1、南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）课程论文(报告)题 目 电子辐照加速器在国内外的发展应用 学院名称 核科学技术学院 指导教师 刘 林 职 称 助 教 班 级 核防 081 班 学 号 20084180116 学生姓名 孟令飞 2011 年 1 月 9 日南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）目 录1 国外加速器的发展特点.11.1 国外电子辐照加速器发展呈现如下几个特点.11.2 向低能段和高能段延伸，一批新产品已进入市场.21.3 一批新型电子辐照加速器研发成功31.4 正在研发一批新项目 52 我国电子辐照加速器应用情况 72.1 电子辐照加速器数量 72
2、.2 电子辐照加速器的基本构成 82.3 扩展了新的应用领域 83 我国电子辐照加速器市场需求与生产能力评估 103.1 市场需求分析 .103.2 我国电子辐照加速器装备生产能力有较快增长 113.3 电子辐照加速器装备产业结构急待优化 .124 我国电子辐照加速器发展值得注意的问题.134.1 组织重大共性技术攻关.134.2 尽快修订行业标准，争取升级为国家标准 145 学习心得体会 15南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）1 国外加速器的发展特点电子辐照加速器装置是辐射加工产业的基础设备之一。全世界辐射加工产业每年以 10%左右的速度增长，必然会推动电子辐照加速器装置不
3、断创新和发展。在市场驱动下，近些年电子辐照加速器装置的成果显著：一批适应市场需求的加速器新产品投入运行；一批研发中的项目取得重大成果。1.1 国外电子辐照加速器发展呈现如下几个特点（1）加速器装置在量上大幅度增加的同时，产品质量在不断提高，结构紧凑，易操作，维修方便，长期运行稳定和可靠性；智能化水平等有明显提高。 （2）产品在专门化、系列化、规模化水平上了一个新台阶。地那米型加速器从低能到高能的完整系列，电子帘加速器从 80300kV 完整系列，以及手电筒式50kV 加速器和专门用于油墨、涂料、层压粘合剂辐射固化的小型 Light BeamTM 和 EzcureTM 电子帘加速器，就是例证。图
4、 1.1 EZCure EB 结构图南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）图 1.2 Light Beam 示意图(3) 加速器的控制系统已发展到计算机智能控制、远程诊断、电器插件更换自动调整、信息采集和储存等，自动化水平很高。1.2 向低能段和高能段延伸，一批新产品已进入市场 （1）变压器型电子辐照加速器的低能段 300kV 以下至 100kV、60100mA 的屏蔽和自屏蔽式电子辐照加速器研制成功，并已进入市场。 （2）地那米电子辐照加速器系列产品的低能段 500kV 以下至 300kV、60-100mA 的屏蔽和自屏蔽电子辐照加速器研制成功，并已进入市场。 南华大学核科学技
5、术学院 2008 级课程论文（报告）图 1.3 地那米加速器电路原理（3）10MeV、500-700kW 梅花瓣型电子辐照加速器基本研发成功。 1.3 一批新型电子辐照加速器研发成功 （1）日本 Shiga 光子生产实验室研制成功 MIRRORCLE-6X 加速器。它的储存环直径仅 60cm，使用新型电子注入技术，获得的 X 射线能量达几 MeV，价格 250 万美元。 图 1.4 MIRRORCLE-6X 加速器南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）（2）法国帕莱索技术研究所研发成功桌面型电子加速器。通常这种加速器有几个房间那么大，该所研发成功的加速器如同一张餐桌大小。它除了体
