISOF的能量比與最可幾能量(Ep)的關系ISOF的最可幾能量〔Ep〕與能量比的關系〔長脈沖〕虛線和點線分別表示線性擬合結果的95%推測區(qū)間和置信區(qū)間II的能量比與最可幾能量〔Ep〕的關系虛線表示線性擬合結果的95%推測區(qū)間從試驗結果來看，能量比與能量Ep存在較好的線性關系，測量數(shù)據根本落在擬合結果的95%推測期間〔代表±0.3MeV〕Fuochi等人得出結論：試驗結果的良好的線性度說明，裝置測量得到的能量比對能量是很敏感的。該裝置能夠用做能量在4-12MeV電子束的能量測量裝置。這一裝置具有構造簡潔、對輻照顧用精度可承受以及簡潔實現(xiàn)在線使用等優(yōu)點。ISOF和II的能量比與最可幾能量〔Ep〕的關系對于能量偏差范圍在±10%范圍內的輻照用電子直線而言，并不需要如此高的測量精度。所以通常承受射程法進展測量，但承受射程法進展測量時，需要先測出電子束的穿透曲線，然后依據曲線的直線段外推得到射程值Rp，或者通過后續(xù)檢驗得到電子束的射程〔如蓋波片射程法〕Rp，再選擇適宜的閱歷公式計算出電子束能量值。而國外P.G.Fuochi等人所用的雙層鋁板裝置得到的結果盡管具有較好的線性度，但卻是一種完全基于試驗的方法，在確定裝置尺寸以及應用裝置前，需要進展大量的試驗以確定最優(yōu)化前板厚度，同時還需要確定最可幾能量與能量比是否有較好的線性關系，這就需要屢次測量劑量深度曲線獲得電子束的不同的最可幾能量Ep，及最可幾能量Ep對應的能量比，假設兩程度仍舊很高，在應用之前需要做大量試驗。三．清華大學關于電子束能量測量裝置的爭論的介紹裝置設計信號，需要做好上板與下板的絕緣。在設計時選用了較為常用的易加工的聚四氟乙烯作為上下板間的絕緣材料。余電子則被屏蔽蓋散射或吸取。屏蔽蓋厚度取10mm，保證能量為10MeV及其以下的電子不能透過屏蔽蓋。由于絕緣材料聚四氟乙烯需要在肯定的溫度范圍內才能夠保證穩(wěn)定工作，氟乙烯不失穩(wěn)。利用北京市公安局5MeV/2kW的參數(shù)對裝置進展熱量估算，E=5MeV，其他設計指標為，平均流強為I=0.4mA，束斑直徑Φ=5cm，掃描寬度D=55cm。裝置參數(shù)為鋁板半徑rAl=2.2cm，厚度hAl=0.6cm，屏蔽蓋半徑rshield=4cm，屏蔽蓋厚度hshield=1cm，其余物理參數(shù)為：鋁的密度ρAl=2.7g/cm3，鋁的熱容CAl=0.903(J/g·℃)ρsteel=7.9g/cm3,不銹鋼熱Csteel=0.51(J/g·℃)。據此推算：J=I/S=1.455×10-3mA/cm2。假設準直孔的直徑為Φx(cm)，則鋁板照耀面積SAl=π×(Φx/2)2=0.7854Φx2(cm2)屏蔽蓋吸取面積Sshield=π×rshield2-π×(Φx/2)250.27-0.7854Φx2(cm2)屏蔽蓋接收電流為Ishield=J×Sshield=(7.312-0.11424Φx2)×10-2mA鋁板、屏蔽蓋的吸取功率分別為：PAl=E×IAl=1.1424E·Φx2(W)Pshield=E×Ishield(7.312-0.11424Φx2)·E(W)t(s)，且吸取功率完全轉化為熱，則兩者吸取熱量分別為：QAl=PAl×t=1.1424E·t·Φx2(J)Qshield=Pshield×t=(7.312-0.11424Φx2)E·t(J)計算鋁板、屏蔽蓋的質量：mAl=ρAl×π×rAl2×hAl=24.6(g)mshield=ρsteel×π×(rshield2-0.7854Φx2)×hshield