CN102918933B - 用于交叉多能量操作的磁控管供电的直线加速器 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及用于使用磁控管作为电磁波源的直线加速器的交叉操作的系统和方法，以用于将电子加速至至少两个不同的能量范围。加速的电子可以被使用来生成至少两个不同能量范围的x射线。在某些实施方式中，所述加速的电子可以被使用来生成至少两个不同能量范围的x射线。所述系统和方法被应用于行波直线加速器。

Description

用于交叉多能量操作的磁控管供电的直线加速器
1.技术领域
这里提供了用于使用磁控管作为电磁波源的直线加速器的交叉操作的系统和方法，以用于将电子加速到至少两个不同的能量范围。所加速的电子可以被用来生成至少两个不同能量范围的X射线。
2.背景技术
直线加速器(LINAC)可以被使用于各种应用，包括医疗应用(如放射治疗和影像)和工业应用(如放射线照相术、货物检查和食品消毒)。由LINAC加速的电子束可以被对准到感兴趣的样品或对象以执行期望的过程或分析。但是，在某些应用中优选使用x射线(x-ray)来执行所述过程或分析。例如，由使用行波(TW)LINAC的货物检查设备产生的高能量x射线波束能够用于检查填充的集装箱。这些x射线可以通过将来自LINAC的电子波束对准到x射线发射目标而被生成。
在LINAC中，电子束由耦合至LINAC中的电磁波加速。按照惯例地，速调管可以用作LINAC的电磁波源，因为可以由速调管生成可以对电磁波的频率进行控制的控制。但是，磁控管与速调管相比花费更少，以及可以在尺寸上更紧凑，这可以在很多应用中占有优势。基于来自磁控管的电磁波的频率的改变，而操作由磁控管供电的LINAC以生成处于两个或更多个不同能量处的电子束的输出是很困难的，因为相对有限的控制可以被用于对来自磁控管的电磁波的频率进行控制。
这里公开的系统和方法用于由磁控管供电的LINAC的多x射线能量操作。
3.发明内容
如这里所公开的，系统和方法被提供以用于使用行波直线加速器生成不同能量的高剂量率电子，其中所述行波直线加速器由磁控管供应电磁波。所述系统和方法包括耦合由磁控管生成的第一电磁波至所述加速器；喷射来自电子枪的第一电子束到所述加速器，其中所述第一电子束由所述第一电磁波加速到第一能量范围和以第一捕获的电子束电流输出；耦合由所述磁控管生成的第二电磁波至所述加速器；以及喷射来自电子枪的第二电子束到所述加速器，其中所述第二电子束由所述第二电磁波加速到第二能量范围和以第二捕获的电子束电流输出，其中所述第二捕获的电子速电流的幅度与所述第一捕获的电子速电流的幅度不同，以及所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值不同。
在一些实施方式中，所述第二捕获的电子速电流的幅度与所述第一捕获的电子速电流的幅度相差大约160mA，以及所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值相差大约3MeV。针对所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值之间每个近似1MeV的差异，所述第二捕获的电子速电流的幅度与所述第一捕获的电子速电流的幅度相差大约53mA。所述第二能量范围和所述第一能量范围可以是交叉的(interleaved)。所述第一能量范围的中心值和所述第二能量范围的中心值可以是中值(median)或平均值。
在一些实施方式中，系统和方法还可以进一步包括使用与所述加速器结构的输入与输出接口的频率控制器来监视所述第一电磁波的第一相移，其中所述频率控制器将所述加速器结构的输入处的所述第一电磁波的相位与邻近所述加速器结构的输出的所述第一电磁波的相位进行比较来确定相移，以及基于所述相移传送调谐信号到调谐器。
所述第二捕获的电子速电流的幅度小于所述第一捕获的电子速电流的幅度，以及其中所述第二能量范围的中心值大于所述第一能量范围的中心值。所述第二捕获的电子速电流的幅度大于所述第一捕获的电子速电流的幅度，以及其中所述第二能量范围的中心值小于所述第一能量范围的中心值。
