电子直线加速器二维扫描高能X线辐照系统

摘要

本发明是一种基于电子直线加速器为电子束源的X线辐照系统，配二维扫描偏转线圈磁环和超大面积透射式X线转换靶以及带横向反复折返式样品传送机构的延伸辐照防护室，可用于对中成药及食品花卉等等其它需致电离辐射辐照灭菌杀虫消毒处理的物品进行连续进出样品自动化辐照处理。本发明具有辐射转换效率高、辐射强度大，辐射穿透力强，能连续辐照自动进出样品，辐照剂量均匀性好，系统辐射防护好，不存在放射性核素相关的环境威胁等优点。本发明可用于替代目前广泛采用的放射性核辐照设备，从而最终彻底摆脱辐照产业对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染的潜在威胁。

说明书

技术领域

 本发明主要涉及一种新型致电离辐射辐照专用设备，特别是涉及一种电子直线加速器二维扫描高能X线辐照系统，属于致电离辐射辐照设备技术领域。

背景技术

利用致电离辐射的强穿透性及对生物体的辐照剂量生物效应，人类从上世纪随着和平利用核能口号开始广泛把核辐照技术应用于诸如：化工塑料改性，食品保鲜，物品消毒灭菌杀虫，辐照生物效应研究，血液制品处理（防止输血反应）等等各种应用领域，也取得很大社会经济效益。辐照用核辐射源因而被广泛应用，特别在食品保鲜，物品消毒灭菌杀虫辐照中，以高活度Co60为辐照源的大型核辐照站目前在我国各省区都已得到较普遍使用。由于核辐射的不可控特性，核辐射源在制造，运输，储存以及最终报废后都一直产生对周围的辐射。由于放射性核素的自然衰变，核辐照设备所需辐照时间从出厂后即须随时间不断延长，达核素半衰期时（如Co60是5.3年）辐照时间必须增长1倍，终究会随用时过长需要报废以前放射源更换新的放射源。而放射源的生产，运输，储存，更换及废放射源的处理，都可能对周围人员安全造成核辐射危害。数年前河南某核辐照站发生卡源事故，居然造成广大居民大面积逃离的社会群体事件，就是一个鲜活的案例。所以环境保护人士和广大关心环境保护的公众都要求通过各种立法，从一开始就把核辐射源作为具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的危险品严加管控。随着公众环保意识的不断加强，以及所发生过的核物质泄漏事故的严重后果产生恶劣影响，这种管控还在不断加强。从上世纪80年代以来，人们开始用可控致电离辐射技术例如加速器和X线装置产生的致电离辐射来替代核辐射用于辐照产业，希望最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。但是，目前比较成熟的辐照用电子加速器大多还是用在直接利用电子束进行辐照的化工塑料产业。高能电子束虽然可以在被照物表面形成高辐照剂量，但由于电子射程有限，尽管用扫描技术可以扩大辐照宽度，也只能用于对行进中的一定宽度有限厚度塑料化工材料作表层连续辐照处理。对于需要对较大包装内相当深度的食品保鲜及物品消毒杀菌杀虫等辐照的需求，加速器电子束辐照无法满足和直接使用，用户还得依靠具有强穿透力的Co60伽马辐射装置。

从理论上分析，数兆至数十兆伏级高能电子束在轰击金属靶时能转换为能量数兆至数十兆电子伏的高能X线光子辐射，其转换效率远远高于目前百千伏级的X线发生设备，其产生的X线辐射光子的平均穿透力还远高于Co60的伽马光子穿透能力。但由于和放射性核伽马射线的各向同性辐照不同，也和普通数十千伏百千伏电子产生的X线有较大辐照角分布不同，这种高能X线光子产生后主要部分几乎都朝向与入射电子飞行的方向相接近角度的方向辐射，辐照角度较小，不能简单有效地用于较大包装样品辐照。此外由于所产生高能X线穿透能力极强，设备的辐射防护问题远较电子直线加速器复杂，限于技术发展限制，目前的电子加速器制造商还未能在高能X线辐照系统研发上作出足够的技术投入，使得能够替代高活度Co60核辐照站的高能X线辐照系统的产品至今还未能出现并到达用户手中。而由于环境保护要求，各国都在限制核辐照源装置的进口和出口，这种现状势必影响了辐照技术应用的推广。

