CN101513137B - 带有可调节的电子最终能量的回旋加速器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于生成脉冲加速的电子的电子回旋加速器(1)，尤其是用在X射线检测设备中，具有至少一个主磁场线圈(L1，L2)，用于将经过加速的电子射到标靶上的扩张线圈(6)，以及扩张线圈(6)的控制电子器件(7)，用于向扩张线圈(6)施加扩张脉冲，其中扩张线圈(6)的控制电子器件(7)被设计为用于调节电子最终能量的扩张脉冲相对于主磁场的时间点是可变的。

Description

带有可调节的电子最终能量的回旋加速器

技术领域

本发明涉及一种用于生成脉冲加速的电子的电子回旋加速器(Betatron)，尤其是用在X射线检测设备中。

背景技术

在检查如集装箱和车辆的大体积物体中的违禁物品，如武器、炸药或走私货物时，已知的方式是使用X射线检测设备。其中产生X射线并对准物体。被物体减弱的X射线借助于探测器被测量，并且由分析单元进行分析。因此能够推断出物体的属性。例如在欧洲专利文献EP0412190B1中已知一种这样的X射线检测设备。为了更好地区别不同的物质，有利的是用不同能量的X射线连续地对物品进行检测。

为了生成检测所需的能量大于1MeV的X射线，采用了电子回旋加速器。它是粒子回旋加速器，其中电子被注入到抽成真空的电子加速管中，并通过由主磁场线圈产生的增大的磁场在环形轨道上被加速。经过加速的电子被偏转到标靶，它们在击中标靶时产生韧致辐射，此外它的频谱与电子的能量有关。电子的加速周期性地重复进行，从而得到脉冲X射线。

电子例如借助于电子枪被注入到电子加速管中，并且流过主磁场线圈的电流以及磁场强度被增大。通过变化的磁场产生电场，该电场使电子在其半径为r_s的环形轨道上被加速。同时，电子上的洛伦茨力随磁场强度而增大。由此使电子被保持在基本恒定的轨道半径上。当对准环形轨道中心点的洛伦茨力与相反的向心力抵消时，电子在环形轨道上运动。由此得到

条件，即：

$\frac{1}{2}\frac{d}{d_t}<B\left(r_s\right)>=\frac{d}{d_t}B\left(r_s\right)$

其中 $<B\left(r_s\right)>=\frac{1}{\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;r_s^2}\&Integral;{\&Integral;}_{A}B\left(r\right)\mathrm{dA}$

<B(r_s)>对应于通过由半径r_s限定的圆面积的平均磁通量，B(r_s)对应于在该额定轨道半径r_s处的磁通量。

发明内容

为了改善检测结果，希望用不同能量的X射线对待检测的对象进行透视。因此本发明的目的是提供一种用于产生脉冲加速的电子的电子回旋加速器，其中经过加速的电子的最终能量是可调节的。

该任务按照本发明通过权利要求1所述的特征而解决。有利的实施方式在从属权利要求2到9中给出。权利要求10涉及一种应用了本发明所述电子回旋加速器的X射线检测设备。

根据本发明的电子回旋加速器按照权利要求1所述至少由以下部分构成：至少一个主磁场线圈、用于使被加速的电子射到标靶上的扩张线圈(Expansion-Spule)、以及扩张线圈的控制电子器件，用于向扩张线圈施加扩张脉冲。其中扩张线圈的电子控制器件被设计为使得扩张脉冲的调节电子最终能量的时间点相对于主磁场是可变的。这意味着，扩张脉冲的接通时间点与流经主磁场线圈的电流脉冲有关，在时间上是可移动的。通过扩张脉冲的这种可变性能够精确地确定电子何时射向标靶。这样，同时可以确定在注入到电子加速管内和射出之间主磁场对电子施加了多大的能量。这与调节X射线的最大能量是同义的，该最大能量在击中标靶时产生电子。

在本发明的一个实施方式中，扩张脉冲相对于主磁场的时间点是在不同脉冲之间可变的。这意味着，在每个加速周期中，电子的最终能量能够与前面的加速周期无关地被调节。因此得到了以下优点，即在具有本发明所述电子回旋加速器的X射线检测设备中能够在短时间内以不同的射线能量对一个对象进行两次测量。

对扩张脉冲的时间点的自由选择最好通过下述方式进行，即扩张线圈的控制电子器件具有可关断的半导体开关、特别是IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)或者MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。这种类型的开关在大电流的情况下也能够根据控制脉冲快速地、并在任意时刻接通和/或关断。