第二电子束的第二脉冲长度比第一电子束的第一脉冲长度长。可替换地，第二电子束的第二脉冲长度比第一电子束的第一脉冲长度短。
所述第一电磁波的频率近似等于所述第二电磁波的频率，以及所述第一电磁波的幅值近似等于所述第二电磁波的幅值。在某些实施方式中，所述第二电磁波的频率可以轻微地不同于所述第一电磁波的频率，如，所述第二电磁波的频率可以与所述第一电磁波的频率相差小于0.002％。
还提供了一种用于从位于由磁控管供应电磁波的行波直线加速器的第一端附近的目标生成位于两个不同的x射线能量范围处的x射线束的系统和方法。电子枪位于所述加速器的与所述第一端相对立的第二端处。所述系统和方法包括耦合由磁控管生成的第一电磁波至所述加速器；喷射来自电子枪的第一电子束到所述加速器，其中所述第一电子束由所述第一电磁波加速到第一能量范围和以第一捕获的电子束电流输出；使处于所述第一能量的所述第一电子束接触所述目标，从而从所述目标生成第一x射线束，所述第一x射线束具有处于第一x射线能量范围内的能量；耦合由所述磁控管生成的第二电磁波至所述加速器；喷射来自电子枪的第二电子束，其中所述第二电子束由所述第二电磁波加速到第二能量范围和以第二捕获的电子束电流输出，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度不同，以及所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值不同；以及使处于第二能量的所述第二电子束接触所述目标，从而从所述目标生成第二x射线束，所述第二x射线束具有处于第二x射线能量范围内的能量。
在一些实施方式中，所述第二x射线能量范围和所述第一x射线能量范围是交叉的。针对所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值之间每个近似1MeV的差异，所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度相差大约53mA。所述第一能量范围的中心值和所述第二能量范围的中心值可以是中值或平均值。
在一些实施方式中，所述方法进一步包括使用与所述加速器结构的输入与输出接口的频率控制器来监视所述第一电磁波的第一相移，其中所述频率控制器将在所述加速器结构的输入处的所述第一电磁波的相位与邻近所述加速器结构的输出的所述第一电磁波的相位进行比较以确定相移，而且所述频率控制器基于所述相移传送调谐信号到调谐器。
在一些实施方式中，所述第二捕获的电子束电流的幅度小于所述第一捕获的电子束电流的幅度，以及所述第二x射线能量范围的中心值大于所述第一x射线能量范围的中心值。可替换地，所述第二捕获的电子束电流的幅度大于所述第一捕获的电子束电流的幅度，以及所述第二x射线能量范围的中心值小于所述第一x射线能量范围的中心值。
第二电子束的第二脉冲长度比第一电子束的第一脉冲长度长。可替换地，第二电子束的第二脉冲长度比第一电子束的第一脉冲长度短。
所述第一频率近似等于所述第二频率，以及所述第一幅值近似等于所述第二幅值。在某些实施方式中，所述第二频率可以轻微地不同于所述第一频率，例如可以与所述第一频率相差小于0.002％。
还提供了一种行波直线加速器，该行波直线加速器包括：加速器结构，该加速器结构具有输入和输出；磁控管，该磁控管耦合至所述加速器结构来提供电磁波到所述加速器结构；电子枪，该电子枪与所述加速器结构的所述输入接口；以及控制器，该控制器与所述电子枪接口。所述控制器传送第一信号以引发所述电子枪喷射第一电子束到所述加速器的输入，其中第一电子束被加速到第一能量范围并以第一捕获的电子束电流输出。所述控制器传送第二信号以引发所述电子枪喷射第二电子束到所述加速器的输入，其中第二电子束被加速到第二能量范围并以第二捕获的电子束电流输出。所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度不同，以及所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值不同。
