電子直線加速器與電子感應(yīng)加速器的比較

劉雨婷

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

電子直線加速器與電子感應(yīng)加速器的比較

劉雨婷

（北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所，北京 100120）

0 引言

我國近年來隨著對電力及精煉石油需求的增多，鍋爐行業(yè)、化工行業(yè)制造的各種壓力容器以及大厚度鑄造件，在制造過程中均需使用射線照相（RT）來檢查焊縫內(nèi)部質(zhì)量。射線檢測設(shè)備主要有X光機(jī)、鈷60、銥-192、銫-137、電子加速器等，其中電子加速器作為一種高能X射線檢測儀器，以其能量高，穿透能力強，拍片速度快，安全性能高等特點，解決了大厚度鋼板（40mm～380mm）在無損檢測上的需求，廣泛用于鍋爐、化工、鑄造等行業(yè)的無損檢測領(lǐng)域。

國內(nèi)生產(chǎn)的電子感應(yīng)加速器70年代有7臺運行，現(xiàn)已全部淘汰。進(jìn)口的感應(yīng)加速器全部來自俄羅斯。直線加速器進(jìn)口和國產(chǎn)各占一半，進(jìn)口中主要是美國Varian產(chǎn)品，少數(shù)產(chǎn)自俄羅斯，產(chǎn)自日本的有一臺。它們主要裝備在大型電站設(shè)備、重型機(jī)器、大型石油化工機(jī)械、航天、兵器及核工業(yè)等重型企業(yè)，其中采用電子直線加速器的企業(yè)，按行業(yè)分布的比例如圖1所示，其中7臺配有工業(yè)CT及數(shù)字射線照相系統(tǒng)（DR）或熒光射線透視系統(tǒng)，其余多數(shù)采用膠片射線照相法。

圖1 按行業(yè)分布的比例示意圖

自90年代開始，電子直線加速器增長明顯加快，尤其是2000年以來進(jìn)入了高增長期，探傷加速器的增長速度前所未有，而且主要由國內(nèi)供貨，這和我國所處的政治經(jīng)濟(jì)形勢密切有關(guān)，主要影響因素有：

1）質(zhì)量認(rèn)證制度的推廣，質(zhì)量意識明顯加強，這很大程度上促進(jìn)了對質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備的需求。

2）由于電力短缺，促使電站設(shè)備制造業(yè)發(fā)展，大型鍋爐產(chǎn)量大增。石化工業(yè)發(fā)展，加氫反應(yīng)器等化工高壓容器加工量增加，都對高能射線探傷提出了需求。

3）國際及兩岸形勢的變化，軍工生產(chǎn)檢測需求增加。

4）美國對我國探傷加速器出口的限制，這給發(fā)展我國探傷加速器帶來了機(jī)遇。

用作高能X線探傷的加速器，實際上，40～70年代以電子感應(yīng)加速器為主，當(dāng)時，美國GE及Allis，chalmers，德國Siemens，瑞士BB.C，日本島津，蘇聯(lián)等都有生產(chǎn)。我國在60～70年代，由機(jī)械部自動化所，上海先鋒及四川東風(fēng)電機(jī)廠曾先后生產(chǎn)過7臺，15及25MeV探傷用電子感應(yīng)加速器，80年代后逐漸被電子直線加速器取代，除俄羅斯還有便攜式感應(yīng)加速器供應(yīng)外，均已停產(chǎn)。我國目前可以提供2、3、4、6、9、15 MeV系列無損檢測用電子直線加速器。從產(chǎn)品性能看，X線輸出參數(shù)（能量，劑量率，焦點尺寸等）與美國Varian產(chǎn)品相當(dāng)，完全可以滿足國內(nèi)需求，產(chǎn)能有余，尚可出口。加速器目前也可以與數(shù)字射線照相系統(tǒng)、工業(yè)CT等配套供貨。

1 技術(shù)指標(biāo)對比

國內(nèi)用于X線探傷的電子加速器現(xiàn)有兩類，一類是電子直線加速器，一類是電子感應(yīng)加速器，它們加速的電子能量根據(jù)不同需要在2MeV～15MeV之間，相應(yīng)的X線也就分別對應(yīng)于最大值為2MeV～15MeV的連續(xù)譜?？蓹z查等效鋼鐵厚度在40mm～500mm，配用膠片法照相檢查時，相對靈敏度以孔型像質(zhì)計顯示，可優(yōu)于1-2T，線型象質(zhì)計則優(yōu)于1%。

這兩類加速器的具體技術(shù)指標(biāo)如表1和表2所示。

表1 電子感應(yīng)加速器主要技術(shù)指標(biāo)

表2 電子直線加速器主要技術(shù)指標(biāo)

2 透照時間對比

以下是兩種加速器具體的計算比較。由于目前普遍工業(yè)所需用X射線進(jìn)行檢測的工件厚度一般在250mm左右，因此下面對4MeV電子直線加速器和7.5MeV電子感應(yīng)加速器就透照時間、工作性能、防護(hù)墻厚度、造價等方面進(jìn)行比較。