本发明就是根据这一技术背景研究产生的。在新型辐照专用透射式直接水冷阳极超大焦点X线管（专利申请号201210302279.X）的思路基础上，发明人把电子束能量提高到10-20兆电子伏，利用目前辐照用电子直线加速器作为高能电子束来源来照射重金属靶材产生高能X线辐射，大大提高X线能量转换效率及光子能量穿透能力以及所形成的辐照剂量强度；把目前电子加速器所采用的一维扫描改为类似电视真空显像管采用的二维扫描，从而获得超大面积的电子束辐照野，配上超大面积透射式X线转换靶，有效解决高能韧致辐射出射角度小，辐照面小的问题。为了充分利用高能X线穿透力强的优势，充分利用穿透样品包后的高能X线辐照能量，设计配套了顺辐照方向伸展的辐照防护室，解决了设备辐射防护问题，并在辐照防护室内配以反复折返式样品传送机构，解决连续辐照状态样品自动进出和样品包装内部辐照剂量均匀性问题，最终形成本发明“电子直线加速器二维扫描高能X线辐系统”，可以有效地替代目前还在广泛使用的以Co60为辐照源的核辐照站。

随着绿色环保意识在全球不断增强，辐照产业在食品中成药及生物制品辐照方面的普遍应用的现状已经对大力发展辐照专用高能X线设备的研发提出了强烈需求，要求最终彻底摆脱对核辐照源的依赖，消除对环境产生放射性核污染潜在威胁。本发明正是解决辐照产业摆脱对放射性核素源依赖的有效新产品。

发明内容

发明目的

本发明提出一种创新的基于辐照用电子直线加速器的高能X线辐照系统及配套辐照防护室自动化样品进出机构结构设计，用于大辐照剂量辐照产业应用，目的是替代现在广泛应用的钴60或铯137放射性核辐照装置，以消除对环境产生放射性核污染潜在威胁，大幅度提高现有核辐照设备的使用效率和处理能力，从而最终彻底摆脱各相关辐照产业对放射性核辐照源的依赖。

技术方案

本发明是通过以下技术方案来实现的：

电子直线加速器二维扫描高能X线辐照系统，包括电子加速器及所附二维扫描偏转线圈磁环、透射式X线转换靶、延伸辐照防护室、横向反复折返式样品传送机构，其特征在于：电子加速器处于水平卧式，其电子束射出口钛窗之前的真空管道外围设置有二维扫描偏转线圈，电子束射出口钛窗外中心轴上一定距离处设有大面积水平方向为长轴的长矩形的且与电子束射出口钛窗面相平行的透射式X线转换靶，电子束射出口钛窗和透射式X线转换靶之间由喇叭形辅助真空防护罩相联；从透射式X线转换靶的位置起，顺电子束中心轴线延伸作为中心轴，设置有内部空间断面为水平方向为长轴的长矩形的延伸辐照防护室；由样品进口传送带、多个样品中继折返传送带、多个样品转向转盘、多个过渡垫片及样品出口传送带组成的横向反复折返式样品传送机构安置在延伸辐照防护室内的底面上，由进口传送带与出口传送带分别通过开在延伸辐照防护室侧壁上的防护室进样口与防护室出样口与外部相联通。

喇叭形辅助真空防护罩外壁由满足辐射防护要求足够厚度的铅及支撑包复铝合金制成，联结并包复电子束射出口钛窗与透射式X线转换靶之间的空间。

透射式X线转换靶靶面与电子束中心轴线相垂直，靶面中心位于电子束射出口钛窗外中心轴上，透射式X线转换靶与电子束射出口钛窗间的距离使得电子束在靶上扫描面积高度等于被辐照样品外包装高度，而扫描面宽度为样品外包装宽度8-10倍；透射式X线转换靶形状为水平方向为长轴的长矩形，面积稍大于所在位置电子束扫描面积，面朝电子入射的一面由略大于入射电子射程的高原子序数纯金属膜片制成，背面由高导热性低原子序数金属材料略大于次级电子射程的厚度支撑，支撑材料通过循环水流冷却或采用直接风冷。