在一些实施方式中，所述第一能量范围和所述第二能量范围是交叉的。所述行波直线加速器还包括频率控制器，所述频率控制器与所述加速器结构的输入与输出接口，其中所述频率控制器将位于所述加速器结构的输入处的具有第一频率的第一电磁波的相位与邻近所述加速器结构的输出的所述第一电磁波的相位进行比较以检测所述第一电磁波的相移，其中所述频率控制器传送调谐信号到调谐器。
4.附图说明
通过附图中的示例而非限制的形式来说明本发明。
图1A-B示出了行波(TW)直线加速器(LINAC)(图1A)和驻波(SW)直线加速器(LINAC)(图1B)的空载场、波束感应场以及波束负载场。
图2示出了由磁控管供电的LINAC的操作的流程图。
图3示出了TW LINAC的加速结构的剖面图。
图4示出了用于操作由磁控管供电的多能量LINAC的系统的方框图。
图5示出了包括频率控制器的TW LINAC的方框图。
图6示出了耦合至LINAC加速器结构的目标结构的剖面图。
图7示出了在由磁控管供电的LINAC的操作中使用的示例计算机结构的方框图。
5.具体实施方式
这里公开了在多能量操作中使用磁控管作为给TW LINAC的电磁波的源的方法和系统。所述电磁波可以被使用来加速被射入到加速器结构中的电子群束以生成电子输出。这些加速的电子可以被对准到目标以提供高度稳定、高度有效的X射线波束。LINAC可以被调谐到多个不同的能量以提供处于每个不同的能量处的高度稳定、高度有效的电子输出。在交叉操作中，LINAC可以为每个脉冲提供在两个或多个不同的能量之间交替的电子输出。如在如下章节5.1中讨论的，LINAC的操作的能量可以通过改变捕获的电子束电流(在源于电子枪的电子束电流的LINAC的输出附近的测量)而被改变。来自电子枪的电子束的脉冲长度可以被改变以在每个脉冲中维持大致相似的电子剂量或在每个脉冲中维持相似的x射线产出(见章节5.1.2)。
5.1磁控管供电的多能量LINAC
使用磁控管作为LINAC的电磁波的源可以提供与速调管相比的数个优点。例如，磁控管比速调管更便宜。同时，磁控管使用更简单的控制系统，因为其一般不使用外部振荡器或放大器。因此，可以在交叉的多能量操作中使用磁控管作为电磁波源的LINAC与使用速调管的LINAC相比可以提供数个优势。
由于磁控管为振荡器，就频率调谐或操作的功率水平而言其比与速调管(频率和输出功率两者能够使用低功率外部驱动器进行调谐的放大器)相比不太灵敏。也就是说，与速调管相比修改磁控管的频率或功率水平更加困难。这里提供的系统和方法使用波束负载效应来提供来自LINAC的处于不同能量的电子输出，所述LINAC接收来自磁控管的电磁波。在某些实施方式中，所述系统和方法不需要使用磁控管来改变电磁波的频率或功率水平。所述系统和方法可以基本上促成LINAC的不同能量的输出而不修改磁控管的频率或功率水平。
5.1.1波束负载效应
接收来自磁控管的电磁波的LINAC的不同能量输出可以通过改变捕获的电子束电流而通过波束负载效应实现。捕获的电子束电流是在LINAC的输出附近测量到的电子束。捕获的电子束电流的量可以被控制，如通过改变源于电子枪处的电子束电流。捕获的电子束电流典型地具有少于源于电子枪的电子束电流的幅度。例如，捕获的电子束电流可以到达来自电子枪的电子束的大约15％、大约20％、大约25％、大约30％、大约35％、大约40％、大约45％、或到达大约50％或更多。捕获的电子束电流和源于电子枪处的电子束电流之间的差异可以依赖于LINAC的结构且可以被本领域技术人员所容易地确定。此外，对于给定的LINAC而言如何确定捕获的波束电流的量将对本领域技术人员而言是明显的，其中对于源于电子枪的电子束电流的给定量，所述捕获的波束电流的量可以被获得。例如，有经验的从业者可以在源于电子枪处的电子束电流的几个不同级别处操作LINAC和测量相应的捕获的电子束电流。捕获的波束电流可以被位于LINAC的输出附近的监测器所测量。