在有利的方式中，扩张线圈通过半导体开关与一个独立的能量源、如电流源或电压源连接成一个电流回路。电压源例如也可以是电容器或电容器组。如果半导体开关是闭合的，能量源产生流过扩张线圈的电流。在该电流期间，扩张脉冲将电子从其额定轨道偏转到标靶。这种想法本身就意味着能量源尽量与其它能量源、例如用于主磁场的能量源分开。由此实现了扩张线圈的稳定的能源供应，并由此得到精确的、可调节的扩张脉冲。

根据本发明的电子回旋加速器最好具有主磁场线圈的控制电路，该控制电路被设计为使得流过主磁场线圈的电流能够在任意时间点被接通或断开。这样使得当所有电子都击中标靶时，流过主磁场线圈的电流例如最晚被断开。由此避免了当在电子加速管中已经不再存在电子时主磁场线圈仍继续吸收能量，因此电子回旋加速器的功率损耗得以减小。此外，由此还提供了这种可能性，即使得电子并从而使得X射线脉冲的重复频率能够被改变。

在电子回旋加速器中的主磁场线圈的控制电路例如具有蓄能器、两个功率开关以及两个二极管。其中：

-第一功率开关的第一端子与蓄能器的第一端子相连接，

-第一功率开关的第二端子与第一二极管的第一端子相连接，

-第一二极管的第二端子与蓄能器的第二端子相连接，

-第二二极管的第一端子与蓄能器的第一端子相连接，

-第二二极管的第二端子与第二功率开关的第一端子相连接，

-第二功率开关的第二端子与蓄能器的第二端子相连接，

-主磁场线圈的第一端子与第一功率开关的第二端子相连接，

-主磁场线圈的第二端子与第二二极管的第二端子相连接，以及

-功率开关的控制端子与一个控制电子器件相连接。

在此控制电路对应于一个半桥，该半桥由带有一个第一功率开关和一个第一二极管的第一支路以及与第一支路并联的带有一个第二二极管和一个第二功率开关的第二支路组成。主磁场线圈构成在这两个支路之间的桥路。这两个支路的末端与一个蓄能器的端子相连接。

优选的是，该蓄能器的端子与一个电压源相连接。该电压源为该蓄能器充电，并且为控制电路提供电子加速所需的功率。在本发明所述的控制电路中，电压源能够持续与蓄能器相连接，因为蓄能器以不变的极性工作。

在有利的方式中，所述功率开关是可关断的功率半导体，如IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应管)。例如与闸流管不同的是，这种类型的开关不需要费事的接线就能在任意时刻被断开。从而实现了快速的开关时间，这种快速的开关时间保证了流过主磁场线圈的精确可控的电流时间。

蓄能器最好是双极的电容器，如薄膜电容器。这种类型的电容器具有高的电流负荷能力和长的使用寿命。

根据本发明的电子回旋加速器有利地被用在用于物品安全检查的X射线检测设备中。在电子被偏转到例如由钽构成的标靶之前，电子被注入到电子回旋加速器中并被加速。在那里电子产生具有已知频谱的X射线。X射线被指向物品、最好是集装箱和/或车辆，并且在那里例如通过散射或者透射衰减而被改变。改变后的X射线由X射线检测器被测量，并且借助于分析单元被分析。由结果推断出物品的属性或内容。

附图说明

下面借助于一个实施例详细描述本发明。如图所示：

图1电子回旋加速器的一个示意性的剖视图；

图2用于扩张线圈的控制电路，以及

图3用于两个主磁场线圈的控制线路。

具体实施方式

图1示出了电子回旋加速器1的示意性构造的截面。它由旋转对称的内磁轭组成，该内磁轭由以下部分组成：两个间隔设置的部件2a、2b，在内磁轭部件2a、2b之间的四个圆盖3，其中圆盖3的纵轴对应于内磁轭的旋转对称轴，连接这两个内磁轭部件2a、2b的外磁轭4，设置在内磁轭部件2a、2b之间的环形电子加速管5，两个主磁场线圈L1和L2，以及扩张线圈6。扩张线圈6由两个以亥姆霍兹构造组装的、从电学角度看串联连接的部分线圈组成，这些部分线圈被设置在内磁轭部件2a和2b的端侧区域内。这两个主磁场线圈L1和L2从电学角度看同样是串联连接的。

