CN100589676C - 一种电子直线加速器及其使用方法 - Google Patents
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本发明涉及现代物理领域。本发明提出一种具有多档能量调节的电子直线加速器，包括电子枪(11)、加速结构、微波功率源(14)、隔离器(12，17)、励磁电源(101)，其中，加速结构分为两部分，分别通过隔离器连接到功率分配器(13)，从微波功率源(14)获得微波功率；两段加速结构之间由磁铁(18)连接并保持一定的微波相位；通过改变磁铁(18)的磁感应强度，可以改变电子束的轨迹长度，从而使电子束进入后半段加速结构的时间和相位不同，最终输出能量不同的电子束。采用本发明，通过改变电流强度可以容易的实现对电子束能量的控制与调节，从而获得快速的、可调范围大的电子加速器。
Description
技术领域
本发明涉及现代物理领域，具体地涉及一种具有多档能量调节的电子直线加速器。
背景技术
带电粒子在电场中会受力而被加速、提高能量，这是至今为止的电子加速器采用的原理，中性粒子不可能在这样的原理下得到加速。因此，电子加速器定义为利用电磁场加速带电粒子的装置。电子加速器可以加速电子、质子、离子等带电粒子，使粒子的速度达到几千公里/秒、几万公里/秒，甚至接近光速。在放射治疗、医学成像及无损检测等领域中，电子加速器主要应用于放射治疗装置、材料分辨的无损检测成像系统以及其它需要X射线或电子线的应用需求的情况。在这些应用中，电子束能量的可调具有重要意义。特别是在安全检查领域，能够实现不同脉冲间电子束能量的间隔调节，可以部分实现对被检物品的材料识别。
现有的医用电子直线加速器电子能量调节方法主要通过能量开关的机械运动，改变加速腔之间的耦合系数，从而改变加速腔链中的轴上电场分布，实现电子能量的调节。现有的无损探伤电子直线加速器一般通过直接调节脉冲调制器的电压，改变微波功率源输出脉冲功率的大小；以及调节加速管电子枪的阴极高压，改变束流负载等方法，实现电子束能量的改变。这些方法的缺点是都难以大范围地改变电子束的能量，难以实现脉冲间的电子能量的快速调节。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是要克服目前现有技术的缺陷，提出一种可以大范围改变电子束能量、实现电子能量快速调节的电子直线加速器。
(二)技术方案
本发明提出一种电子直线加速器，包括电子枪、加速结构、微波功率源、隔离器和励磁电源，其中电子枪通过隔离器从微波功率源获得微波功率，产生电磁场，发出电子束，电子束通过加速结构加速后输出，其特征在于加速结构分为两部分，分别是横向加速结构和纵向加速机构，通过2个隔离器即横向隔离器和纵向隔离器分别连接到功率分配器，从微波功率源获得微波功率；横向加速结构与纵向加速结构之间由磁铁连接并保持一定的微波相位。
上述的电子直线加速器，一种优选的方案是还包括同步触发控制系统，用于控制微波功率源和励磁电源的同步。
上述的电子直线加速器，其中横向加速结构和纵向加速结构之间的夹角为80°-100°，之间通过磁铁相连。其中一种优选的方案是横向加速结构和纵向加速结构之间的夹角为90°。
上述的电子直线加速器，一种优选的方案是电子束在磁铁中的运动轨迹为α形状。
上述的电子直线加速器，一种优选的方案是电子轨迹长度的变化范围ΔL从0到5cm。
本发明提出的电子直线加速器的使用方法是，通过改变磁铁的磁感应强度，改变电子束的轨迹长度，从而使电子束进入纵向加速结构的时间和相位不同，最终输出能量不同的电子束。
上述的使用方法，其中磁铁的磁感应强度的空间分布，与沿着磁铁北极方向的关系满足Bz(s)＝k·s，其中z表示垂直纸面方向，s代表北极方向的位移量。
上述的使用方法，一种优选的方案是输出的电子束能量通过调节磁铁的磁感应强度实现，电子加速器的其它参数保持不变。
上述的使用方法，一种优选的方案是通过调节磁铁的磁感应强度，使磁感应强度具有大小有两种，电子束进入纵向加速结构时分别对应为两种不同的相位，对应到最终输出的电子束能量有高能和低能两种状态。
上述的使用方法，一种优选的方案是通过调节磁铁的磁感应强度，使磁感应强度具有大小为三种，电子束进入纵向加速结构时分别对应为三种不同的相位，对应到最终输出的电子束能量有三种能量状态。
上述的使用方法，一种优选的方案是通过调节磁铁的磁感应强度，使磁感应强度随时间的变化是周期连续的，电子束进入纵向加速结构时所处的加速相位也连续变化，对应到最终输出的电子束能量为We1-We2到We1+We2连续可调的电子能量，电子束的能量由电子束脉冲与磁感应强度变化的时序决定；其中We1为电子束通过第一段加速结构后获得的能量，We2为电子束通过第二段加速结构后获得的能量。
