R&D and Application of the X-band 2 MeV Small Focal Spot Accelerator

电子直线加速器已经在国民经济诸多领域，例如放射医疗、辐照加工、无损检测、安检以及农业等领域，获得了广泛的应用，并取得了卓著的成绩^[1−2]。目前，应用最为广泛的是S波段加速器，整机系统体积较大，主要在固定场所进行安装和运行。随着现代工业和军工领域的发展，有些被照射物体不宜或不能移动，如在役重型电机、大型化工设备、航天器等，或房屋、桥梁等建筑物，就需要用使用可移动的加速器进行现场检测。此外，在高端放射治疗领域，便携式电子直线加速器可以作为轻便的移动式“放疗机”进行术中放疗或球面放疗。因此，结构紧凑、体积小、重量轻的小型移动式加速器研制，对加速器在工业、医疗领域的应用非常有必要，也是未来应用型加速器发展的必然趋势^[3−7] 。

加速器的焦点尺寸也是关键技术参数之一，小焦点加速器在工业无损探伤领域可以获得更好的空间分辨率，可对工件的细微缺陷进行检测。目前，航空发动机涡轮叶片等效厚度较大，三维结构形貌复杂，常规240 kV微焦点和450 kV常规焦点射线源无法穿透或清晰检测叶片形貌及尺寸。现有市场上常规S波段加速器焦点尺寸较大，约为1.5~2.0 mm，空间分辨率在1.5~2.0 Lp/mm^[8]，难以满足高分辨率高能无损检测成像系统的需求。针对以上难题，结合X波段加速器对于S波段加速器具有更小的尺寸、重量这一特点^[9−12]，西华大学加速器团队提出并开展X波段2 MeV小焦点可移动加速器射线源装置的研制，焦斑直径小于等于0.7 mm，1 m处剂量率不低于30 cGy/min，具体设计参数及测试结果见表1，以求能够实现满足更高能量和空间分辨率的成像需求，解决目前航空叶片无损检测、现场检测等没有合适高性能高能射线源的难题。

X波段2 MeV小焦点加速器系统由高压脉冲调制器、加速器机头、冷却系统和控制系统等组成。其中加速器机头包括磁控管、微波传输系统、加速管、屏蔽系统和剂量监测系统等，加速器机头尺寸为1 040 mm×840 mm×640 mm，可以产生2 MeV能量X射线，焦点尺寸为0.69 mm，1 m处最大剂量率超过40 cGy/min。加速器整机实物图如图1所示，加速器机头重量约370 kg，为S波段2 MeV加速器一半重量，可以安装在移动托架上进行运输、移动，满足现场检测的应用需求。

加速管是加速器的核心部件，其原理是利用高功率微波在加速结构中建立的高梯度加速电场，将电子枪产生低能电子加速至高能，打靶并产生X射线，用于放疗、成像或者其他应用。本项目X波段加速管是西华大学加速器团队结合项目需求，基于现有成熟X波段微波功率源自主设计、研制开发的2 MeV小焦点加速管。本节内容主要包括电子枪物理设计；加速管腔体设计及束流动力学设计优化；加速管的微波调谐及工艺制作。

1) 电子枪设计

电子枪是加速器的电子源，选用热阴极二极枪，材料为钡钨阴极，具有发射稳定、不易中毒、寿命长的优点。依据蒙特卡罗计算，2 MeV电子束流打靶平均流强达到100 μA，靶1 m处剂量产额才能达到30 cGy/min。按照驻波加速管俘获系数为35% ，工作比为0.08%计算，电子枪发射脉冲电流需要达到350~400 mA。使用三维电磁场软件CST对电子枪开展了设计，选取电子枪工作电压8~13 kV可调，发射流强达到350 mA以上。电子枪的注腰尺寸小以及层流性好，有助于加速管焦点的小型化设计及研制，以此为准则对电子枪进行优化，优化后电子注发射包络如图2所示，典型工作电压为10 kV，发射脉冲流强为360 mA，电子注腰位置距离阴极为15 mm，层流性较好，注腰发散较缓，注腰直径为0.7 mm。

2) 腔体设计及束流动力学设计优化

为了保证加速结构的紧凑，加速管采用π/2模驻波加速结构。目前驻波加速结构通常会选择磁轴耦合或边耦合方式，腔间耦合系数通常较大，行波加速结构采用电轴耦合，腔间耦合系数小。由于该项目束流能量较低，腔数少，无需太大的耦合系数，结合电耦合结构腔体旋转对称，易于车削加工的优点，最终选择采用驻波电轴耦合加速结构。