在波束负载效应中，加速电子束可以在LINAC中感应波束负载场，所述波束负载场具有与耦合到LINAC的来自磁控管的电磁波所施加的加速相对立的相位。也就是，波束负载可以感应作用以减速电子束的波束负载场。波束感应场的幅值随电子束电流单调变化。更高的电子束电流可以感应更高幅值的电场，所述幅值与由耦合到LINAC的来自磁控管的电磁波所施加的加速相对立，以及导致电子束经历更少的加速。更低强度的电磁波以比更高强度的电磁波慢的速率来加速电子群束。波束负载的效应对减小加速电子束的电磁波的幅值很重要。增加电子束电流(以及因此波束负载的效应)至降低输出电子的能量的期望效果是增加的电流可以部分地或全部地补偿由较低能量所产生的较低x射线产出。
因波束负载效应导致的电磁波幅值的改变能够发生在LINAC的加速器结构的聚束腔(buncher cavities)和加速腔两者中。在具有前向波的恒定梯度TW LINAC中的波束负载场的特性在图1A中被示出。图1B示出了在驻波(SW)LINAC中的波束负载场的特性。
图1A示出了在不存在波束负载时TW LINAC中的恒定场E0(水平线)。TW LINAC中的波束感应场的特性是由于波束只与一个前向波同步的原因，而且LINAC的每个单元长度增加大致相等的场增量给那个前向波。所述场增量(不是功率增量)单调增加。输出耦合器与该同步波匹配，以及波束感应场随沿着LINAC的长度的距离Lz而单调变化。如图1A所示，波束感应场E波束感应的幅度随沿着LINAC结构的长度Lz而单调变化，从而在幅值上随着Lz而增加，但是是在负方向上。E波束感应的幅值的单调增加是邻近恒定梯度LINAC结构的聚束区域的合理近似。波束感应场的相位是如此以便减速同步波束以及因此可以近似于与空载场(E0)大概异相180度。因此，波束感应场在幅值上单调变化以及与E0相对立(因此其在图1A中被示为负值)。为恒定空载场E0(水平线)和波束感应场E波束感应之和的波束负载场E波束负载(E波束负载＝E0+E波束感应)在图1A中被示为稳定减小的场，其在Lz＝0处等于空载场以及随增加的Lz而单调减小。
狭义相对论的效果可以被考虑如下。具有1/2MeV动能的电子的速度近似为光速的85％。可以取无限量的能量来加速最后15％的电子以达到光速。1/2MeV的电子能量值可以被确定为电子的非相对论和相对论速度之间的划分线。在其他示例系统中，电子的非相对论和相对论速度之间的划分线可以被确定为大于或小于1/2MeV。图1A中的垂直虚线可以充当电子达到相对论速度时的分界线。在一种实施方式中，电子速度在1/2MeV(相对论区域)之上对波束的能量不太敏感。因此，相对于9MeV，电子束滞后于6MeV的电磁波峰值出现在最初的1/2MeV加速中。
如果能量的差异完全由波束负载所引起，则在TW LINAC中最初的1/2MeV中的场差异(在空载场和波束负载场之间)可以非常的小(由图1A中的阴影部分所标识)。作为结果，相移可以很小，因此，波束负载效应可以在TW LINAC中产生更小的相位误差。如果频率被调整以使高能量波束超前于电磁波峰值的量大约与低能量滞后于该峰值的量相同，则两个波束都可以离峰值足够的近以提供具有合理频谱和稳定性的电子输出。从TW LINAC的输入端到输出端的电磁波的相移的修正以及TW LINAC现对于行波电磁波的峰值来布置电子束的操作在未决定的美国非临时申请No.12/581,086中公开，其作为参考在这里整体被引用。