(三)有益效果
采用本发明，通过改变电流强度可以容易的实现对电子束能量的控制与调节，从而获得快速的、可调范围大的电子加速器，对于放射医疗和无损探测领域具有重大作用。
附图说明
图1为本发明的模块图；
图2为第一种输出的电子能量与磁场强度、相位移动的关系图；
图3为第二种输出的电子能量与磁场强度、相位移动的关系图；
图4为第三种输出的电子能量与磁场强度、相位移动的关系图；
图5为第一段加速结构中电子束的电场强度与加速相位的关系图；
图6为第二段加速结构中电子束的电场强度与加速相位的关系图。
其中，11、电子枪；12、横向隔离器；13、功率分配器；14、脉冲微波功率源；15、横向加速结构；16、纵向加速结构；17、纵向隔离器；18、磁铁；19、电子束运动轨迹；101、同步触发控制系统；100、励磁电源。
具体实施方式
本发明提出具有多档能量调节的电子直线加速器，结合附图和实施例说明如下。以下实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由各权利要求限定。
该发明的装置，除了包括一般电子直线加速器所有的脉冲微波功率源14、电子枪11、隔离器12、加速结构、同步触发控制系统101等外，其中，加速结构分为独立的两段，即横向加速结构15和纵向加速结构16，它们相互接近并呈90度的夹角。横向加速结构15和纵向16的微波功率分别通过横向隔离器12和纵向隔离器17、以及功率分配器13与脉冲微波功率源14相连，并从微波功率源获得微波功率，用于建立加速电子的微波电磁场。两段加速结构之间通过磁铁18连接在一起，电子束在横向加速结构15中加速后，通过磁铁18进入纵向加速结构16，根据电子束在磁铁18中的轨迹长度不同，在加速结构16中得到不同的能量，其中，电子束在磁铁18中的运动轨迹19类似于α的形状，其轨迹长度由磁铁18的磁感应强度决定，磁铁18的磁感应强度由励磁电源100控制。
根据本发明，磁感应强度的空间分布，与沿着磁铁北极方向的关系会满足Bz(s)＝k·s，其中z表示垂直纸面方向，s代表北极方向的位移量。
整个装置由同步触发控制系统101的时序控制，同步触发控制系统101发出的触发脉冲，控制微波功率源14产生微波脉冲，同时控制电子枪11发射电子束脉冲，电子束在加速结构15中加速得到能量We1。这些属于现有技术，本领域技术人员都知道装置的具体情况，在此不做赘述。同步触发控制系统101还控制励磁电源100，使磁铁18中的磁感应强度发生变化。
参照图1、图5、图6。电子束经过横向加速结构15加速后，输出的电场强度和加速相位的关系如图5所示。电子束输入到磁铁18后，电子的运动轨迹19的长度由电子束的能量及磁铁18的磁感应强度决定的，可以表示为L＝f(We，B)。在不同的磁感应强度的B下，电子的轨迹长度发生变化，长度的变化为ΔL＝f(We，B1)-f(We，B2)，电子轨迹长度的变化引起电子在第二段加速结构中的加速相位的变化，具体为
。其中ω0为加速电场的角频率，c为光速。为了调整加速电子的能量的变化范围，从最大值We1+We2到最小值We1-We2，在第二段加速结构中的相位变化范围Δφ应该从0到π，如图6所示。以工作在频率为2998MHz的微波电场为例，电子轨迹长度的变化范围ΔL从0到5cm，这样的变化范围可以覆盖相位变化范围，即Δφ从0到π。
对于磁铁18的磁感应强度B0下，电子束轨迹19满足电子在第一段加速结构中加速得到We1的能量，同时电子束在第二段也处于最佳加速相位，获得最高输出能量，即对应到图6的位置50，使电子束在第二段得到We2的能量。磁铁18的磁感应强度越大，电子的轨迹长度越短，电子达到第二段的时间越早，相位差别越大。对于大于B0的磁感应强度，电子束在第二段中的相位处于类似51的位置；对于小于B0的磁感应强度，电子束在第二段中的相位处于类似52～55的位置。电子束在第二段中处于不同的相位位置，将使其在第二段得到不同的能量，甚至减小其在第一段中得到的能量，如类似于54，或甚至达到最低的输出能量，如55的位置。
对于电子能量输出的调节方案，参照图2，采用二级可调的方案。其中，磁场强度随时间的变化是阶跃的，有2种强度；相应的随着磁场强度的改变，相位移动随时间的变化也是阶跃的，有2种大小；输出的电子能量随时间的变化是脉冲的，也有2种大小，其中低磁场强度对应的相位移动为大于0的值，对应低电子能量；高磁场强度对应的相位移动为0，对应高电子能量。
