CN101346034B - 双能或多能静电场电子加速装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明是可以在一只球管中实现的双能或多能静电场电子加速装置及其方法，其装置包括：球管，设置在球管内的阳极，阳极靶，阴极，阴栅极，其特征在于，还包括至少两个阴极聚焦环，以及所述阴极包括至少两个单独的阴极，所述阴栅极包括与所述至少两个单独的阴极一一对应的至少两个阴栅极，所述至少两个阴极聚焦环与所述至少两个单独的阴极一一对应并设置在各自的阴极与所述阳极之间。基于上述本发明的装置，可以实施本发明的方法。本发明的双能控制简便可靠，实现方便，与传统方法相比无需高压大功率开关从而使装置更加可靠耐用。

Description

双能或多能静电场电子加速装置和方法

技术领域

本发明涉及静电场电子加速技术领域，特别涉及双能或多能静电场电子加速技术。

背景技术

静电电场电子加速装置就是在真空中用静电场将带电粒子加速到很高能量的一种装置。静电电场电子加速装置在工业无损检测、海关集装箱检测、CT等领域应用广泛。用静电场加速电子的电子直线加速装置通常由一个阳极(靶极)、一个阴极(由通过加热可以释放电子的灯丝线圈构成)及其它部件组成，阳极(靶极)通常接正高压，阴极(灯丝线圈)接零电位(相对于靶极的高压)。这样在阳极和阴极这两级间有较高的静电电压差，即加速电场。由电流方式加热的灯丝释放的电子在该电场的作用下加速飞向阳极，高压通常为几十KV到几百KV左右。

双能或多能电子加速装置系统是指一台装置可产生两种或多种能量的电子束流的电子加速系统。双能电子加速系统与传统的单能电子加速系统相比，不只是单机所提供的能量的多样化，更大的技术优势在于它能结合新一代探测器系统、数据图像处理系统等来实现对不同的物质材料进行分辨。在传统的工业无损检测、海关集装箱检测、CT等领域应用单能加速器系统只能对物质的形状进行识别，而应用双能加速器系统则可以同时对物质的形状和材质进行识别。因此双能或多能加速系统具有更加广阔的应用前景。

传统的双能静电场电子加速装置一般都采用利用电子开关切换高压的方法实现。这种方式对开关的要求很高，一般需要高压大电流的功率开关。由于该开关工作于高压且较高的功率情况下，开关的寿命直接影响到装置的可靠工作。

发明内容

本发明是完全不同于传统的加速装置及其加速方法的双能或多能静电场电子加速器。

本发明的一个目的是提供双能或多能静电场电子加速装置。

本发明的另一个目的是提供双能或多能静电场电子加速方法。

本发明采用多阴极来实现双能或多能，即对应一个阳极有两个或多个阴极(阴极由能够释放热电子的灯丝线圈构成)，阳极接正高压，各个阴极分别接不同的负电位。这样在阳极和不同的阴极间其静电场的加速电压便不同，工作时通过控制灯丝线圈中的加热电流和相应的阴栅极上的电压来得到不同的加速电子束。

为了达到本发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

1)一种双能或多能静电场电子加速装置，包括：球管，设置在球管内的阳极，阳极靶，阴极，阴栅极，其特征在于，还包括至少两个阴极聚焦环，以及所述阴极包括至少两个单独的阴极，所述阴栅极包括与所述至少两个单独的阴极一一对应的至少两个阴栅极，所述至少两个阴极聚焦环与所述至少两个单独的阴极一一对应并设置在各自的阴极与所述阳极之间。

2)一种双能或多能静电场电子加速方法，包括以下步骤：i)提供如上述技术方案1)的双能或多能静电场电子加速装置；ii)在所述电子加速装置的至少两个阴极的灯丝线圈上提供各自的控制电流，在所述至少两个阴栅极上提供各自的控制电压，以及在所述至少两个阴极聚焦环上提供各自的聚焦电压；iii)调整A)所述各阴极灯丝线圈的控制电流，B)所述各阴栅极的控制电压，以及C)所述各阴极聚焦环的聚焦电压，使得从各阴极发出的、落在阳极靶上的电子束具备不同的能量。