图1B示出了SW LINAC中波束负载场的特性。在示例性SW LINAC中，存在与波束同步的两个波：(1)前向波，在该前向波中从(LINAC结构的)一个腔到另一腔几乎没有与波束相关的相移，以及(2)后向波，在该后向波中从一个腔到另一腔大概有与波束相关的2nπ(其中n为整数)的相移。波束将前向波和后向波等价地励磁，以及因此励磁与空载场近似异相180°的(波束负载的)驻波。如图1B所示，波束感应场E波束感应为负值(其减速波束)和具有随沿着LINAC结构的长度Lz的恒定幅度。波束负载场为恒定空载场E0(水平线)和波束感应场E波束感应之和(即E波束负载＝E0+E波束感应),该波束负载场在图1B中被示为大致恒定的场，即在Lz＝0处和随着Lz增加具有大致相同的值的场。因此，在SW LINAC中，处于可以被认为是非相对论区域的最初1/2MeV中的波束负载场与SW LINAC结构中的剩余近似相同。SW LINAC中的波束负载效应可以在最初1/2MeV中产生更大的相位误差。注意，本发明的实施方式使用TW LINAC，而非SW LINAC。
5.1.2操作由多能量磁控管供电的LIANC的系统和方法
操作TW LINAC的系统和方法被提供，所述TW LINAC使用从磁控管接收的电磁波来加速电子以使所述TW LINAC提供处于两个或多个不同能量处的电子输出。
图2示出了使用从磁控管接收的电磁波来加速电子的TW LINAC的示例操作中的步骤流程图。在图2的步骤20，由磁控管生成的第一电磁波被耦合至LINAC的加速器结构。在步骤22，电子枪向LINAC的加速器结构的输入射入来自电子枪的第一电子集(其可以例如通过应用第一枪电流命令到电子枪而被获得)。第一电子集通过使用由磁控管生成的电磁波而被加速到第一输出能量范围，以及以第一捕获的电子束电流输出。在步骤24，由磁控管生成的第二电磁波被耦合至LINAC的加速器结构。在一示例中，第二电磁波可以具有与步骤20的第一电磁波大致相同的频率和幅值。在另一个示例中，第二电磁波可以具有与步骤20的第一电磁波的第一频率轻微不同的第二频率，如，该不同小于第一电磁波的第一频率的0.002％。在步骤26，电子枪将第二电子集(其可以例如通过应用第二枪电流命令到电子枪而被获得)射入到加速器结构的输入。第二枪电流可以与第一枪电流不同。第二电子集通过使用由磁控管生成的电磁波而被加速到第二输出能量范围，以及以第二捕获的电子束电流输出。第二捕获的电子束电流可以与第一捕获的电子束电流不同。当第二枪电流与第一枪电流不同时，或当第二捕获的电子束电流与第一捕获的电子束电流不同时，第二电子输出能量范围的中心值(如，均值或中值)可以与第一电子输出能量范围的中心值(如，各自的均值或中值)不同。如果第一和第二电子输出能量范围的中心值相差大于大约1％幅值、大于大约2％幅值、大于大约5％幅值、大于大约10％幅值或更多，则第一和第二电子输出能量范围的中心值是不同的。在LINAC的操作期间步骤20-26可以被重复数次。
例如，在交叉操作中，LINAC可以被操作以在两个不同的电子输出能量范围之间循环。例如，LINAC可以被操作以针对每个脉冲而在大约6MeV和大约9MeV之间交替，且从一个脉冲到另一个脉冲，第二捕获的电子束电流(其可以通过应用第二枪电流命令到电子枪而被获得)与第一捕获的电子束电流(其可以通过应用第一枪电流命令到电子枪而被获得)不同。在另一个示例中，在LINAC可以针对附加的多个脉冲而被操作(其中电子枪为附加的多个脉冲中的每个脉冲提供第二捕获的电子束电流且第二电子集中的每个电子被加速到第二输出能量范围)之前，LINAC可以针对多个脉冲而被操作，其中电子枪为多个脉冲中的每个脉冲提供第一捕获的电子束电流且第一电子集中的每个电子被加速到第一输出能量范围。也就是说，LINAC也可以被操作以提供处于第一能量的多个脉冲，以及之后被插值以提供处于第二能量的多个脉冲。
对于期望能量的操作，第二捕获的电子束电流可以与第一捕获的电子束电流相差固定幅度的电子束电流。也就是说，根据第一电子输出能量范围的中心值和第二电子输出能量范围的中心值之间的能量差异，示例LINAC的能量可以被改变固定的量。在一示例中，两个不同操作能量的大约为3MeV的输出能量差异可以被获得，如果来自第一电子输出的第一捕获的电子束电流的幅度与来自第二电子输出的第二捕获的电子束电流的幅度相差大约为160mA。