=(379-19.4925Φx2)(g)則溫升為：ΔTAl=QAl/(CAl·mAl)=0.05143E·t·Φx2℃ΔTshield=Qshield/(Csteel·mshield)=(14.3373-0.224Φx2)E·t/(379-19.4925Φx2)℃依據上述推導，作出電子束能量為5MeV時的溫升隨準直孔直徑變化曲線鋁板和屏蔽蓋溫升曲線〔鋁板和屏蔽蓋溫升曲線〔5MeV/2kW，連續(xù)照耀100s〕561K[23]，即288℃，則室溫下允許鋁板和屏蔽蓋的最大溫升為263℃。從圖4.1可以看出，當準直孔直徑取2cm時，連續(xù)照耀100s鋁板最大溫升缺乏110℃，而屏蔽蓋溫升不到30℃，因此對于5MeV/2kW，準直孔直徑可以取2cm。而對于大功率輻照的10MeV/10kW，E=10MeV，平均流強I=1mA，則鋁板和屏蔽蓋的溫升公式為：ΔTAl=0.12856E·t·Φx2℃ΔTshield=(35.8392-0.55996Φx2)E·t/(379-19.4925Φx2)℃據此作出10MeV/10kW電子束條件下鋁板和屏蔽蓋的溫升隨準直孔直徑變化曲線如下圖。鋁板和屏蔽蓋溫升曲線〔鋁板和屏蔽蓋溫升曲線〔10MeV/10kW，連續(xù)照耀100s〕從圖可以看出，假設準直孔直徑取2cm，對電子束能量為10MeV，功率10kW的100s，鋁板溫升將大于500假設準直孔直徑取為1.5cm，則溫升為289度。這一溫升是假定沒有散熱過程的溫據此分析，準直孔直徑取1.5cm是安全的，不會引起聚四氟乙烯的失穩(wěn)。實際測量中每次讀數(shù)時間不超過1分鐘，且相鄰兩次測量之間約有30秒的間隔，因此溫升不會超過上述極限，能夠重復使用。試驗裝置簡圖如以下圖所示，準直孔直徑1.5cm，上下板間距5mm，上板由一系列厚度不一的鋁片組成，使上板厚度在0~20mm可調。裝置實物圖如以下圖所示。能量測量裝置簡圖能量測量裝置實物圖另外，為了獲得用于試驗的電子束的能量，以檢驗裝置測量的準確性，分別用深度-劑量曲線法和玻片射程法進展測量。玻片射程法的裝置簡圖如以下圖Φ10mm的準直孔，電子束通過準直孔轟擊玻璃片，會導致玻璃片變色，通過測量變色玻璃片的厚度，即可得知電子在玻璃中的射程，依據能量射程公式即可得到電子束的能量。玻片射程法測能量裝置簡圖利用深度-劑量分布曲線測量電子束能量承受層疊法測定深度-劑量曲線，測量時應留意疊層的水平尺寸應不小于pp 3R3R1.5R，且該厚度應包括插入的薄膜劑量計的厚度。以下圖為深度-劑量分布曲線測量示意圖。試驗中承受鋁作為疊層材料。試驗所用劑量片型號為RadiachromicFilm的FWT-60-00，劑量片吸光度測量承受S54紫外可見分光光度計，分光光度計透射比準確度：±0.5%(τ)pp 深度-劑量曲線測量示意圖在4MeV加速管上試驗時，調制器高壓為11kV(初級高壓為360V)，重復頻率為60Hz-子束在鋁中的穿透深度Rp為7.5mm。分別利用公式進展計算，得電子束的最可幾能量Ep分別為3.98MeV、4.10MeV、4.02MeV。考慮到公式的適用能量范圍，承受適宜的公式。深度-劑量曲線的測量結果說明，試驗所用引出的電子束能量為4.04MeV〔取平均〕，因計算公式不同導致的偏差為1.49%。將實測動力學計算程序，可以在理論上給出加速管出口處電子束的能譜，如圖(a)(b)所示。對圖(a)(b)的能譜做加權平均，得到注入功率分別為1.8MW和1.9MW時的平均能量為3.96MeV和4.15MeV，這與劑量深度曲線的測量結果較為全都。