本发明的有益效果：

1.本发明在实现双能或多能时无需采用高压大功率开关，并且阳极、第一阴极、第二阴极等上所加的加速电压均为稳定直流。在不同能量交替工作时只需要交替通断各个阴栅极电压以及灯丝电流这些小功率电源即可，这与采用通过高压大功率开关变换高压切换加速高压的方法相比，设备工作更加可靠，设备寿命将更长。

2.本发明在引入多级加速电压后，还引入了聚焦环以避免某一能量的电子束在加速过程中受其它能量电场的影响，这个聚焦环使各个阴极发射的电子束的会聚效果更佳，使各个电子束最终靶点变小，而且它还可以用来分别调整各个电子束，使其聚焦在一个靶点上。

3.由于各个能量的加速电场均由稳定的直流产生，因而其能量稳定度可以做得更高。

本发明提供了一种可以在一只球管中产生双能或多能电子的方法及相应装置，具有实现方便、双能控制简便可靠、与传统方法相比无需高压大功率开关从而使装置更加可靠耐用的技术效果。本装置可以广泛的用于核技术、社会安全、医疗卫生等领域需要用加速电子产生双能X射线或其它需要双能加速电子的场合。

附图说明

图1是作为本发明的实施例的、举例的双能静电场电子加速装置的基本结构示意图；

图2是增加了靶点调整电极的实施例双能静电场电子加速装置的基本结构示意图；

图3是图2的双能静电场电子加速装置举例的实际供电方式示意图；

图4是作为本发明的实施例的、举例的三能静电场电子加速装置的基本结构示意图。

图5是作为本发明的实施例的、举例的双能静电场加速装置的基本结构示意图，其中该装置带有两个靶点调整电极。

具体实施方式

以下按照附图以举例的方式对本发明进行详细说明。显然，那些与本发明并无直接关联、本领域普通技术人员熟知的内容已经省略。本发明的构思显然不受这些具体描述的限制，因此本发明的保护范围应该由后附的权利要求书确定。

首先结合图1来说明本发明。在图1中，1为阳极，2为阳极靶，3为球管，4为第一阴栅极，5为第一阴极灯丝+端，6为第一阴极灯丝-端，7为第一阴极聚焦环，8为第二阴极聚焦环，9为第二阴栅极，10为第二阴极灯丝+端，11为第二阴极灯丝-端，。很显然，第一阴极灯丝+端5与第一阴极灯丝-端6之间的第一阴极灯丝即是第一阴极；而第二阴极灯丝+端10与第二阴极灯丝-端11之间的第二灯丝即是第二阴极。

在图1中可见，在本实施例中，第一、二阴极与阳极同在球管的中心平面内，但它们也可以放置在球管的不同平面内，这时应保证它们各自的灯丝和阴栅极窗与阳极靶在同一直线上。

在本实施例中，每个阴极均配有一个聚焦环，每个聚焦环均为圆形金属环，放置在与各自电子束相垂直的平面上，其圆心应在各自的电子束与该垂面的交点上，并通过各自的电极与外部提供的聚焦电源相连接。