延伸辐照防护室的内部空间断面为水平方向为长轴的长矩形，内断面的宽度及高度分别大于透射式X线转换靶的宽度和高度，从透射式X线转换靶的位置起，顺电子束中心轴线伸展作为中心轴向外伸延，内断面的水平宽度逐渐略微加宽而高度基本保持不变；延伸辐照防护室的各面壁由混凝土建成；在延伸辐照防护室一个侧面壁上靠近透射式X线转换靶位置开设有防护室进样口，与其相距多个样品中继折返传送带的宽度的距离位置的相同面侧壁上还开设有防护室出样口；防护室进样口和防护室出样口的宽度略大于传送带的宽度，高度略高于传送样品的高度。

延伸辐照防护室采用电子束中心轴线低于地表平面以下的半地下设计时，利用天然岩石或土层替代部分壁面厚度。

横向反复折返式样品传送机构由进口传送带、多个样品中继折返传送带、多个样品转向转盘、多个过渡垫片及出口传送带组成，安置在延伸辐照防护室内，分布于整个底面；进口传送带、样品中继折返传送带及出口传送带均相互平行紧密排列，各传送带传送方向都与电子束中心轴线延伸线垂直；各传送带宽度相同，略大于传送样品外包装尺寸，传送带传送面与延伸辐照防护室底面高度相同，各传送带传送线速度由同步电机操控始终保持相同；相邻的传送带传送表面运行方向相反；各样品转向转盘分别交错设置在相邻传送带的两端，联结相邻传送带，样品转向转盘半径略大于传送带宽度，转盘面与传送带传送面基本处于相同平面，转动速度由同步电机操控并始终保持转盘面上半径1/2位置的线速度略快于各传送带传送线速度；过渡垫片的长度和宽度等于传送带宽度，安置在每个传送带端头与转向转盘相衔接处并遮盖一半转盘面，固定于略高于转盘面平面位置。

利用目前化工辐照用10-20兆伏电子直线加速器作为高能电子束来源，照射重金属靶材产生高能X线辐射，大大提高X线能量转换效率及光子能量穿透能力以及所形成的辐照剂量强度。

把目前电子加速器所采用的一维扫描改为类似电视真空显像管采用的二维扫描，通过喇叭形过度真空室，在电子束输出钛窗外足够大距离设置以高原子序数纯金属为靶面材料的透射式X线转换靶，从而获得超大面积的电子束辐照野。所配置的超大面积透射式X线转换靶在高能电子束扫描照射下就成为超大面积朝前方向辐射的高能X线辐射源，有效解决高能电子束产生的韧致辐射X线辐射角度小，辐照场面积小的缺陷。

为了充分利用高能X线穿透力强的优势，充分利用穿透表层样品包后的高能X线辐照能量，设计配套了顺辐照方向伸展的延伸辐照防护室，并在延伸辐照防护室内配以横向反复折返式样品传送机构，解决系统的辐射防护问题和在连续辐照工作状态下需被辐照样品自动进出辐照防护室的问题，以及每个被辐照样品包装内部辐照剂量均匀性问题。使得被辐照样品能够自动连续进入辐照防护室，并在防护室中反复折返运行中反复自传，使被辐照样品能够充满整个辐照室空间，系统的辐射能量得到最大限度的利用。最终形成本发明“电子直线加速器二维扫描高能X线辐系统”。