扩张线圈6的中轴与内磁轭的旋转对称轴重叠。由于扩张线圈6的这种设置和大小，由它生成的磁场贯穿一个圆面积，其半径大于圆盖3的半径，并且大致位于电子的额定轨道半径r_s的区域内。

由主磁场线圈L1和L2生成的磁场贯穿内磁轭部件2a和2b，其中穿过外磁轭4的磁力线圆圈是闭合的。内磁轭和/或外磁轭的形状可以由本领域技术人员根据应用情况具体选择，并且可以和图1所示的形状不同。也可以只有一个或多于两个主磁场。其它数量和/或形状的圆盖同样也是可行的。

磁场分布在内磁轭部件2a和2b的端侧之间，一部分穿过圆盖3，其余部分通过一个气隙。电子加速管5被设置在该气隙内。这里电子加速管是被抽成真空的管，电子在管中被加速。内磁轭部件2a和2b的端侧的形状被选择为使得在它们之间的磁场将电子聚焦到一环形轨道上。端面的实现是本领域技术人员已知的，因此不再详细解释。电子在加速过程结束时出现在标靶上，从而产生X射线，此外其频谱与电子的最终能量和标靶的材料有关。

为了进行加速，以一个初始能量将电子封闭到电子加速管5中。在加速阶段期间，电子回旋加速器1内的磁场通过主磁场线圈L1和L2持续上升。由此生成电磁场，该电磁场在电子上施加一个加速力。同时电子由于洛伦茨力被强制进入到电子加速管5内的一个额定环形轨道上。

电子的加速周期性地重复进行，由此得到脉冲X射线。在每个周期内，在第一个步骤中电子被注入到电子加速管5中。在第二个步骤中，电子通过主磁场线圈L1和L2中升高的电流被加速，并进而通过内磁轭部件2a和2b之间的气隙内的增大的磁场在其环形轨道的圆周方向上被加速。在第三个步骤中，对扩张线圈施加扩张脉冲，从而改变

条件，经过加速的电子被射到标靶上，以生成X射线。随后，在新的电子被注入电子加速管5之前可以选择暂停。

图2示意性地并且极度简化地示出了用于扩张线圈6的控制电路7。该扩张线圈6经由能够由控制电子器件8控制的IGBT 9与电压源10相连接。IGBT的开关时间点是任意的，只与控制电子器件8的控制信号有关，因此扩张脉冲的时间点相对于流过主磁场线圈L1和L2的电流可以自由选择。因此使得加速持续时间以及电子最终能量能够在每个脉冲中被调节。

图3示出用于串联连接的主磁场线圈L1和L2的控制电路11。该电路由电容器C、两个LGBT TR1和TR2、以及两个二极管D1和D2组成。第一IGBT TR1和第一二极管D1是这样串联的，即电容器C的第一端子14与第一IGBT TR1的集电极16相连接，第一IGBTTR1的发射极17与第一二极管D1的阴极19相连接，并且第一二极管D1的阳极20与电容器C的第二端子15相连接。第二IGBT TR2和第二二极管D2是这样串联的，即第二二极管D2的阴极21与电容器C的第一端子14相连接，第二二极管D2的阳极22与第二IGBTTR2的集电极23相连接，并且第二IGBT TR2的发射极24与电容器C的第二端子相连接。

IGBT TR1和TR2的基极端子18和25与控制电子器件8相连接。主磁场线圈L1的端子26与第一IGBT TR1的发射极17相连接，主磁场线圈L2的端子27与第二IGBT TR2的集电极23相连接。通过端子12和13，电容器C以及控制电路11能够可选地连接到一个电压源上。

用于扩张线圈6的控制电路7的构造对应于图3中主磁场线圈L1和L2的控制电路11。

在一个加速周期开始时，电子被注入到电子加速管5中，并且控制电子器件8控制IGBT TR1和TR2使其接通。由此，一个升高的电流I在图3中所示的方向上从电容器C出发流过两个IGBT TR1和TR2以及主磁场线圈L1和L2。其中电容器C的能量传递到主磁场线圈L1和L2中，并且电子在电子加速管5中被加速。

在一个与所希望的电子最终能量有关的时间点处，控制电子器件8连接扩张线圈6的控制电路7的IGBT 9，从而使扩张脉冲开始。这样，电子被带离额定轨道并偏转到标靶。当所有电子都射出后，扩张脉冲结束。