在阳极1与第一阴极间有加速电场V0-V1，在第一阴极的灯丝中流通有第一灯丝电流I1且第一阴栅极4所接电压允许第一阴极的灯丝释放电子时，从第一阴极的灯丝中释放出的电子穿过第一阴栅极4，在V0-V1电场的作用下加速飞向阳极1，此时第二阴栅极9阻止第二阴极释放电子；在阳极与第二阴极之间有加速电场V0-V2，在第二阴极的灯丝中流通有第二灯丝电流I2且第二阴栅极9允许第二阴极释放电子时，从第二阴极的灯丝中释放出的电子穿过第二阴栅极9，在V0-V2电场的作用下加速飞向阳极1，此时第一阴栅极4阻止第一阴极的灯丝释放电子。在上面的两种情况下，我们在阳极1便得到了能量分别为V0-V1和V0-V2的两种能量的电子。通过控制灯丝电流I1、I2以及第一阴栅极4、第二阴栅极9的电压，我们便可分时地交替得到两种不同能量的加速电子。由于灯丝的加热电压较低，尽管其电流较大，其功率远小于加速电压所用的电源的功率；而阴栅极虽然电压较高，但阴栅极基本上没有电流流过，故其功率也远小于加速电压所用的电源的功率；因此本发明打开或关断这些电源对开关的要求，远低于开关加速电压的实现方法。

本方案中第一阴极的加速电位高于第二阴极的加速电位。由于加速电压是始终存在的，在第二阴极的灯丝上释放的电子将受到第一阴栅极4和第一阴极的灯丝上的电位所产生的电场的影响而偏离预定飞行路径。为解决电场间的相互干扰，本方案引入金属制成的阴极聚焦环。在本实施方案中，该聚焦环包括第一阴极聚焦环7和第二阴极聚焦环8，它们分别设置在阳极靶2与各自相应的阴极之间，以便用于控制飞行电子束在阳极靶上的聚焦。这些阴极聚焦环上所接电位均低于各自阴极的灯丝上所加的加速电位，这样便在各阴极电子束的电子飞行的路径上形成了一个聚焦电场，同时隔离外端电场的影响。通过设定聚焦环的位置及形状，可以使由第一和第二阴极释放的电子经电场加速后打到同一个靶点(即阳极靶上电子束的落点)上。

图2给出了一个使得靶点调整较为方便的实例。

与图1相比，图2增加了一个靶点调整电极。由于聚焦环上接有聚焦电压，而且位置的调整要比电压的调整要复杂得多且不易控制，如果要通过调整聚焦环的位置及形状来使两个靶点完全重合，这个调整工作较为困难。因而我们引入了靶点调整电极12。该电极被安置在使得其电极上的电位对阴极之一发射的电子束的偏转作用非常微小、但却对其它阴极发射的电子束落在阳极靶上的位置有较明显调整作用的适当位置。例如，在本实施例中，该靶点调整电极12安置在第一阴极与阳极靶2上的靶点所构成的直线的延长线上，同时与第一阴极对称地放置在靶点的两侧，因而调整该靶点调整电极12上的电位对第一阴极的电子束的偏移作用非常微小，却可以通过该靶点调整电极12上的电压变化调整第二阴极所发射出的电子束的靶点位置，因而通过调整该靶点调整电极12上的电压便可使第一阴极与第二阴极所发射的电子束的靶点位置精确地重合，而其调整过程也非常方便。

用同样的方法也可以制成3个或多个阴极的球管，从而实现单管3能或多能的技术方案。

图3给出了一个带有举例的实际供电方式的示意图。

图3中较图1增加了一个靶点调整电极，并且还增加了两个变压器，即变压器T1和T2，用以为第一阴极和第二阴极提供加速电压与灯丝加热电流。第一阴极和第二阴极的灯丝两端分别连接为各自供电的变压器T1与T2的次级，同时第一阴极的直流加速电压V1的正极连接在变压器T1次级的一端上，第二阴极的直流加速电压V2的正极连接在变压器T2次级的一端上，这样在第一阴极与阳极1间便建立起了稳定的加速电场，其强度为V0-V1；在第二阴极与阳极1间便建立起了稳定的加速电场，其强度为V0-V2；在变压器的初级我们接入交变的灯丝加热电压(即接至电压可调整的交流灯丝电源)，经变压器耦合，在次级便得到了给第一阴极灯丝加热的第一灯丝电流I1和给第二阴极灯丝加热的第二灯丝电流I2，在第一灯丝电流I1的作用下，电子从第一阴极的灯丝中释放出来穿过栅极被电场V0-V1加速。同理在第二灯丝电流I2的作用下，电子从第二阴极的灯丝中释放出来被电场V0-V2加速。通过控制灯丝电流I1和I2以及第一阴极与第二阴极各自的阴栅极电压，我们可以分时地得到两种能量的电子，这样我们用一个X光管便得到了两种能量的电子。显然，只要按照一定的程序设计来改变各灯丝电流、阴极电压和阴栅极电压，便可实现各种所需要的分时模式的两种能量电子。