6、积小之外，另一个特点是电子束流能量比较容易控制。研发桌面型电子加速器有很大难度，尽管向等离子注入激光束可以制造强大的电场，使电子束流在相对短的长度内加速到高能，但要控制电子束流能量却很难。维克多.马尔卡领导的小组通过注入第二束激光解决了这个难题。两束激光在相交点，产生一种稳定的波，进而使电子加速到所需要的能量。关于控制电子束流能量，用微调激光来实现。有了两束激光就可以调整参数。比如，要获得高达 300MeV 的电子束流能量，只要按按钮就行。马尔卡说，有了这种加速器，“对加速器物理学来说，美梦成真啦”。 （3）美国 RPC 公司研制成功的 “宽束机”全新型多灯丝电子帘加速器已形成系列产品。宽束机
7、使用钨丝和栅格模块，克服了长灯丝产生的电子束流较窄的缺点，把束流加长到 200mm，最大窗宽 3200mm。这种宽网状和高剂量的电子束流使生产效率提高很多，应用范围更广。宽束机可以在水平方向和垂直方向任意调节，以适应生产线布局的需要。这种独特的性能优化了使用空间，降低了成本，并且灯丝寿命保证 10000 小时。 南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）（4）俄罗斯成功地研发出 EA10/10 型环形电子加速器。其能量 5-10MeV，电子束流 5-10mA,束功率 25-100kW, 可调。它由加速系统、磁场系统、聚焦系统、电子枪、高频发生器、控制系统等 10 个子系统组成，直径
8、3000mm，高3500mm，重 9000kg，整机的运行参数如 表 1.1：表 1.1 A10/10 型环形电子加速器工作参数参数 参数值电子束流能量 510MeV电子束流 510mA束流功率 25100kW加速器消耗功率 301.2kW转换效率（100kW 时） 33%谐振器工作频率 100MHz系统运行真空度 10-4PaEA10/10 型环形电子加速器有不少优点，如机器易安装、易操作、能耗低、成本低、转换效率高、能量和束功率调节范围大、自动化控制等。该加速器是提供工业用电子束流，主要用于医疗用品消毒灭菌、谷物辐照、聚合物交联等领域。例如用它辐照谷物，使谷物中的象鼻虫失去活性，规定辐照剂
9、量 800Gy，每小时能辐照 40-60 吨谷物。 1.4 正在研发一批新项目 南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）（1）美国辐射动力公司（RDI）在 5MeV、30mA、150kW 地那米电子辐照加速器研制成功后，宣布开始研发 6MeV、50mA 、 300kW 地那米电子辐照加速器，准备用来产生 X 射线，辐照大型物体。（2）多年前日本尼辛高压工程公司和其它单位一起，着手研发5MeV、60mA、300kW 考克饶夫瓦尔顿电子辐照加速器，进展情况没有公布。（3）20MeV、30mA、500kW 电子直线感应加速器在研发中。5MeV 、500kW时得到的 X 射线等效于 400
10、 万居里的钴源。 （4）俄罗斯在研发 10MeV、20-25 mA 、200-250kW 辐射加工用双束流电子直线加速器。目前实验工作已经完成，主要技术难题已经解决，建造10MeV、25mA、250kW 电子直线加速器已无原则性障碍。实验表明，该加速器可以工作在连续工作状态，也可以工作在脉冲工作状态。连续工作状态的长处是它的高压供电系统结构简单，但工业有效作用系数仅 5%左右。脉冲工作状态，脉冲供电系统的功率很大，但能够将加速器的工业有效作用系数提高到25%左右，显然，在束流参数一定的情况下，选用脉冲工作状态是合理的。 整个研发工作计划分三段进行。第一阶段进行计算、实验、模拟主要部件，现已完成
11、；第二阶段制造实验样机，计划 2008 年底完成，进而制造加速器产品，进入市场；第三阶段将开展束流功率增大到 500-1000kW 的研发工作。 初步计算，它的售价要比 Rhodotron 便宜很多，并有更简单的制造工艺和更高的有效作用系数，因而预计在市场上它能够占有一定的地位。 南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）2 .我国电子辐照加速器应用情况 在辐射加工产业领域，作为重要生产装备的电子辐照加速器无论在数量、规格、质量、配套、应用等方面都有长足发展，特别是近两年来业内人士所关心的高能段（5-10MeV）和低能段（ 1 MeV 以下）的应用情况，已取得了突破性的进展。 2.1