优点及效果

由于采用上述创新的结构及工作方式，和普通X线辐照机相比，特别是与放射性核辐照源血液辐照机相比，本发明的明显优点和应用效果是：

（1）、辐射转换效率高：按X线辐射物理基本理论，电子束通过重金属靶转换为X射线的能量转换效率大致正比于电子被加速能量及靶材原子序数。所以20兆电子伏加速器，在同样靶材上转换为X线能量的效率要比200千伏X线发射器高100倍。具体说，如果10千瓦的电子束能量功率，用200千伏X线设备总产生X线能量功率约为0.04千瓦，则放在20兆电子伏电子束在同样靶材能产生X线能量功率则可达到约为4千瓦。本发明的采用将会使X辐射转换效率比现有X线辐照机（多数采用160kV管电压）水平大幅度提高。

（2）、射线对样品穿透力大为增强，可利用的辐照场体积增加：按辐射物理基本理论，X射线光子或伽马射线光子对物质的穿透能力取决于光子能量及物质密度组成原子序数，当物质密度及组成原子序数不变时，光子对物质的穿透能力随光子能量增加而增大。而X线辐射光子能量直接由入射电子能量决定，X线能谱连续分布的最大光子能量基本等于入射电子能量，即本发明中产生的X线光子的最大能量为普通X线辐照设备（160千伏等级）产生X线光子的最大能量的100倍以上，也比Co60、Cs137伽马光子能量大10-20倍，所以射线对样品穿透力大为增强，透过前面样品后的X线还保持有相当辐射强度，可利用的辐照场延伸体积比普通X线辐照装置或Co60核辐照源都要大。

（3）、总辐射强度大：由于高能电子束转换为X线的能量转换效率远远高于普通X线设备，再加上，和普通X线源的辐射有较大辐射角度不同，高能X线大都集中沿电子入射方向较小角度向前辐射，所以同样输入的电功率，用在高能电子加速器透射X线靶在样品处得到的X线辐射总强度要远远大于普通X线装置所能产生总辐射强度。即便由于采用扫描方式使单位面积靶发出辐射强度有所减弱，离靶同距离样品所受辐照强度也要比同功率普通X线辐照装置（哪怕采用透射式阳极技术）产生的X线辐射强度大100倍以上，相同电功率下产生的辐照剂量率比现有X线辐照设备大为增高。

（4）、摆脱用放射性核物质带来的一系列环保问题：与目前广泛使用的放射性核辐照设备相比，本发明的推广应用和对其替代，将实现致电离辐射的完全可控及彻底摆脱对放射性核物质的依赖，避免了核放射源的管理运输储存到期更换以及废源处理等等一系列能造成环境放射性核污染的棘手问题，同时也免除了随放射源衰变不断延长辐照时间的麻烦。这对于我们实现绿色环保可持续发展战略具有深远战略意义。

（5）、自动化运转效率高，可实现连续照射下连续进出样自动化操作：本发明在延伸式辐照防护室中配套采用一套以致两套横向反复折返式样品传送机构，解决系统在连续辐照工作状态下需被辐照样品自动进出辐照防护室的问题和每个被辐照样品包装内部辐照剂量均匀性问题。还可能设计建造为能同时进行高低两种辐照剂量样品的同辐照处理的辐照系统，具有在连续照射下两种辐照等级样品进出自动化操作的较强辐照功能和通用性。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

其中：1、电子加速器，2、电子束射出口钛窗，3、二维扫描偏转线圈磁环，4、透射式X线转换靶，5、喇叭形辅助真空防护罩，6、延伸辐照防护室，7、样品进口传送带，8、样品出口传送带，9、样品中继折返传送带，10、样品转向转盘，11、过度垫片，12、防护室进样口，13、防护室出样口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明属于致电离辐射辐照设备的革新，即用可控的专用辐照设计开发的不产生环境放射性核物质污染的高能高效X射线辐照系统来替代目前广泛采用的其辐射不可控的具有对环境产生放射性核污染潜在威胁的放射性核辐照源设备，以保护人类生存环境。

本发明就是针对现有以放射性核为辐照源的核辐照设备以及以工业X线源为辐照源的辐照X线设备所存在的各种不足所做的技术路线变革，为专用高效高强度辐照X线辐照设备设计制造开辟一条全新的技术路线。根据辐射物理原理充分利用现有电子直线加速器的产品技术对现有辐照设备做了四方面实质性改变：