用同样的方法也可以制成3个或多个阴极的球管，从而实现单管3能或多能。

图4是一个实现3能的球管的实施方案。在图4中，与图1相比，增加了第三阴极13和靶点调整电极12，并且其中14是第三阴极的灯丝，15是第三阴极聚焦环。

在图4中可见，第一、二、三阴极与阳极1同在球管的中心平面内，当然也可放置在球管上的不同平面内，但应保证它们各自的灯丝、阴栅极窗与靶点在同一直线上。

每个阴极均配有一个聚焦环，每个聚焦环均为圆形金属环，放置在与各自电子束相垂直的平面上，其圆心应在各自的电子束与该垂面的交点上，并通过各自的电极与外部提供的聚焦电源相连接。

靶点调整电极12仍然是一个，可放置在一个阴极(本例中为第一阴极)与靶点的直线的延长线上，与该阴极分别处在靶点的不同侧。由于该靶点调整电极12与第一阴极、靶点在同一直线上，因而调整该电极上的电压对第一阴极的束流的靶点位置影响微小。调整该电极上的电压依次使第二，三阴极的靶点与第一阴极的靶点重合，这样会得到两个调整电压。在工作时，对应于第二，三阴极的束流在该调整电极上分时地加上相应的调整电压，便可使多个束流打到同一点上。同样由于该调整电极仅仅需要一个静电场的电势的调整，因而它几乎没有电流(或是只有很小的电流)。与上面控制阴栅极电源和灯丝电源的方法相同，打开或关断这个电源对开关的要求同样远低于开关加速电压的实现方法。在第二阴极输出束流时，靶点调整电极的输出电压V_调2使第二阴极发出的束流2与束流1(第一阴极的束流)打到同一个靶点。在第三阴极输出束流时，靶点调整极的电压被切换到V_调3，该调整电压使束流3与束流1打到同一个靶点，这样在多能时靶点仍可精确地被定位于一点。V_调2，V_调3可在静态时逐一调整以便确定其电压值，这同样是非常方便的。

图5是带有两个靶点调整电极的实施方案。可以看出，图5所示是当一个观察者面对着附图2中显示的球管时，由阳极方向看过去的视图，其中阳极1就位于该视图所示的球心，两个阴极分别位于球管壁的上、下两端。图5所表示的实例较附图2实例的区别仅仅在于将图2所示实例中的一个靶点调整电极12变成了两个靶点调整电极，即靶点调整电极16和靶点调整电极17。因本实例其余部分与图2所示实例相同，故图5中被遮挡的部分部件没有画出。

由图5可以看出，将一个靶点调整电极变成两个靶点调整电极后，这些调整电极对束流靶点的位置调整不再局限于阳极和靶点以及第一、第二阴极所在的平面内，而是既可以在该平面内调整束流打靶的位置，同时还可以通过调整靶点调整电极16、17的电位使靶点的位置偏离这个平面或是偏回该平面；这样就可以根据靶点调整电极16、17上不同的电压而在一个三维空间内调整束流靶点的位置。当然，靶点调整电极也可以设置3或更多，其调整原理是相同的；具体选择几个靶点调整电极可以根据调试的方便与否以及空间结构是否允许而定。其余的工作方式与图2所示实例相同，这里就不再重述了。

在4个阴极的时候，只是靶点调整极的电压由原来的V_调2，V_调3增加为V_调2，V_调3，V_调4或由原V_调21，V_调22，V_调31，V_调32增加为V_调21，V_调22，V_调31，V_调32，V_调41，V_调42而已。更多的阴极可以按同样的道理类推。

