800kV／30mA电子辐照倍压加速器研制

刘永好，李民熙，张金玲，郭洪雷，王胜利，苏海军，施卫国，杨永金，何子锋，张宇田，李德明

（中国科学院 上海应用物理研究所，上海 201800）

Cockcroft-Walton倍加电路自20世纪20年代由Greinacher发明以来，已在各种直流高压电源中被广泛采用［1-2］。采用同样电压倍加原理的高压型加速器称为Cockcroft-Walton型，或倍加器型高压加速器。早期这类高压加速器采用空气绝缘，因此体积很庞大。此后的几十年发展中，又出现各种改进形式，如对倍加线路的改进、不同绝缘介质的采用以及多种频率范围的驱动电源的采用等，以适应不同的应用场合［3-6］。然而用作辐照加速器，加速器高压电源采用Cockcroft-Walton 倍加器技术的报道很少，尤其在我国，辐照行业的主流机型主要由Dynamitron 和ELV 占据。倍加器技术应用于辐照的装备研发，商业上较成功的是日本Nissin High Voltage公司在20世纪80～90年代研发的一系列中频倍加器型EPS（electron processing system）设备，倍加电路多采用省略中间主电容器柱的一种类似对称倍加线路的形式，驱动电源的频率为1～5kHz，能量跨度为0.5～5MeV，最大束流功率可达150kW［7-8］。

2007年，中国科学院上海应用物理研究所成功研制一台1.2 MV／50 mA 工频倍加器型电子加速器。该高压倍加器由两台油浸式变压器为倍加线路供电，两台油变以及高压馈电的油气隔离通道占据了加速器设备的很大空间，造价昂贵，不适合应用到辐照领域。但考虑到此类加速器较高的能量转换效率以及工频驱动的优势（如仅需常规变压器供电，无需特殊设计的中频变压器且无需中频驱动电源），因此完全有可能在1.2 MV／50 mA 倍加器研制经验基础上，通过技术改进，进一步挖掘其在设备体积、可靠性和造价上的潜力，研制出1 MV 以下的较实用的辐照加速器。本文将详细介绍在1.2 MV／50mA 倍加器研制经验基础上，通过技术改进研制出的800kV／30mA 倍加器型加速器的设计、建造和调试。

1 高压电源设计

基于1.2MV倍加器的研制经验，对800kV／30mA工频倍加器进行如下改进：采用气体绝缘变压器，变压器直接置于SF6气体电源钢筒内，大幅缩减设备体积、简化馈电、降低成本；优化高压物理设计，高压电源和加速管置于两个钢筒内，避免原1.2 MV／50mA 加速器中加速管真空击穿时限流电阻区域局部电场恶化引起高压击穿造成保护组件失效的问题；对各级采用的电容以及整流硅堆的限流电阻进行优化。

图1 800kV／30mA 倍压型加速器电路原理Fig.1 Circuit diagram of 800kV／30mA Cockcroft-Walton electron accelerator

800kV／30mA倍压型加速器电路原理如图1所示。高压电源的倍加线路选用传统的3级对称Cockcroft-Walton 倍加线路。考虑到辅助电容器组件C1′充放电电流较大，为两个第1级辅助电容设计更大的电容37.5nF，以降低C1′上的电压振荡幅度。根据经验，第1级的整流硅堆组件D1′最易受高压冲击而损坏，该措施将有助于减轻加速管真空击穿时浪涌电压对倍压整流元件的冲击。其余的电容均设计为12.5nF。

每个电容组件由若干个聚酯薄膜电容器串并联组成，单个电容器的电容为75nF，额定电压为70kV。每个整流组件均采用3 个2CL 200kV／0.5A 硅堆串联组成，并设计有均压电阻和限流电阻，以均衡3个硅堆元件之间的反向压降，同时提供对硅堆的过流保护。分析可知，整流组件D1′运行时的反向电压最大约367kV，而其他各级硅堆组件运行时的最大反向电压均低于此值。