計算公式說明如下：

式中，

I為底片吸收劑量，取3.1cGy；

I0為距加速器焦點1米處，出束劑量率cGy/min.m；

d為焦距，取1.8m；

D為工件厚度，取200mm；

D1/2為半價層，對4MeV電子直線加速器約為25mm；對7.5MeV電子感應(yīng)加速器約為28mm；

根據(jù)上述公式可推出透照時間t的計算公式：

條件：

1）為便于比較，直線加速器焦距取1.8m，回旋加速器焦距取1.0m；

2）以200mm鋼為例計算；

3）采用柯達(dá)AA400底片；

4）根據(jù)我們拍片經(jīng)驗，底片吸收劑量按3.1cGy計算；

5）本計算僅供參考。

根據(jù)公式可得出表3所示結(jié)果。

表3 電子直線加速器和電子感應(yīng)加速器工作效率對比

從表3可以看出采用同樣的條件，電子直線加速器比電子感應(yīng)加速器的工作效率要高17倍。

3 工作性能對比

電子直線加速器一般配有機(jī)頭懸吊機(jī)構(gòu)，具有使機(jī)頭升降、回轉(zhuǎn)、仰俯等功能，可以滿足不同角度對工件不同位置進(jìn)行照射檢查的需要。由于劑量率高，因此透照時間短，且配有溫控水冷機(jī)組，不需停機(jī)散熱等待，具有高效、安全等特點。

電子感應(yīng)加速器的特點是重量小，易于攜帶，由于沒有水冷系統(tǒng)，需開機(jī)15分種停機(jī)散熱，效率較低，僅適合小工件、小探傷室，對于檢測量比較高、被檢測工件體積較大的單位，不適于使用電子感應(yīng)加速器。

從拍片效果上看，電子直線加速器的焦點為一個小于2mm的圓點，而電子感應(yīng)加速器為一個0.2mm×3mm的方焦點，使用兩臺加速器在相同的條件下，對同一工件同一部位進(jìn)行檢測，電子直線加速器曝光后底片的效果比較好，靈敏度比較高，而電子感應(yīng)加速器因其焦點為長方形，所以導(dǎo)致底片靈敏度具有一定方向性。

4 防護(hù)墻厚度對比

計算方法

在廳外距靶點r（m）處的輻射劑量率為（單位rad/min）：

0為加速器的輸出劑量率；

f束為射線束的使用因子，此處為1；

k-1為墻對射線的衰減因子（k-1=10-h/D1/2，h為墻厚）；

其中t為一年中加速器的工作時間。

考慮到居留因子T，則可得關(guān)于h（厚度）的如下方程：

D1/2：半價層（混凝土）；

*注：以上計算中未考慮建造中涉及質(zhì)量問題而應(yīng)取的保險因子。

條件：

為方便比較，假定使用兩種加速器的廠房大小相同，外界環(huán)境相同，居留因子T取1/16，輸出劑量率均取最大，測試點距離靶點1m；

半價層4MeV電子直線加速器對混凝土約為86mm；對7.5MeV電子感應(yīng)加速器約為108mm；

根據(jù)公式可以計算得出：

表4 電子直線加速器和電子感應(yīng)加速器防護(hù)強度對比

5 造價對比

由于兩種加速器的工作原理，工作效率、且廠房的防護(hù)造價費用各不相同，所以電子直線加速器的價格略高于電子感應(yīng)加速器的價格，但性價比遠(yuǎn)高于感應(yīng)加速器。

6 結(jié)論

電子直線加速器和電子感應(yīng)加速器從技術(shù)指標(biāo)、透照時間、工作性能、防護(hù)厚度以及造價上來比較，能得出如下結(jié)論：

1）在同樣的能量下，直線加速器的X射線劑量輸出量比感應(yīng)加速器大100倍以上，因此在相同的照相條件下，電子直線加速器較電子感應(yīng)加速器的曝光時間可以縮短100倍以上，這也是感應(yīng)加速器自上世紀(jì)60年代以來逐漸被淘汰的原因。

2）電子直線加速器焦點是圓形Φ2mm，而感應(yīng)加速器焦點是0.2mm×3mm，呈長條形，因此感應(yīng)加速器的照相靈敏度在不同方向上有一定差異。

3）感應(yīng)加速器由于劑量率低，主束墻的防護(hù)厚度可以稍薄一些。

4）電子直線加速器機(jī)頭約重900kg，便攜式電子感應(yīng)加速器約重幾十公斤，后者便于移動。

幾十年國內(nèi)工業(yè)無損檢測技術(shù)的發(fā)展，高能X射線加速器技術(shù)的成熟，標(biāo)志著我國無損檢測技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了國際先進(jìn)水平。從90年代起，電子直線加速器以其能量大、劑量率高、焦點小、操作安全、工作效率高等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸取代了電子感應(yīng)加速器，成為國內(nèi)鍋爐行業(yè)、化工行業(yè)、鑄造行業(yè)等重工業(yè)必不可少的檢測手段。

[1]朱宇虹.9MeV電子直線加速器的屏蔽設(shè)計[J].電焊機(jī),2010,40(1).

[2]余小清.鐵道貨車搖枕側(cè)架探傷方法探討[J].無損檢測,2006,28(5):276-278.

The comparison of electron linear accelerator and betatron

LIU Yu-ting

現(xiàn)代工業(yè)是建立在無損檢測基礎(chǔ)之上的說法并非言過其實。無損檢測技術(shù)經(jīng)歷一個世紀(jì)的發(fā)展，盡管它本身并非一種生產(chǎn)技術(shù)，但其技術(shù)水平反映了該部門、該行業(yè)、該地區(qū)甚至該國家的工業(yè)技術(shù)水平。無損檢測的儀器種類很多，大致分為超聲、射線、渦流、磁粉等。能產(chǎn)生高能X射線的電子直線加速器由于射線能量高，能對大型部件和厚金屬材料進(jìn)行探傷，它產(chǎn)生的韌致輻射強度比電子感應(yīng)加速器高幾十到幾百倍，同時，射線照相所需時間更短，分辨率更高。

電子直線加速器；電子感應(yīng)加速器；透照時間；防護(hù)強度

劉雨婷（1981 -），女，遼寧人，工程師，學(xué)士，主要從事加速器研發(fā)及銷售。

TL53

A

1009-0134(2015)07(下)-0064-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2015.07(下).20

2015-04-08