来自第一电子输出的第一捕获的电子束电流的幅度与来自第二电子输出的第二捕获的电子束电流的幅度的差值可以取决于LINAC结构的长度和LINAC结构的分路阻抗，以及在一些实施方式中，可以比大约160mA高或低。例如，第一捕获的电子束电流与第二捕获的电子束之间160mA的幅度差异可应用到具有大约0.5m长度的X波段TW LINAC。捕获的波束电流可以达到来自电子枪的电子束的大约15％、大约20％、大约30％、大约35％、大约40％、大约45％、或达到大约50％或更多。
在一实施方式中，丢失的电子束(即，电子束的未被捕获的那部分)可能对波束负载效应没有太多贡献。在这个示例中，如果大约为25mA的捕获的电子束电流提供大约9MeV的输出能量，则大约为185mA的捕获的电子束电流提供大约6MeV的输出能量。如果LINAC以输出能量的中心值大约为7.5MeV的第三能量范围被操作，则捕获的电子束电流将大约为105mA。
磁控管可以被配置成运行在对LINAC的每个不同操作能量的能量频谱进行优化的单频处。例如，LINAC可以被操作在交叉的大约9MeV和6MeV处，其中磁控管以单频进行操作且从一个脉冲到另一个脉冲生成就大致相同功率幅值的电磁波。在另一个示例中，仅通过用以单频进行操作和从一个脉冲到另一个脉冲生成具有大致相同功率幅值的电磁波的磁控管来改变捕获的电子束电流，LINAC可以被操作在大约8MeV和5MeV处和良好频谱可以在两个能量处被获得。
在LINAC被操作来加速第一电子束到第一能量范围以及第二电子束到第二能量范围以及第二能量范围的中心值比第一能量范围的中心值大的实施方式，第二捕获的电子束电流的幅度将小于第一捕获的电子束电流的幅度。第二捕获的电子束电流可以比第一捕获的电子束电流低，例如，大约为2、3、4、5、8、10或更多的因子。因此，在步骤22，第一枪电流被应用到电子枪以喷射来自电子枪的第一电子集到LINAC的加速器结构的输入。在步骤26，比第一枪电流低例如大约为2、3、4、5、8、10或更多因子的第二枪电流被应用到电子枪以喷射来自电子枪的第二电子集到LINAC的加速器结构的输入。在这一实施方式中，来自两个不同操作能量的x射线输出可以被维持在相似的x射线强度(在检测器处)。也就是说，应用到电子枪的第二枪电流的幅度可以被设置成使碰撞目标的第二捕获的电子束电流产生与从碰撞目标的第一捕获的电子束电流(与应用到电子枪的第一枪电流有关)所获得的x射线剂量大致相同剂量的x射线的值。
在另一个示例中，对于不同的操作能量，从一个脉冲到另一个脉冲，来自电子枪的波束脉冲长度可以被改变来维持大致相同的电子束电荷，或可替换地大致相同的x射线产出。也就是说，在步骤22，电子枪喷射来自电子枪的具有第一脉冲长度的第一电子集进入LINAC的加速器结构的输入。在步骤26，电子枪喷射来自电子枪的具有第二脉冲长度的第二电子集进入LINAC的加速器结构的输入。在第二电子输出能量范围具有比第一电子输出能量范围高的能量中心值的实施方式中，第二脉冲长度可以比第一脉冲长度长例如大约为2、3、4、5、8、10或更多的因子。脉冲长度的改变也可以被用来将来自两个不同的操作能量的x射线剂量维持在大致相似的x射线强度(在检测器处)。
在示例中，LINAC可以以9MeV、6MeV以及3MeV之间的交叉操作进行操作，如用于货物检查，在该货物检查中，在9MeV和6MeV之间交叉来检测高原子量(Z)物体，所述高原子量(Z)物体可以是可裂变材料或放射性材料的屏蔽，以及在6MeV和3MeV之间交叉来检测低Z易爆材料。在这两个能量交叉的操作中的每个操作中，来自用于提供处于更低能量的电子输出的电子枪的电子束的脉冲长度可以比来自用于提供处于更高能量的电子输出的电子枪的电子束的脉冲长度高例如大约3、4、5或甚至达到大约10的因子。两个输出操作能量的这种不同的脉冲长度可以引发检测器处具有大致相似x射线强度的x射线。例如，对于操作以提供处于6MeV和9MeV的电子输出的LINAC，其可以在6MeV操作处花费大约3倍更多的电子来提供与在9MeV操作处的电子所提供的大致相同的x射线产出。作为另一个示例，对于操作以提供处于3MeV和6MeV的电子输出的LINAC，在3MeV操作处其可以使用大约6倍更多的电子来提供与在6MeV操作处的电子所提供的大致相同的x射线产出。在另一示例中，在双能量操作中的每一个操作中，其中LINAC的低能量操作得到的捕获的波束电流比更高能量操作的捕获的波束电流高大约160mA，脉冲长度的差异可以较小，如稍微大于1的因子、达到大约2、或达到大约3的因子，来使两个能量的x射线产出相等。
