用于大功率辐射均匀度检测的电子束收集器温度场仿真与实验研究

作     者：张格非 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄江

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：辐射加工 电子辐射加速器 束流辐射均匀度 电子束收集器 冷却结构设计 温度场仿真 

摘      要：电子束辐射加工技术具有工艺简单、无残留物、无环保问题等优点,已广泛应用于工业、农业、医疗等领域。在辐射加工应用中,束流辐射均匀度直接决定着产品的加工品质,因而需要被重点检测。目前的辐射均匀度检测装置只能进行小束流的离线测量,制约着辐射加工行业的发展。课题组研发的电子束辐射均匀度实时检测装置,成功实现了辐射均匀度的实时测量,但在大束流应用中,由于加速器束流功率高,为了保证测量的安全稳定,对电子束收集器进行温度场的全面仿真与实验研究需求尤为迫切。本文首先基于蒙特卡洛软件GEANT4对收集器进行打靶仿真,获得不同束流条件下的射程与能量沉积以确定热源的分布与大小。接着基于流体计算软件FLUENT,提出了三种电子束收集器冷却结构方案,对各方案在不同结构参数下进行温度场仿真,选择了冷却效果好、易加工、重量轻的内置冷却通路外接三通管结构。基于该结构进行了不同加速器束流功率条件下稳态温度场仿真,仿真结果表明设计的冷却结构可满足最大150 k W束流功率的辐射均匀度测量的冷却需求。根据可用的加速器实验条件,对6～34 k W束流功率下的收集器温度场情况进行了详细仿真。本文设计了热电偶(接触式)和红外热像仪(非接触式)两种方案对收集器进行温度的实时跟踪和检测。由于热电偶测温位置单一且受加速器电离辐射影响较大,本文重点使用红外热像仪对收集器进行非接触式测温。而收集器表面涂覆的红外发射率涂层对测温准确性至关重要,本文创新性地提出了一种使用电子束辐射固化工艺加工的涂层,适用于电子束收集器表面红外测温。设计了正交实验对涂层相关参数进行优化,对获得最高附着力的涂层进行性能测试。结果显示辐射固化涂层有良好的耐辐射性能,耐温337.8°C,红外发射率在耐辐射测试前后均保持在0.91左右,满足大功率条件下的红外测温需求。设计的收集器辐射固化涂层具有固化耗时短、无有害物质挥发且性能稳定的特点,具备复杂辐射场条件下温度测量应用的潜力。基于仿真优化结果,加工了涂覆有辐射固化涂层的电子束收集器与配套冷却系统,在3 Me V和10 Me V两台电子辐射加速器上进行了稳态和瞬态的测温实验与辐射均匀度检测。实验结果表明:在3 Me V加速器下,束流功率为21.6 k W时收集器尾端的稳态温度为37.9°C,与仿真偏差为1.3%。6～34 k W束流功率时收集器于束下运动三个周期内温度与仿真结果最大偏差为8%。在10 Me V加速器下,10 k W束流功率下无冷却结构收集器运动五个周期的最高瞬态温度与仿真结果偏差为2.3%,实验中装置运行稳定,仿真与实验温度最大偏差为8%,有效支撑了辐射均匀度实时检测装置的运行。测得了一系列的加速器辐射均匀度曲线,成功验证了大功率条件下辐射均匀度检测的可行性。