12、 电子辐照加速器数量 据专委会统计，截止 07 年 10 月，我国已建在建电子辐照加速器共 133 台（未包括部分外资企业的加速器），其中已投入运行的加速器生产线 100 台套，在建的加速器生产线 33 台，已建和在建的加速器总功率 8258.2kW,平均单台功率为 62.1kW。 已建和在建 133 台套的电子辐照加速器中国产有 85 台套，进口 48 台套，具体见表 2.1。表 2.1 已在建加速器生产国家 数量（台） 比重（%）功率（kW ）比重（%）中国 85 63.92 4348.7 52.65俄罗斯 34 25.56 2339.5 28.33美国（RDI） 6 4.51 540 6
13、.54日本 5 3.76 690 8.36南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）法国（Vivirad） 2 1.5 190 2.3比利时（IBA ） 1 0.75 150 1.82由于国家宏观经济环境影响和产业升级需求的拉动，（2006-2007 年 10 月底）我国加速器生产线增长很快，已经建成和在建共 51 台套，占加速器总台数的 38.35 % 2.2 电子辐照加速器的基本构成 能区分布。长期以来，我国辐照加速器主要在中能区段 1.5-3.0MeV，功率在20kW-90kW 之间。最近几年，由于应用领域的扩展，已有 9 台低能区（0.3-0.9MeV）加速器投入运行；高能区
14、主要分布在 5-10 MeV，早在 15 年前南京大学以赖启基教授为首的团队就研发成功电子直线加速器，交用户使用；宁波超能科技股份有限公司先后建成两台并投入运行。目前有中科院高能物理所、中国科技大学、清华大学、中国原子能院、北京机械工业自动化所等单位都投入一定力量，其中有的已基本定型，产品提交用户使用；有的仍在调试完善阶段。目前我国加速器能量构成如表 2.2。表 2.2 我国加速器能区构成（截止 07 年 10 月）能区分布 MeV 数量（台） 比重（%）0.20.8 13 9.7714 102 76.70510 18 13.53.南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告） 结构类型
15、。国产中能区加速器主流机型为高频高压型，它是以美国 RDI 地那米加速器为原形演变而来。进口俄罗斯的加速器为单腔直线和绝缘蕊变压器型；高能区以直线型为主；低能区为高频高压和高压变压器型。 2.3 扩展了新的应用领域 在国家发改委和国防科工委等部门专项支持下，加速器的应用领域已经并正在进一步扩展。 辐照交联高性能核电站电缆在溧阳等电缆厂通过鉴定； 河南同位素所用加速器生产电池隔膜生产线已投入试运行； 在轮胎厂迫切需求的拉动下，辐照预硫化轮胎技术已取得新进展； EB 表面固化在工业产品和城市建设中的应用； EB 在环境治理方面，如水、特殊垃圾处理上发挥作用。 2.4 生产能力估计 按国内市场价位和
16、主产品结构测算，在加速器运行效率处于 80%水平上，每1kW 年创造产值为 100 万元计，国内已建成的 100 台加速器总功率为 5300 kW，即年生产能力达到 53 亿元。 南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）3 我国 电子辐照加速器市场需求与生产能力评估3.1 市场需求分析 中国是 13 亿人口的大国，从近中期考察分析，中国将成为世界辐射加工产业的第一大市场。如果算上印度及亚洲地区潜在需求，可以肯定的是以中国为首的亚洲区必定成为世界市场的“增长极”。本报告重点分析国内市场，有两种估计。 第一，保守估计。国家宏观经济环境稳步发展，平均 GDP 增速为 8%左右，加速器能够