基于1.2 MV／50mA 倍加器的调试经验，在高压电源的顶端和加速管之间设计720kΩ的限流电阻，以降低真空击穿时高压端部对地放电的最大瞬间放电电流，减小对高压电源的冲击。

两台气体绝缘变压器由中国科学院上海应用物理研究所与江苏雷宇变压器公司联合设计，并由该公司生产。其采用单一线饼塔式的线饼结构，并在设计时基于试制经验对多个细节进行特殊处理。两台变压器参数完全相同，额定输出电压为130kV，次级绕组的导线直径按300mA 额定电流（有效值）进行设计，考虑了整流变压器由于整流二极管有限导通角引起的平均电流增大的因素。由于电源钢筒空间有限，变压器的体积、容量及结构须均衡。两台变压器的异名端相连，与两个D1′的负极和C1连接，再经硅堆电流表接地。负载运行时，硅堆电流表的读数即为电源的负载电流，反映束流的大小。

两台变压器由一台输出为400V 的单相柱式调压器供电，调压器由工控机控制的步进马达驱动，用来调节加速器的高压输出即束流能量。

高压测量通过跨接在高压和地之间的总阻值为960 MΩ 的一串高压电阻实现，低压端串接μA 表后接地。实际调试时，通过测得流过高压电阻的微弱电流，推算高压输出。在该台加速器中，这串高压电阻还兼具均压电阻的作用。

2 电子枪设计

电子枪供电采用隔离变压器的方案，由4台具有环形磁芯且变比为220∶220的隔离变压器串接而成，初、次级线圈分别以整圈和半圈的方式绕制在铁芯的内、外层上，以便于变压器输入、输出及相互连接。初、次级之间按200kV电压差进行绝缘设计。隔离变压器组件的输出线与高压电源的高压输出一起引至加速管高压端，在加速管高压端上设置变压比约为220∶4、功率为200 W 的变压器，该变压器的输出与电子枪的灯丝相连。电子枪灯丝采用铼钨丝结构，引出电极安装在加速管内，均与中国科学院上海应用物理研究所的地那米加速器相同。

3 加速器整体设计

图2 倍压加速器总体结构Fig.2 Diagram of Cockcroft-Walton electron accelerator

加速器总体结构如图2所示，图2未显示引出扫描系统。高压发生器和加速管分别置放在两个压力钢筒内，采用厚壁波纹管连接。高压馈送采用1根中空的不锈钢管，连接限流电阻上端部与加速管高压端，两根绝缘导线悬浮在800kV 上，由最后1个隔离变压器引出，穿过馈电导管，接入位于加速管上方灯丝变压器的输入端。

主电容柱、两个辅助电容柱和两排硅堆柱，构成了倍加回路的主要部分。按高压设计惯例，电容器柱设置均压电阻和电晕环。由于辅助电容柱第1级中各层须容纳更多电容，因此占据了更大的横向空间，电晕环与钢筒内壁的最短距离仅50mm，其余各层电晕环与钢筒内壁最短距离为100mm。主电容柱两侧的硅堆组件组装在有机玻璃板上，便于安装和固定，并设有均压环。

两台气体绝缘变压器安装在钢筒底部，位于两块辅助电容柱金属底板的正下方，这样，位于变压器正上方的引出端子易与辅助电容器柱相连。但由于高压电源工作时金属底座与钢筒之间存在105V 量级的电位差，因此，底座的支柱只能采用绝缘材料。

限流电阻组件由多个高压电阻串并联组成，并设置笼状均压环，轴向给予足够空间。这样，发生加速管真空击穿时，承载800kV 的限流电阻组件本身不致于击穿而失效。安装时，限流电阻笼整体安装在电容柱上方的高压平台上。