一旦控制电子器件8把两个IGBT TR1和TR2重置到不导电的状态，则由主磁场线圈L1和L2生成的磁场再度消除。该消除的磁场产生电流强度下降的电流I，经由二极管D1和D2送至电容器C，直至仍存储在主磁场线圈L1和L2中的能量回流到电容器C中。穿过主磁场线圈L1和L2的电流方向与形成磁场时相同，但是在电容器C处是反向的。

在下一个加速周期开始时，电子被再次注入到电子加速管5中，并且IGBT TR1和TR2接通。如果最终能量例如应小于前一个周期中的能量，则扩张线圈6的控制电路7的IGBT 9更早地由控制电子器件8控制。这导致电子更早地射向标靶。此时电子比前一个加速周期中吸收更少的能量，因此所生成的X射线的最大能量同样更少。

由于较早地出现扩张脉冲，从电容器C流到主磁场线圈L1和L2中的电流I也可以较早地结束。通过时间上接近地切断电流，电子回旋加速器1的能量需求和排出的热损耗减少。

Claims (14)

1.一种用于生成脉冲加速的电子的电子回旋加速器(1)，具有：

至少一个主磁场线圈(L1，L2)；

用于使经过加速的电子射到标靶上的扩张线圈(6)；以及

扩张线圈(6)的控制电子器件(7)，用于向扩张线圈(6)施加扩张脉冲，其中扩张线圈(6)的控制电子器件(7)被设计为使得用于调节电子最终能量的扩张脉冲的时间点相对于主磁场是可变的。

2.如权利要求1所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，扩张脉冲相对于主磁场的时间点在不同脉冲之间是可变的。

3.如权利要求1或2所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，扩张线圈(6)的控制电子器件(7)具有可关断的半导体开关(9)。

4.如权利要求3所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，扩张线圈(6)通过所述半导体开关(9)与独立的能量源(10)连接成一个电流回路。

5.如权利要求1或2所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于具有主磁场线圈(L1、L2)的控制电路，该控制电路被设计为使得流过主磁场线圈(L1、L2)的电流能够在任意时间点被接通或断开。

6.如权利要求5所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，主磁场线圈(L1、L2)的控制电路具有蓄能器(C)、两个功率开关(TR1、TR2)和两个二极管(D1、D2)，其中

-第一功率开关(TR1)的第一端子(16)与蓄能器(C)的第一端子(14)相连接，

-第一功率开关(TR1)的第二端子(17)与第一二极管(D1)的第一端子(19)相连接，

-第一二极管(D1)的第二端子(20)与蓄能器(C)的第二端子(15)相连接，

-第二二极管(D2)的第一端子(21)与蓄能器(C)的第一端子(14)相连接， 

-第二二极管(D2)的第二端子(22)与第二功率开关(TR2)的第一端子(23)相连接，

-第二功率开关(TR2)的第二端子(24)与蓄能器(C)的第二端子(15)相连接，

-主磁场线圈(L1、L2)的第一端子(26)与第一功率开关(TR1)的第二端子(17)相连接，

-主磁场线圈(L1、L2)的第二端子(27)与第二二极管(D2)的第二端子(22)相连接，以及

-功率开关(TR1、TR2)的控制端子(18、25)与一个控制电子器件相连接。

7.如权利要求6所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，在主磁场线圈(L1、L2)的控制电路中的蓄能器(C)的端子与电压源相连接。

8.如权利要求6或7中任一项所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，在主磁场线圈(L1、L2)的控制电路中的功率开关(TR1、TR2)是可关断的半导体开关。

9.如权利要求8所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，在主磁场线圈(L1、L2)的控制电路中的功率开关(TR1、TR2)是IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)。

10.如权利要求8所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，在主磁场线圈(L1、L2)的控制电路中的蓄能器(C)是双极电容器。

11.如权利要求10所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，所述双极电容器是薄膜电容器。

12.如权利要求1所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，所述电子回旋加速器(1)用在X射线检测设备中。

13.如权利要求3所述的电子回旋加速器(1)，其特征在于，所述可关断的半导体开关(9)是IGBT(绝缘栅极双极性晶体管)。

14.一种用于物品安全检查的X射线检测设备，具有如权利要求1至13中任一项所述的电子回旋加速器(1、21)、用于生成X射线的标靶、X射线探测器、以及分析单元。 

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