（1）采用目前化工产品辐照用10-20兆伏电子直线加速器作为高能电子束来源，通过照射重金属靶材制成的透射X线转换靶产生高能X线辐射，使产生的X线光子的最大能量为普通X线辐照设备（160千伏等级）产生X线光子的最大能量的100倍以上，也比Co60、Cs137伽马光子能量大10-20倍，电子束能量转换为X线能量的效率要比200千伏X线装置大100倍，产生的X线辐射强度也要大100倍以上。

（2）把目前辐照用电子加速器所采用的一维扫描改为类似电视真空显像管采用的二维扫描，通过喇叭形过度真空室，在电子束输出钛窗外足够大距离设置以高原子序数纯金属为靶面材料的透射式X线转换靶，从而获得超大面积的电子束辐照野的超大面积朝前方向辐射的高能X线辐射源，有效解决高能电子束产生的韧致辐射X线辐射角度小，辐照场面积小的缺陷。

（3）为了充分利用高能X线穿透力强的优势，充分利用穿透表层样品包后的高能X线辐照能量，设计配套了顺辐照方向延伸辐照防护室；

（4）在延伸的辐照防护室中配套采用一套或两套横向反复折返式样品传送机构，使一或两种辐照剂量需求样品分别在一件接一件运行中逐层转动和折返，紧密分布于整个辐照防护室内。解决系统在续辐照工作状态下需被辐照样品自动进出辐照防护室以及每个被辐照样品包装内部辐照剂量均匀性问题，提高系统运行效率。

实施例：

图1为本发明“电子直线加速器二维扫描高能X线辐系统”结构示意图；

由图1可见：电子直线加速器二维扫描高能X线辐照系统包括电子加速器1及所附二维扫描偏转线圈磁环3、透射式X线转换靶4、延伸辐照防护室6、横向反复折返式样品传送机构，其结构特征是：电子加速器1主体处于水平卧式，其电子束射出口钛窗2之前的真空管道外围设置有二维扫描偏转线圈磁环3，电子束射出口钛窗2外中心轴上一定距离处，设有大面积水平方向为长轴的长矩形的且与电子束射出口钛窗2面相平行的透射式X线转换靶4，电子束射出口钛窗2和透射式X线转换靶4之间由喇叭形辅助真空防护罩5相联；从透射式X线转换靶4的位置起，顺电子束中心轴线延伸作为中心轴，设置有内部空间断面为水平方向为长轴的长矩形的延伸辐照防护室6；由样品进口传送带7、多个样品中继折返传送带9、多个样品转向转盘10、多个过渡垫片11及样品出口传送带8组成的横向反复折返式样品传送机构安置在辐照防护室6内的底面上，由进口传送带7与出口传送带8分别通过开在辐照防护室6侧壁上的防护室进样口12与防护室出样口13与外部相联通。

电子加速器1的电子束射出口钛窗2之前的真空管道外围设置有二维扫描偏转线圈磁环3，使被加速后出射高能电子束在水平和垂直两个维度作周期扫描，在电子束射出口钛窗2面上以及到达一定距离外透射式X线转换靶4靶面上都形成均匀辐照强度的水平方向为长轴的长矩形辐照野。喇叭形辅助真空防护罩5外壁由满足辐射防护足够厚度的铅及支撑包复合金铝制成，联结并包复电子束射出口钛窗2与一定距离外透射式X线转换靶4之间的空间，保持该空间的适当真空度避免电子与空气的散射电离碰撞，以减少出射电子能量数量损失，并阻止在透射式X线转换靶4上产生的反射方向X线辐射的泄漏出设备。