X波段2 MeV加速管整管示意图如图3所示，由7个加速腔，6个耦合腔组成。通过束流动力学仿真优化，X波段2 MeV加速管最终加速腔的相速依次为0.35，0.60，0.80，0.89，0.92，0.99，0.99，逐渐递增。电子枪产生的电子注，在各加速腔进行聚束加速，电子速度与腔体的相速相适配才能达到聚束加速的效果，最终加速至2 MeV。加速管整管有效分路阻抗为71 MΩ/m，长度约为95 mm，耦合系数为1.35%，主模相邻模式间隔在10 MHz以上，加速管整管的设计电场分布如图4所示。当加速管壁损为0.6 MW时，加速管可以将电子枪注入的10 kV，360 mA电子束流加速至2 MeV以上，最终打钨靶电子脉冲流强为130 mA，俘获率约为36%，靶截面电子分布如图5所示，束斑rms直径为0.6 mm，远小于常规S波段1.5~2.0 mm常规束斑尺寸。

为了保证微波功率高效馈入驻波加速管中，驻波加速管设计时耦合系数的选择尤为重要。依据

式中P₀为输入功率；Z为有效分路阻抗；I为加速束流脉冲流强^[13]；代入数据可知最佳耦合系数为1.41。通过调节波导耦合孔的尺寸，使得整管的耦合系数为最佳耦合系数1.41，最终整管S参数仿真结果如图6所示。

3) 加速管微波调谐及工艺制作

加速管整管需要经过加工、调谐、焊接、排气等工艺流程后才能加电测试使用。图7所示为X波段2 MeV加速管腔体及波导窗等部件实物，加速管腔体采用单晶宝石刀直接车削加工而成，腔体表面粗糙度需要达到0.1 μm以下，防止高频电场打火。整管调谐后场分布与设计值的一致性，是加速管性能的重要质量保证，场分布冷测结果如图8所示，对比图4，调谐后的场分布与设计值基本一致，说明加速管整管得到了很好的调谐。另外，加速管整管S参数也是重要的微波特性参数，如图9所示，整管焊接后中心工作频率为9 297.15 MHz，驻波为1.427，与设计值一致。图10为X波段2 MeV加速管整管完成焊接、排气后的实物图。

X波段2 MeV加速器的功率源系统由磁控管和波导微波链路组成，其主要作用是为加速管提供高功率微波，并在加速管中建立加速电场。本项目采用L3公司X波段9.3 GHz，峰值功率为2 MW的6170型号磁控管作为功率源，实际使用功率为1.2 MW左右，具有较大的功率余量，功率源系统具体工作参数见表2，功率源微波传输链路采用BJ84波导进行传输，磁控管和加速管中间装有四端环行器，其主要目的是防止反射功率返回磁控管，保护磁控管受到干扰和防止磁控管微波窗损伤。四端环行器选用飞行泰达P384-1SA型号，可通过2.5 MW微波功率。

整个微波源链路与加速管构成了加速器机头的束流模块，是电子加速并产生X射线的主体，整体布局形状如图11所示。磁控管上安装有直流调谐电机，加速器AFC(Automatic Frequency Control)系统通过控制调谐电机维持磁控管微波频率与加速管频率一致，保证束流模块的正常工作。加速管由铅、钨屏蔽体包裹，有效减小加速器在非主束方向的漏射线和对主束方向的干扰。

加速器电源调制器是加速器机头的供电系统，可以为磁控管、加速管提供灯丝电源和脉冲高压，为加速管离子泵提供4 kV直流高压，保证加速管内部维持高真空状态。其中，电源调制器为磁控管提供为35~40 kV，50~90 A，3.5 μs的脉冲信号，最高重频可以达到250 Hz。

加速器控制系统采用基于FPGA高速采样板进行各个模块、子系统的数据采集，集成控制以及连锁，并且通过Modbus-RTU通信协议与上位机进行通信。采用FPGA作为系统主控制器，利用FPGA并行运行能力、快速的运行速度以及方便的时序处理，大大提高了加速器各电源模块之间工作时序的调节精度及灵活性。控制系统的控制原理图如图12所示，主要包括与电子枪灯丝电源、电子枪电源、磁灯丝电源、磁控管高压电源、离子泵电源、AFC控制系统、冷却水和充气系统等进行数据采集，高速运算、读写并进行连锁反馈，保证加速器整机安全、稳定地工作。