由于深度-劑量曲線測量結果與動力學計算給出的能量較為全都，后文將承受動力學計算結果與裝置測量結果進展比較。實測深度-劑量分布曲線數(shù)據點動力學計算給出的電子束能譜〔360V，60Hz〕玻片法測量電子束能量前面已給出能量為2.5~25MeV的電子束在鋁中穿透深度Rp(cm)與電子能量E(MeV)的關系。鋁的密度為2.7g/cm3，測得玻璃片密度為2.338g/cm3，則可以將上述公式依據質量厚度轉化為電子束在玻璃片中的穿透深度Rp(cm)與電子能量E(MeV)的閱歷公式：E=0.423+4.06Rp+0.046067×Rp2(2.5MeV<E<25MeV)E=0.298+4.386Rp(2.0MeV<E<12MeV)調制器初級高壓為360V，重復頻率為60Hz時，照耀玻璃片20s，選出全部變色玻璃片，測量得到變色玻璃片厚度為11.3mm，即電子束在玻璃片中的穿透深度為11.3mm。承受公式計算得到電子束能量為5.08MeV、5.25MeV，兩者取平均為。將玻片的穿透深度依據質量厚度折算為鋁的穿透深度，約為9.78mm。比較深度-劑量分布曲線得到的穿透深度，可以覺察玻片法的測量結果要比深度-圖中的Rmax，而不是Rp360V，重復頻率為60Hz時玻片法測量結果與深度-劑量曲線測量結果的偏差為30.4%。承受能量測量裝置測量電子束能量下板為石墨材料的敏感性。當調制器初級高壓為360V，重復頻率為60Hz時，承受能量測量裝置對4MeV加速管引出的電子束進展測量，得到歸一化電壓-上板厚度曲線如以下圖所示，圖中同時給出了4MeV單能電子束的MCNP模擬結果。從圖中可以看出，電子束能量為4MeV時，實測平衡厚度Rb為5.6mm，而MCNP的模擬平衡厚度5.5mm，度也符合得很好。實測歸一化電壓-上板厚度曲線(360V,60Hz,歸一化系數(shù)6.3825V)實測歸一化電壓-上板厚度曲線(360V,60Hz，歸一化系數(shù)7.5V)一化系數(shù)，可將實測平衡點與模擬平衡點置于同一縱坐標下，如圖下所示。-厚度的實測數(shù)據點在上板到達平衡厚度前高MCNP的模擬曲線，而下板電壓-厚度的實測數(shù)據點則在上板到達平衡厚度后高于MCNP的模擬曲線。從圖的電子束能譜可以看出，實際電子束中存在高于和低于平均能量的電子，高于平均能量的電子的作用會使得實測下板電壓-厚度曲線測上板電壓-厚度曲線在上板到達平衡厚度前高于模擬結果。假設取實測電子束能量為4MeV，則實測平衡厚度與模擬平衡厚度的偏差為1.81%。實測歸一化電壓-厚度曲線(300V,60Hz)從圖中可以看出，調制器初級高壓為300V，重復頻率為60Hz時，實際測量平衡厚度Rb=5.1mm，依據平衡厚度利用公式計算電子束能量為：3.86MeV。〔電子槍高壓17.6kV1.6MW120mA〕代入動力學計算程序，得到加速管出口處電子束的能譜，如下圖。動力學計算給出的電子束能譜〔300V，60Hz〕度Rb均為4.6mm。這說明平衡厚度對下板材料確實較為敏感，無論是實測結果還是模擬結果，都很好地反響了這一現(xiàn)象。從圖可以看出，實測數(shù)據點與單能模擬曲線在平衡厚度±2mm區(qū)間內符合得較好，超過這一區(qū)間則偏差較大，這在肯定程度上反響了單能模擬的局限性。下板為石墨筒置。下板呈筒狀的能量測量裝置示意圖射的電子能夠大局部被下部吸取，同時下部產生的二次電子又不會反轟上板。一化電壓-厚度曲線如下圖。圖中線條為平板下板裝置的測量曲線，數(shù)據點為得平衡厚度均為5.6mm。MCNP程序模擬裝置測量中的物理過程效果抱負，與試驗測量結果全都性較好。