透射式X线转换靶4靶面与电子束中心轴线相垂直，靶面中心位于电子束射出口钛窗2外中心轴上一定距离位置，该距离小于被加速电子在喇叭形辅助真空防护罩5中真空度下空气内自由射程，又足够长使得所在位置电子束扫描面积高度约等于与辐照样品外包装高度，而扫描面积宽度为辐照样品外包装宽度8—10倍，接近延伸辐照防护室6内部截面积；透射式X线转换靶4形状为水平方向为长轴的长矩形，面积稍大于所在位置电子束扫描面积，面朝电子入射的一面由合适厚度（略大于入射电子射程）的高原子序数纯金属膜片制成，背面由高导热性低原子序数金属材料合适厚度（略大于次级电子射程）支撑，支撑材料可设计制造为通过循环水流冷却或采用直接风冷。透射式X线转换靶4的靶面高原子序数纯金属层能把扫描入射的高能电子束完全阻止，其部分能量转换为高能X线辐射后，能透过透射式X线转换靶4各层继续以小角度向前辐射，射入延伸辐照防护室6内，实现对室内被辐照样品的稳定连续辐照。

延伸辐照防护室6的内部空间断面为水平方向为长轴的长矩形，内断面的宽度及高度分别大于透射式X线转换靶4的宽度和高度，从透射式X线转换靶4的位置起，顺电子束中心轴线伸展作为中心轴向外延伸，内断面的水平宽度逐渐略微加宽而高度基本保持不变。延伸辐照防护室6的向外延伸长度根据加速器加速电压等级以及设计的样品辐照剂量需求选定。延伸辐照防护室6的各面壁由足够厚度混凝土建成，如果采用电子束中心轴线低于地表平面以下的半地下设计，也可以利用天然岩石或土层替代部分壁面厚度。在延伸辐照防护室6一个侧面壁上靠近透射式X线转换靶4位置开设有防护室进样口12，与其相距多个样品中继折返传送带9的宽度的距离位置的相同面侧壁上，还开设有防护室出样口13。防护室进样口12和防护室出样口13的宽度略大于传送带的宽度，高度略高于传送样品的高度。根据同时辐照不同辐照剂量样品的需求，设计建造时还可以在对图1所示辐照防护室延伸长度的加长情况下，在相应位置侧壁上设置第二组进、出样口，相应配置第二套独立控制传送速度的反复折返式样品传送机构，与前面一套反复折返式样品传送机构同时运行，用于对高低两个等级辐照剂量不同样品的同时辐照，提高系统的使用效率。

横向反复折返式样品传送机构是由样品进口传送带7、六组样品中继折返传送带9、七个样品转向转盘10、十四个过渡垫片11及样品出口传送带8组成，安置在延伸辐照防护室6内，分布于室内整个底面。样品进口传送带7、样品中继折返传送带9及出口传送带8均相互平行紧密排列，各传送带传送方向与电子束中心轴线伸展线垂直。各传送带宽度相同，略大于传送样品外包装尺寸，传送带传送面与辐照防护室底面高度相同，各传送带传送线速度由同步电机操控始终保持相同；相邻的传送带传送表面运行方向相反。样品转向转盘10分别交错设置在相邻传送带的两端，联结相邻传送带，样品转向转盘10半径略大于传送带宽度，转盘面与传送带传送面基本处于相同平面，转动速度由同步电机操控并始终保持转盘面上半径1/2位置的线速度略快于各传送带传送线速度。过渡垫片11的长度和宽度约等于传送带宽度，安置在每个传送带端头与转盘相衔接处并遮盖约一半转盘面，固定于略高于转盘面平面位置。

横向反复折返式样品传送机构的运行方式是：被辐照样品一件挨一件地被进口传送带7通过防护室进样口12送入延伸辐照防护室6，经过渡垫片11、样品转向转盘10使各件样品沿自身垂直轴线自转180度，再经过另一个过渡垫片传送到样品中继折返传送带9，如此过程，通过若干次转向与折返后，最后由出口传送带8通过防护室出样口13把被辐照样品一件挨一件地送出延伸辐照防护室6，使得每个样品包装内的各部分都受到相同的X线辐照量。在稳定的加速器辐照条件下，通过同步调控改变反复折返式样品传送机构中各传送带传送速度及各转盘速度，可以调控受辐照样品受到的X线辐照量。