17、在 1-2 个工业应用领域有所突破，如子午线轮胎预硫化、橡胶乳液硫化，或者工业、农业、环境治理方面高性能辐照材料问世，或者高能电子加速器用于消毒、灭菌技术推广等，其结果都将会有上百亿规模产值。如果这一估计成立，今后 5 年，我国电子辐照加速器平均按 15%增长，即在现有 100 台套（已建成）基础上翻一番，达到 200 台左右，一次性产业规模 15-20 亿元，二次产业规模 150 亿-200 亿左右。今后五年加速器能区主要构成如表 3.1表 3.1 保守估计今后五年新增加速器构成能量范围（MeV ） 能区 MeV 数量（台） 比重（%）南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）51
18、0 30 3014 30 300.20.9 40 40新增的 100 台加速器二次产业规模较前 100 台大的多，其主要原因是：（1）10MeV 高能区的电子加速器用于消毒灭菌、食品保鲜的产值是按被加工产品原值计算的;（2）低能区橡胶预硫化是以成品产值估算的。 第二，较乐观估计。科学发展观得到较全面落实，国家产业结构调整有较大进步，市场对辐照技术和产品需求旺盛，有 3-5 个应用领域形成产业规模。今后5 年加速器将会以年均 18%左右速度增长，到 2012 年总量达到 230 台左右，净增 130 台左右（表 5），累计创造一次性产业规模 25 亿元，二次性产业规模200 亿元。主要构成 如表
19、 3.2。表 3.2 较乐观估计今后五年新增加速器构成能量范围（MeV ）能区（MeV） 数量(台 ) 比重（%）510 45 34.614 35 26.90.20.9 50 38.53.2 我国 电子辐照 加速器装备生产能力有较快增长主要表现为：其一，专业化、规模化的生产基地初具规模。专委会于2005 年在昆明会议上曾提出基地的概念。所谓基地化，就是在一个特定的空间南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）范围内，通过现代企业制度，实现技术、人才、资金、生产手段及信息的优化组合，实现生产能力最大化。经过这几年的发展，其中以加速器为主，装备一体化的生产基地无锡爱邦公司已初具规模。江苏
20、达胜紧随其后，宁波超能科技股份有限公司的电子直线加速器已稳定运行，正在研发新型的加速器。上海应用物理所和北京原子能研究院都是国家重点支持的综合产业基地，这些单位虽然承担国家重点任务，但基地建设仍在抓紧进行中。保守估计，我国目前加速器生产能力约 30 台套/年（以中能区为主，不包括外国企业的生产能力）。 其二、技术创新水平有较大提高。据对 5 家加速器生产厂家的统计，这 5 家单位申请加速器技术专利 16 件，其中已授权 7 件。企业在申请这些专利的同时，大部分已在生产中得到应用，为提高产品质量，推动产品升级发挥了重要作用。其三、外国企业的进入加速了我国加速器装备生产能力增长。近几年，国外企业，
21、纷纷看好中国市场前景，先后在上海、北京等中心城市设厂或建立办事机构。他们主动要求加入协会，如日新、IBA 等。这些公司进驻中国，反映了国内市场国际化趋势日益明显；实际上我国的一些企业也开始向国外销售产品。通过比较和竞争，将会成为我国加速器产业发展的强大动力。 3.3 电子辐照加速器装备产业结构急待优化 整体上讲，目前我国加速器产业市场需求和产能比较，是供大于求的局面。即包括外国企业在内国内加速器生产能力达到约 40 台/年或更多。然而在今后一段时间内在低能区和高能区的产品是短缺的。随着低能加速器应用领域的扩展，10MeV 加速器应用技术的推广，这一结构性矛盾日益突出。实际上外国企业进南华大学核
22、科学技术学院 2008 级课程论文（报告）入中国主要也是瞄准这两端的市场。一方面产能过剩，另一方面是产品短缺，这就是现实。国内企业必须认清这一形势，采取对策，尽快拿出有竞争力的产品。 4 我国电子辐照加速器发展值得注意的问题4.1 组织重大共性技术攻关我国辐射加工产业市场广阔，在国内外市场趋于一体化的背景下，用户对国产加速器无论在型号、性价比、配套性、技术服务等提出更高要求，而国内加速器研发和生产单位都面临共同技术门槛，难以跨越。我们将共同的技术门槛定义为重大共性技术。为便于大家讨论，我们初步提出以下重大共性技术，供大家研讨。 第一，完善电子束流聚焦系统，提高束流品质。从理论与设计两个方面优化