筒狀下板裝置與平板下板裝置測量結果比較(360V，60Hz)下表為調制器初級高壓為360V時的測量或計算結果總表。從表中可以看出，承受平衡厚度測量電子束能量，其結果與深度-劑量曲線的測量結果偏差為2.87%，而承受玻片法則偏差為27.97%，對其測量結果進展80%修正后偏差為2.38%。能量測量以及計算結果匯總(調制器初級高壓360V)能量測量裝置拓展應用分析要運用平衡厚度來測量電子束能量，需要在固定上板厚度時，通過上下板果進展了裝置適用性分析，但由于試驗條件所限，目前只能利用已有的4MeV和3.86試驗數(shù)據進展初步分析。為0~1，在分析以及作圖時較為簡潔處理，因此本文將連續(xù)承受這一概念和比例關系，但由于所測為電壓，所以能量比為：通過試驗覺察，調制器初級高壓為360V，重復頻率為60Hz時，能量為4MeV，5.5mm。由于已3MeV、3.5MeV、4MeV、4.5MeV、6MeV模擬結果為離散數(shù)據點，因此需要對模擬結果進展擬合，承受4階多項式擬合，可以得到不同能量電子束的能量比-上板厚度曲線函數(shù)，如下圖模擬能量比及其擬和結果模擬能量比及其擬和結果比，上板厚度為5.5mm時，各能量電子束對應能量比方表所示不同能量電子束在上板厚度為5.5mm時的能量比(a)所示。對其進展多項式擬和，得到結果如圖(b)所示。能量比及其擬合結果3.86MeV，上板厚度為5.5mm，則能量比y=0.571。對調制器初級高壓300V，重復頻率60Hz時的實測結果進展多項式擬合，如下圖。依據擬合公式可得上板厚度為5.5mm時的歸一化電壓參數(shù)如表上板厚度為5.5mm時的測量結果(依據試驗數(shù)據擬合)MCNP模擬給出的能量比為0.571，與實測結果0.568較為接近，偏差為0.53%。這一結果說明，承受MCNP模擬得到的能量比關系來對應實測結果是可行的，可以保證測量誤差在10%范圍內。但這一結論還需要進一步驗證，以確定其適用4MeV上進展了系統(tǒng)試驗，假設條件允許，需要在其他能量上進展試驗。上述分析說明，對于名義能量為E的電子束，利用公式選定了對應的平衡厚度Rb后，便可利用該裝置依據上下板電壓大小關系直觀推斷電子束能量是否到達E。引入能量比后，便可以依據能量比得出電子束的具體能量，從而實狀構造后，還可以實現(xiàn)對電子束能量的實時在線測量。本章小結

實測試驗數(shù)據擬合結果(300V，60Hz)承受能量測量裝置在4MeV上進展了一系列驗證性試驗。利用深度-劑量曲線對電子束能量進展了測定，測量結果說明，調制器初級高壓為360V，重復頻率為60Hz時的電子束能量為4.04MeV，動力學計算給出的電子束能譜結果與測量結果符合較好。4MeV時的實測歸一化電壓-厚度曲線與MCNP模擬結果符合較好，實測平衡厚度與MCNP的模擬平衡厚度偏差不到2%。衡厚度變化狀況也符合較好，充分驗證了該方法對下板材料的敏感性。板承受石墨后已對二次電子的影響起到了較好的抑制作用。通過轉變運行參數(shù)〔調制器初級高壓300V〕轉變電子束能量至3.86MeV，0.5%。充分證明承受MCNP模擬來確定不同能量的電子束對應的平衡厚度是可行的。MCNP模擬得需要在其他能量電子束下做進一步試驗才能確定。-劑量曲線的測量結果進展比照覺察，假設承受全部變色玻-劑量曲線的測量結果偏大，試驗中對4MeV電子束的測量結果說明其偏差大于20%。緣材料將很好地解決裝置的耐高溫問題。量電子束的測量精度，以及重復性和穩(wěn)定性等特性。四．螺線管磁場旋轉束流法測量電子束能量的介紹在束流輸運線上插入一個狹縫裝置以產生扁平角，藉以計