隔离变压器较重，4 个隔离变压器分层支撑、连接，并设置笼状均压环，整个笼子悬吊在钢筒的顶部法兰上。测量电阻兼具均压电阻的作用，均布连接在各电晕环之间。

电源钢筒的内径为1.2m，高度约3.4m。两个钢筒充以0.65 MPa（表压）的SF6绝缘气体。整个电极系统的电场分布采用Poisson Superfish软件包在水平和垂直方向对多处进行评估，确保即使考虑三维时电场增强因素，最大场强相对该气压SF6的击穿场强也有足够余量。

加速管和扫描引出系统采用了中国科学院上海应用物理研究所地那米加速器的成熟设计，控制系统为基于西门子的PLC 控制器设计，工控机与PLC 控制器通讯，实现基本参数的监控、调节和闭环等。

4 调试过程和结果

调试初期，控制系统未能真正实现步进电机对调压器可靠的连续调节，常出现高压上冲现象，为高压锻炼增加了风险并可能因此导致一台变压器的打火损坏。柱式调压器也经过两次返修。为加强对变压器的保护，限流电阻此后调整为1 080MΩ。控制系统的问题解决后，采用一台变压器进行单边升压实验，但系统高压很难锻炼至700kV，打火几率较高且随机，难以判断是气体放电还是加速管真空击穿。为此，专门设计实验，发现所用两段旧加速管耐压下降。

加速管经再处理后，系统最高电压有所提升，放电情况大为减少，空载锻炼至720kV，并在650kV 下成功进行了单边线路15mA 的出束实验。但此后，高压难以锻炼到更高值，放电频繁，起始放电电压较重复。经气体干燥处理措施后，系统在连接加速管的情况下，轻松锻炼至860kV 无放电。至此，高压电源的高压指标已被证明可达到。

在800kV／15mA 调试过程中，一次加速管放电再次造成另一变压器损毁。通过解剖，发现两台变压器的故障现象基本相同，均为次级线圈低压端由于打火短路而烧毁。分析认为，厂家按常规在次级低压端附近设置的多匝测量线圈及使用时的处理方式（悬浮）可能是造成该薄弱环节的重要因素。基于此，线圈重新绕制时，省略了测量线圈，并更换了层间绝缘材料。原始设计时还为变压器副边设置了对地放电球隙，提供过压保护，但实际调试时未发现起保护作用的证据，甚至有不能解释的现象，因此拆除了球隙。之后的调试中，近地的一台灯丝隔离变压器也发生了初级对地短路而损毁，初步分析原因为打火时高压浪涌窜入且该变压器存在质量缺陷。

系统完整恢复后进行了多次测试，因不具备800kV 出束的条件（目前使用的加速管在该高压之上仍发生管流抖动现象，原因未查明，但很可能是加速管本身的原因），所以加速器一般空载高压锻炼至760kV，在700kV 下出束30mA，最长连续运行时间大于2h，最高引出束流33mA。系统偶有打火现象，但未再引起设备或倍加线路的故障。此后该加速器常用于一块X 射线转换靶的散热考验，至目前为止，一直运行良好。

5 讨论

工频倍加器型加速器的关键问题是解决其较高储能的安全释放，尽可能降低元件和设备损坏的几率，当不可避免发生加速管真空击穿时，稳定、安全的泄放通道、避免次生打火及加强关键部件的保护等是设计必须考虑的问题。

800kV／30mA 倍加器在倍加线路元件损坏的几率上远低于1.2 MV／50mA 倍加器，虽打火次数较多，但仅几次线路元件损伤，调试过程中的问题多发生在外围（如气体、控制）、变压器，甚至包含一些接线失误可能导致的结果。

测试中，超过10 mA 的束流负载下，不计功率因数，加速器的能量转换效率均超过85%，这样实际能量转换效率很可能接近90%。相对地那米型加速器，高能量转换效率和工频供电的便捷是该类型加速器用作1 MV以下辐照加速器的明显优势。长时间运行的可靠性考验以及提高出束能力、增加散热及尽可能降低损耗（如尽可能减小限流电阻）等改进均是目前的主要工作内容。

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