每脉冲的x射线剂量还可以通过改变在相同方向中的每个能量波束的电流同时维持不同的操作能量之间的捕获的电子束电流之间的恒定差异而被控制。也就是说，在在大约为160mA的捕获的电子束电流的差异情况下大约3MeV的输出能量差异被获得的特定示例中，第一捕获的电子束电流和第二捕获的电子束电流可以都被增加或减小大体上相同的量以维持两个值之间的相同差异。
简化的控制系统可以与这里公开的系统和方法一起使用，来控制脉冲之间电子枪电流的改变，其还可以被用来控制捕获的电子束电流。简化的控制系统可以被使用来控制从脉冲到脉冲的波束脉冲长度。也就是说，在一示例系统中，一个或多个控制单元可以与磁控管、电子枪以及LINAC结构接口。与磁控管接口的一个或多个控制单元可以发布一个或多个命令来引发磁控管生成给LINAC的第一和第二电磁波(分别见图2的步骤20和24)。与电子枪接口的一个或多个控制单元可以发布一个或多个命令来引发第一枪电流和第二枪电流被施加给电子枪，和来引发电子枪喷射第一电子集和第二电子集到加速器结构(分别见图2的步骤22和26)。
5.2磁控管
磁控管作为高功率振荡器来生成持续几微秒以及每秒几百个脉冲的重复率的电磁波(通常为微波)脉冲。在每个脉冲内的电磁波的频率可以典型地为3000MHz(S波段)或大约9000MHz(X波段)。对于非常高峰值电流或高平均值电流，可以使用800至1500MHz(L波段)脉冲。磁控管可以是本领域技术人员认为适合的任何磁控管。例如，可以使用CTL X波段脉冲的磁控管，型号为PM-1100X(L3通信应用技术公司，加拿大维尔市)。
典型地，磁控管具有圆柱形结构，具有在中心配置的阴极和外阳极，其中谐振腔由固体铜片机械加工而成。中心配置的阴极和外阳极之间的空间可以被排空。阴极可以由内部灯丝加热；电子由热电子发射而被生成。静态磁场可以被垂直施加到空腔的剖面的表面(如，垂直于脉冲的DC电场)，以及在阴极和阳极之间施加脉冲的DC电场。从阴极发射的电子可以通过脉冲的DC电场的作用和在磁场的影响下向着阳极加速。因此，电子可以以复杂的螺旋运动向谐振腔移动，从而引发它们以位于电磁频谱的微波区域内的频率来辐射电磁辐射。生成的微波脉冲可以经由传输波导被耦合到加速器结构。
磁控管可以以1或2MW的峰值功率输出进行操作来为低能量LINAC(6MV或更少)供电。磁控管可以相对的便宜和能够被制作简洁，这些是其用于许多应用的优势。持续波磁控管设备可以在1GHz处具有高达100kW的输出功率，并具有大约百分之75-85的效率，而脉冲的设备可以以大约百分之60-77的效率进行操作。磁控管可以被使用在单部分低能量直线加速器中，所述直线加速器对相位不敏感。反馈系统可以与磁控管接口来稳定电磁波输出的频率和功率。
5.3TW LINAC的结构
这里公开的系统和方法可应用到TW LINAC。图3示出了TW LINAC的示例加速结构。
图3示出了前向波TW LINAC结构的示例剖面图。在一种实施方式中，加速结构301具有圆柱形剖面。TW LINAC包括加速结构301，该加速结构301具有纵向通道300和多个空腔302、304，所述多个空气沿着加速结构的中心钻孔放置并被横向面板306分开。横向面板306可以是金属盘。每个横向面板306具有中心孔307，所述中心孔307沿着加速结构301的纵轴对齐以形成通过加速结构的中心的纵向通道300。电磁波通过这些中心孔被耦合。本领域技术人员将认识到，行波LINAC可以具有至少5个、至少10个、至少15个、至少20个、至少25个、至少30个、至少35个、至少40个或更多个空腔。在加速结构301具有圆柱形剖面的示例性实施方式中，横向面板306可以是圆盘。