对于图3的情况，采用三级可调的方案。其中，磁场强度随时间的变化是阶跃的，有3种强度；相应的随着磁场强度的改变，相位移动随时间的变化也是阶跃的，有3种大小；因此输出的脉冲电子能量有3种情况，其中低磁场强度对应的相位移动为接近180度，对应低电子能量；中磁场强度对应的相位移动为0度到180度之间，对应中等的电子能量；高磁场强度对应的相位移动为0度对应高电子能量。
对于图4的情况，采用连续可调的方案。其中，磁场强度随时间的变化是连续的，相应的随着磁场强度的改变，相位移动随时间的变化也是连续的；因此，输出的电子能量的大小也是无级可调的；其中磁场强度的变化和相位移动的变化成反比关系，磁场强度的变化和电子能量的变化成正比关系。
由于通过调节磁铁18的磁感应强度的大小，可以方便的调节电子束在该装置中的得到的能量，而且电子加速器的其他参数，例如微波功率源的功率大小、加速结构中的场强、电子枪的发射流强等参数都基本保持不变，同现有技术中的一般情况。因此，本发明可以实现电子束输出能量的大范围可调，同前所述，可以采用二级可调、三级可调、或者类似的采用多级可调、或无级可调的调解方案。
磁铁18的磁感应强度由线包的电流激励，因此，通过调节励磁电源100中线包的电流强度就可以方便地调节磁感应强度，从而调节装置输出的电子束的能量，而其他参数保持基本不变。
可见，采用本发明，由于电子束的输出能量依赖于励磁电源的电流强度，因此通过改变电流强度可以容易的实现对电子束能量的控制与调节，从而获得快速的、可调范围大的电子加速器。
Claims (11)
1、一种电子直线加速器，包括电子枪(11)、加速结构、微波功率源(14)、隔离器、励磁电源(100)，其中电子枪通过隔离器从微波功率源获得微波功率，产生电磁场，发出电子束，电子束通过加速结构加速后输出，其特征在于加速结构分为两部分，分别是横向加速结构(15)和纵向加速机构(16)，通过2个隔离器即横向隔离器(12)和纵向隔离器(17)分别连接到功率分配器(13)，从微波功率源(14)获得微波功率；横向加速结构(15)与纵向加速结构(16)之间由励磁电源(100)控制其磁感应强度的磁铁(18)连接并保持一定的微波相位；横向加速结构(15)和纵向加速结构(16)之间的夹角为80°-100°。
2、如权利要求1所述的电子直线加速器，其特征在于还包括同步触发控制系统(101)，用于控制微波功率源(14)和励磁电源(100)的同步。
3、如权利要求1所述的电子直线加速器，其特征在于横向加速结构(15)和纵向加速结构(16)之间的夹角为90°。
4、如权利要求1所述的电子直线加速器，其特征在于电子束在磁铁(18)中的运动轨迹(19)为α形状。
5、如权利要求1所述的电子直线加速器，其特征在于电子轨迹(19)长度的变化范围ΔL从0到5厘米。
6、一种如权利要求1所述的电子直线加速器的使用方法，其特征在于通过改变磁铁(18)的磁感应强度，可以改变电子束的轨迹长度，从而使电子束进入纵向加速结构(16)的时间和相位不同，最终输出能量不同的电子束。
7、如权利要求6所述的使用方法，其特征在于磁铁(18)关于沿着磁铁(18)北极方向的磁感应强度空间分布为Bz(s)＝k·s，其中z表示垂直纸面方向，s代表北极方向的位移量。
8、如权利要求6所述的使用方法，其特征在于输出的电子束能量通过调节磁铁(18)的磁感应强度实现，电子加速器的其它参数保持不变。
9、如权利要求6-8之一所述的使用方法，其特征在于通过调节磁铁(18)的磁感应强度，使磁感应强度具有大小有两种，电子束进入纵向加速结构(16)时分别对应为两种不同的相位，对应到最终输出的电子束能量有高能和低能两种状态。
10、如权利要求6-8之一所述的使用方法，其特征在于通过调节磁铁(18)的磁感应强度，使磁感应强度具有大小为三种，电子束进入纵向加速结构(16)时分别对应为三种不同的相位，对应到最终输出的电子束能量有三种能量状态。
11、如权利要求6-8之一所述的使用方法，其特征在于通过调节磁铁(18)的磁感应强度，使磁感应强度随时间的变化是周期连续的，电子束进入纵向加速结构(16)时所处的加速相位也连续变化，对应到最终输出的电子束能量为We1-We2到We1+We2连续可调的电子能量，电子束的能量由电子束脉冲与磁感应强度变化的时序决定；其中We1为电子束通过第一段加速结构后获得的能量，We2为电子束通过第二段加速结构后获得的能量。
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