第一章 绪 论
1.1 论文研究背景
电子束辐照[1]加工技术是利用能量一定的电子束流与物质相作用时所产生的生物效应、物理效应和化学效应，实现消毒灭菌、降解有毒有害物质、改善材料性能和制备新材料等加工目的。电子束加工技术与放射性同位素（如钴-60）释放的 γ 射线加工技术相比具有更高的加工效率、更低廉的运行成本，尤为重要的是无二次污染危害和放射性废源存储、处理问题。由于电子束[2]加工技术具有良好的发展前景，国家发改委、科学技术部、商务部、国家知识产权局在联合下发的《当前优先发展的高技术产业化重点领域指南》中，该技术被列为优先发展的高技术产业化重点项目。同时该技术还可应用于该指南中的众多领域，譬如：农副产品的深加工，水产品的深加工，安全新型饲料的加工，功能性食品的加工，各种植物有害生物的检疫，城市和工业废水与废液的减害处理，功能性有机材料与产品的制造，新型生物材料及产品的制造，无机纳米新材料的制造等。电子加速器[2,3]是产生电子束的装置，其中高能电子直线加速器是电子束加工技术重要技术装备。高能直线电子加速器由功率微波发生系统、电子直线加速系统、电子束流整定系统、电子束流输出系统、电子束流测量系统、冗余安全保护联锁系统、冷却与恒温系统、发生剂量监测系统和多参数控制系统等组成。所涉及技术包括粒子物理、带电粒子加速、微波、功率脉冲、传感器、电子测量、电磁兼容、冷却与恒温、自动控制、计算机应用等领域。其中电子束流测量系统是电子直线加速器的重要组成部分，主要实现加速管输出脉冲电子束流无阻挡、连续在线测量。由于单脉冲电子束流强度和脉冲束流平均值是确定电子直线加速器运行状态关键参数之一，也是在利用高能电子加速器从事电子束加工过程中的关键的工艺参数。因此，脉冲电子束流测量系统的响应速度、测量精度、稳定性、抗干扰能力等性能的水平优劣，成为衡量电子加速器综合技术水平的重要技术参数。目前，国内仅有少数从事电子加速器研究的大学和科研院所开展电子束流测量基础研究与实验验证工作，尚未开发出定型的技术产品，且与发达国家相比仍存在较明显的技术差距。因此，以高能电子加速器实际应用为基本目标，开展综合技术水平先进的脉冲电子束流在线测量系统的研究与设计是一项具有一定学术价值和较好使用价值的工作。
1.2 电子直线加速器技术现状与发展趋势
1.2.1 国内技术现状
我国于 1960 年左右开始电子加速器的基础研发工作，首先从粒子科学基础研究开始，逐渐向各重要领域延伸。在科研和国防需求的推动下，相关加速器的设计与研制工作在专业科研院所和高校列入重大项目。改革开放后，例如兰州重离子加速器，北京正负电子对撞机、上海光源、合肥同步辐射光源等与电子直线加速器相关的重大国家科学工程相继开工并建成运行，上述成果成为我国粒子加速器技术达到国际先进水平的标志。在世界辐照加工行业技术进步的推动下，尤其是随着我国经济建设的快速发展和经济规模急剧扩张，电子束加工的关键装备工业电子加速器的研发工作日益引起重视[3]。众多积累的科研成果纷纷在工业电子加速器上得到应用，其中高能电子直线的设计和制造技术水平不断提高。
第二章 主要研究内容与技术路线
2.1 电子直线加速器基本结构与工作原理
在控制系统的触发时序脉冲（16μs）作用下，以速调管为核心的微波功率源系统输出单脉冲功率为 45MW 的微波脉冲（微波频率 2856MHz），经过波导耦合至加速管内（高真空环境）并建立起稳定的行波场；与此同时，电子枪在脉冲控制高压（时序相同）作用下，输出一初始能量 50keV、持续时间为 16μs 电子束团进入加速管中，在行波场中被逐级加速至 10MeV；加速管输出的电子束经飘移管、刮束器、脉冲电子束流变压器（简称为 BCT）等组成的过渡整形测量段后到达电子束扫描盒上端；电子束在扫描电源作用下经过扫描盒并穿过钛膜（自然环境）形成沿一维方向均匀摆动的电子束，利用该电子束可以实现各种加工目的。10MeV/20kW 的电子加速器（加速器输出电子束的最可几能量 10MeV，额定平均束流功率 20kW）在设定的每秒最高触发脉冲次数为 500 次的条件下，要求平均电子束流必须达到 2mA，才可以保证电子加速器的输出平均束流功率达到 2mA×10MeV=20 kW。此时单脉冲平均束流为 2mA÷500= 4μA，由于脉冲宽度为 16μs，对应的脉冲电子束流强度为 4μA×（106÷16）=2.5×105μA=250mA。
第三章 脉冲电子束流传感器的优化......... 14
3.1 脉冲电子束流传感器的技术原理 ........ 14
3.1.1 脉冲电子束流传感器的结构与基本参数..... 14
3.1.2 基本工作原理......... 14
3.1.3 脉冲电子束流传感器等效电路分析......... 15
3.2 脉冲电子束流传感器的优化设计 ........ 16
3.3 脉冲电子束流传感器的外形与安装 ...... 16
3.3.1 脉冲电子束流传感器的外形......... 16
3.3.2 脉冲电子束流传感器的组装......... 16
第四章 低噪声宽带放大电路的设计......... 18
4.1 主要研究内容与技术指标 ........ 18
4.2 放大电路的设计思路与基本结构 ........ 19
4.3 放大电路主要运算放大器的选择 ........ 21
4.4 放大电路主要电路的设计与分析 ........ 25
第五章 数据采集处理电路的设计..... 28
5.1 主要研究内容与技术指标 ........ 28
5.2 数据采集处理电路的设计思路与结构 .... 28
5.3 数据采集处理电路主要器件的选型 ...... 30
5.4 脉冲电子束流测量系统的硬件设计 ...... 36
结论
本论文的主要研究内容：
在第一章 绪论中，扼要电子直线加速器脉冲电子束流测量系统研究背景、罗氏线圈测量法发展历程、国内电子直线加速器输出电子束流测量技术发展现状、研究目的语研究内容。
在第二章主要研究内容与技术路线中，重点讨论了电子直线加速器脉冲电子束流测量系统的结构及其包括电子束流传感器、低噪声宽带放大电路、数据采集处理系统在内主要技术的研究内容、研究思路和技术路线。
在第三章脉冲电子束流传感器的优化中，以罗氏线圈基本原理为基础上，重点讨论了脉冲电子束流传感器的结构、材料和线圈的绕制。给出一种优化的脉冲电子束流传感器设计方案、主要功能与特性。
在第四章低噪声宽带放大电路的设计中。重点讨论与分析了放大电路的结构，技术参数的确定、芯片的选取，并给出具体设计方案。
在第五章数据采集与处理系统的设计，重点讨论了数据采集处理系统的的结构，技术参数的确定、芯片的选取，并给出具体设计方案和应用软件的主程序流程图。
在第六章脉冲电子束流测量系统的试验验证中，重点对脉冲电子束流测量系统的基本性能进行试验验证，并对相关数据进行分析与讨论。
参考文献
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