23、束流光学系统，改善束流品质，提高束流利用率，减少射线污染。 第二，提高国产电子枪束流产出水平和使用寿命，这是高能区加速器关键部件，希望与有关厂家合作有所突破。 第三，与有关方面合作，研发生产大功率速调管，提高电子直线加速器关键部件国产化水平，降低生产成本，保证设备安全运行。 第四，电子束转换 X 射线，第一步力求在转换效率上有所提高，达到经济可行。南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）第五，加速器用材料或部件，如绝缘材料、电子器件具有抗辐照高性能化。 第六，采用最新技术产品和成果用于提高加速器系统控制水平，实现控制系统自动化、智能化，提高运行安全和质量控制水平。 第七，优化电子束
24、与工艺传输系统配置，提高传输工艺可调性和系统性，保证辐照产品质量水平。 第八，改善加速器屏蔽系统，使有害气体排放降至最低水平。 第九，新型加速器原理研究和技术探索，争取将大科学工程的最新成果转化成产业。 我们希望通过研讨，取得某些共识，在自愿互利的基础上，建立合作机制，组织联合攻关或者争取国家支持项目。国家发改委专项还希望继续下去，但关键是要有好的项目和机制。 4.2 尽快修订行业标准，争取升级为国家标准 （1）该行业标准是 1995 年颁布实施的，时间已过去 15 多年，在这 15 多年中，我国的电子辐照加速器数量大大增加，产品质量水平发生了质的变化。该标准已不适应当前电子辐照加速器的技术水
25、平，积极作用已变得淡薄。（2）标准化的许多参量，如电子束流能量、束流强度、能量不稳定度、束流不稳定度、环境条件、扫描不均度、重新开机时间、可靠性检验、计算能量的公式等，需要根据当前的技术水平，进行修订。 （3）目前已颁布实施的其它有关工业加速器的标准均属国家标准，唯独“辐射加工用电子加速器通用规范”为行业标准，因此理应提升为国家标准。南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）5 学习心得体会1919 年英国科学家卢瑟福用天然放射源中能量为几个 MeV、速度为2x109cm/s 的高速 粒子束（即氦核）作为“炮弹”，宏基厚度仅为 0.0004厘米的金属箔的“靶”，实现了人类科学史上第一
26、次人工核反应。利用靶后放置的硫化锌荧光屏测得粒子散射的分布，发现原子核本身有结构，从而激发了人们寻求更高能量的粒子来作为“炮弹”的愿望。自从卢瑟福的第一次人工核反应后，物理学家就认识到要想认识原子核，必须用高速粒子来变革原子核。天然放射性提供的粒子能量有限，只有几兆电子伏特，天然宇宙射线中粒子的能量虽然高，但是粒子流极为微弱，而且无法支配宇宙射线中粒子的种类、数目和能量，难于开展研究工作。于是粒子加速器诞生了。应用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素和合成的上千种新的人工放射性核素，并系统深入地研究原子核的基本结构以及其变化规律，促使原子核物理迅速发展成熟起来。使用加速器人们又发现了几百种粒子
27、，建立粒子物理学。加速器的应用越来越广泛，在材料科学、表面物理、分子生物学、光化学等其他科技领域都有重要应用。我国的加速器发展比较晚，新中国成立以后加速器的研究才有所进展。南华大学核科学技术学院 2008 级课程论文（报告）1955 年中国科学院原子能所建成 700eV 质子静电加速器，而同时期的美国已经建成 GeV 级的加速器。不过，从此以后，我国的加速器逐渐发展起来，经过五十几年的发展，我国的加速器技术已经走到世界前列。加速器对未来的世界发展有重要意义，加速器可用于各种学科的研究，可以发展各种产业，尤其重要的是，加速器对核能的发展有着特殊的意义，没有加速器，就没有核科学的今天。核科学的明天依然需要加速器的支持，加速器可以用于发展新型核反应，用于研究可控型核聚变。加速器的发展可以影响到中华民族的兴衰，作为祖国核科学技术的接班人，我们要学习和发展加速器技术。近百年时间，在加速器领域，西方国家一直走在前沿，以后的时间里，我们要争取和他们并肩，然后超越他们。