X波段2 MeV小焦点加速器研制完成后，针对加速器束流打靶产生的X射线能量、剂量率、焦点大小等主要性能参数进行了测试，测试方法及测试结果如下。

束流能量决定了X射线能量和射线的最大穿透深度。针对X射线能量测试，采用钢板半价层法测量X射线的能量^[14]。将PTW UNIDOS X射线剂量仪^[15]探头放置在X射线束0°方向中心轴距离靶1 m的位置，并将密度为7.85 g/cm³的钢板放置于剂量仪探头和靶之间，逐渐增加钢板的厚度，并记录X射线剂量率，通过钢板厚度与X射线剂量率之间的关系拟合计算X射线的半价层，查表得到X射线的能量，测试示意图如图13所示。测试结果半价层拟合曲线见图14，钢半价层为19.6 mm，对应能量为2 MeV，此时加速器主要工作参数如表3所列，磁控管和电子枪工作波形图见图15，磁控管脉冲高压、电流分别是35.5 kV，63 A；电子枪脉冲高压、电流分别是10 kV，375 mA。由于电子枪和电源存在匹配问题，电子枪脉冲电流前沿存在过冲现象，加速器最终运行采用电子枪脉冲束流波形平坦处作为有效加速时序。

加速器在2 MeV工作条件下，将PTW UNIDOS X射线剂量仪探头放置在X射线束0°方向中心轴距离靶1 m的位置，记录X射线剂量率。加速器运行在200 Hz重复频率条件下，测得剂量率为42.95 cGy/min，满足设计值≥30 cGy/min。

加速器焦点尺寸对射线成像效果至关重要，焦点越小，射线成像空间分辨率越高。本文采用双丝像质计成像法测试加速管焦点尺寸^[16]，使用奕瑞1616HE2平板探测器放在垂直于X射线中心轴并且距离靶144 cm处，将像质计放置在靶和平板正中间在X射线中心轴上距离靶42 cm处，放大比为3.44，得到双丝像质计影像调制深度为20%对应的为D6，对应U_g尺寸为0.52 mm，代入式(2)^[16]：

式中：U_g为几何不清晰度；M为放大比；d为探测器分辨率；α为焦点尺寸。计算焦点尺寸为0.69 mm，满足加速器设计指标。测量参数及测试数据如表4所列，焦点成像结果如图16所示。

通过对X波段小焦点加速器的调试和性能测试，加速器射线能量为2 MeV，1 m处剂量率为40 cGy/min，焦点尺寸为0.69 mm，均达到了设计指标，对比结果见表1。

本文基于X波段2 MeV 小焦点加速器，搭配奕瑞1616HE2面阵探测器搭建工业CT，并针对可检测的工件最大直径、最大高度、最大重量、空间分辨率和密度分辨率等项目进行了测试，在CT转台水平放置300 mm钢结构件，采用锥束标准CT扫描成像。本文实验条件如下：焦距等于1 792 mm，SDD为2 089 mm，加速器重复频率为150 Hz，探测器积分时间为1 000 ms，锥束扫描1 440幅投影图像，重建并进行处理测量。实验平台如图17所示。

图18和19是X波段2 MeV小焦点加速器CT的检测图，系统可检工件最大直径和最大高度可达300 mm。

对CT转台进行载荷测试，在CT转台放置100 kg质量铅块，启动转台旋转功能，观察转台旋转情况，转台正常平稳运动、无异响、负载未发生相对位移，达到设计指标，未再继续增加载荷。

采用均匀圆盘法测试系统空间分辨率和密度分辨率结果如图20所示，系统10%调制度下的空间分辨率为3.16 Lp/mm，密度分辨率为0.60%，5~35 mm范围线性尺寸测量精度均小于50 μm。空间分辨率是工业CT的重要技术指标，该项指标越高，越能识别更为精细的物体尺寸，基于X波段小焦点加速器的CT空间分辨率优于常规S波段加速器CT空间分辨率的1.5~2.0 Lp/mm。

如图21所示，将阶梯铝块的CT尺寸测量值与校准后的数显千分尺测试值进行比较获得线性尺寸测量精度。阶梯铝块的CT图像及尺寸测量值见表5，对5~35 mm范围线性尺寸的工件测量精度均小于50 μm。

本文成功研制了X波段2 MeV小焦点加速器，X射线焦点尺寸为0.69 mm，1 m处剂量率可以达到40 cGy/min以上。并完成了可移动CT系统的搭建和测试，系统可检工件最大直径和最大高度可达300 mm，最大载荷可达到100 kg，系统10%调制度下的空间分辨率为3.16 Lp/mm，密度分辨率为0.60%，5~35 mm范围线性尺寸测量精度均小于50 μm。从性能上看，基于X波段小焦点加速器CT的空间分辨率显著优于常规焦点S波段高能CT的1.5~2.0 Lp/mm空间分辨率，并且加速器重量只有S波段加速器的一半不到。