在实际的使用中，我们可以还采用下面的方法去掉一个加速电压而同样得到两种能量的加速电子，即让阴极1的加速电压V1＝0。

此时的加速电场强度分别为，1：V0-V1＝V0-0＝V0；2：V0-V2。这样可以更简便的实现双能，但其原理和上面的方法是一样的。

Claims (15)

1.一种双能或多能静电场电子加速装置，

包括：球管，设置在球管内的阳极，阳极靶，阴极，阴栅极，

其特征在于，

还包括至少两个阴极聚焦环，以及

所述阴极包括至少两个单独的阴极，所述阴栅极包括与所述至少两个单独的阴极一一对应的至少两个阴栅极，所述至少两个阴极聚焦环与所述至少两个单独的阴极一一对应并设置在各自的阴极与所述阳极之间。

2.如权利要求1所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述电子加速装置还包括至少一个靶点调整电极，设置在使该电极上施加的调整电压对所述阴极之一发射的电子束的偏转作用非常微小、但是对其他阴极发射的电子束落在靶点上的位置有较明显的调整作用的位置。

3.如权利要求2所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少一个靶点调整电极是一个设置在所述阴极之一与所述阳极靶的连接线的延长线上的靶点调整电极。

4.如权利要求2所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少一个靶点调整电极包括两个分别在阳极靶与两个阴极所构成的一个平面的两侧的靶点调整电极。

5.如权利要求1、2、3或4所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少两个阴极包括各自的灯丝线圈。

6.如权利要求5所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

还包括与所述至少两个阴极一一对应的灯丝变压器，其初级线圈两端与各自的电压可调整的交流灯丝电源耦合，其次级两端分别与各自的灯丝线圈+端和-端耦合，并且灯丝变压器次级的一端与各自的阴极加速高压源耦合。

7.如权利要求1、2、3或4所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少两个阴极聚焦环包括各自的圆环形金属环，设置在与各自电子束相垂直的平面上，其圆心处在各自的电子束与该垂面的交点上。

8.如权利要求7所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少两个阴极聚焦环包括用于与各自的电压可调整的聚焦电压源耦合的端子。

9.如权利要求2、3或4所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少一个靶点调整电极包括用于与各自的电压可调整的靶点调整电压源耦合的端子。

10.如权利要求1、2、3或4所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少两个阴栅极包括用于与各自的电压可调整的阴栅极电压源耦合的端子。

11.如权利要求1、2、3或4所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少两个阴极与阳极共同设置在球管的中心平面内。

12.如权利要求1、2、3或4所述的双能或多能静电场电子加速装置，其特征在于，

所述至少两个阴极与阳极分别设置在球管的不同平面内，各阴极的灯丝、阴栅极窗与靶点在同一直线上。

13.一种双能或多能静电场电子加速方法，

包括以下步骤：

i)提供如权利要求1的双能或多能静电场电子加速装置；

ii)在所述电子加速装置的至少两个阴极的灯丝线圈上提供各自的控制电流，在所述至少两个阴栅极上提供各自的控制电压，以及在所述至少两个阴极聚焦环上提供各自的聚焦电压；

iii)调整A)所述各阴极灯丝线圈的控制电流，B)所述各阴栅极的控制电压，以及C)所述各阴极聚焦环的聚焦电压，从而使得从各阴极发出的、落在阳极靶上的电子束具备不同的能量。

14.如权利要求13所述的双能或多能静电场电子加速方法，其特征在于，

在所述步骤i)中还包括在该装置中提供至少一个靶点调整电极；

在所述步骤ii)中还包括在所述至少一个靶点调整电极上提供调整电压；

在所述步骤iii)中还包括D)调整所述靶点调整电极的调整电压。

15.如权利要求13所述的双能或多能静电场电子加速方法，其特征在于，

所述调整步骤包括反复进行所述调整步骤。

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