在操作期间，电磁波从输入波导310被馈送到加速结构301中。电磁波流向电子束的下游和在通过加速结构301的一个通道之后被耦合到波导312中。在TW LINAC的操作中，射入到TW LINAC的纵向通道300的输入孔316中的电子束被沿着纵向通道300的电磁波所加速和从输出孔318被发射。在使用x射线辐射的应用中，发射的电子束能够被对准到x射线目标(未示出)。X射线的生成和目标的示例在如下章节5.5中讨论。
5.4LINAC操作系统
图4示出了示例性多能量LINAC 34和操作系统组件的方框图。示出的用于LINAC的操作系统包括控制接口，通过该控制接口用户可以调整LINAC的设置、控制LINAC的操作等。控制接口可以与被连接到信号背板的可编程逻辑控制器(PLC)和/或个人计算机(PC)通信。信号背板可以基于从所述PLC、PC和/或控制接口接收到的指令来提供控制信号到LINAC的多个不同组件。
控制器431(控制单元)接收来自信号背板的调谐控制信息。控制器431可以与磁控管432、电子枪433、和/或LINAC 434的一个或多个其他组件接口。在图4中所示，LINAC 434是控制器431与输入波导435和输出波导436接口的TW LINAC。
波导435耦合磁控管432到LINAC 434的输入。波导435包括波导耦合器和真空窗。波导435携带由磁控管432生成的高功率的电磁波(载波)到LINAC 434的加速器结构。波导435的波导耦合器取样电磁波功率的一部分到LINAC的输入。包括波导耦合器和真空窗的波导436耦合LINAC 434的加速器结构的输出到RF负载。波导435或波导436可以是矩形或圆形的金属管，其被配置成最佳地引导处于用来在LINAC中加速电子的频率中的波而在强度上没有重大损失。金属管可以是低Z、高导电性的材料，例如铜。为了提供可能具有接近最大输入功率的最高场梯度，波导可以被填充有SF6气体。作为替换地，波导可以被排空。
真空窗允许高功率电磁波进入到LINAC 434的输入，同时将LINAC 434的排空的内部和其填充气体或排空的外部分开。
枪调制器437控制将电子射击到LINAC 434中的电子枪(未示出)。电子枪可以是本领域技术人员认为合适的任何电子枪，例如，L3的型号M592(L3通信电子器件公司，加拿大圣卡洛斯)可以被使用。枪调制器437接收来自信号背板的栅格驱动级和电流反馈控制信号信息。枪调制器437还进一步接收来自信号背板的枪触发脉冲和延迟控制脉冲以及枪加热电压和HV级控制。枪调制器437通过指示电子枪何时和如何射击(如，包括使用的重复率和栅格驱动级)来控制电子枪。枪调制器437可以引发电子枪来以脉冲重复率射击电子，所述脉冲重复率与由磁控管432供应的高功率电磁波(载波)的脉冲重复率相对应。与枪调制器437或电子枪接口的一个或多个控制器可以提供指令来引发电子枪传送波束电流到加速器，或确定电子的射入的脉冲长度。
示例电子枪包括阳极、栅格、阴极和灯丝。灯丝被加热来引发阴极释放电子，所述电子被加速以高速从阴极离开并去向阳极。聚焦电极和阳极可以聚集射出的电子的流成受控直径的波束。栅格可以置于阳极和阴极之间。
电子枪被聚束器所跟随，所述聚束器位于电子枪后面以及典型地集成在LINAC 434的加速结构内。在一种实施方式中，聚束器由LINAC 434的加速结构的第一少数单元组成。聚束器将由电子枪射击的电子塞进群束中和产生初始的加速。群束被实现，因为电子接收来自电磁波的更多能量(更多加速)，这取决于他们离电磁波的峰值有多近。因此，在更高的电磁波上前进的电子追上在较低的电磁波上前进的较慢电子。聚束器将由磁控管432提供的高功率电磁波施加到电子群束上以实现电子群束和初始的加速。
高功率电磁波被射入经由波导435来自磁控管432的LINAC 434。将被加速的电子由电子枪射入到LINAC 434。电子进入LINAC 434和被典型地群束在LINAC 434的第一少数单元(其可以包括聚束器)中。LINAC 434是真空管，该真空管包括通过虹膜分开的调谐空腔序列。LINAC 434的调谐空腔由导电性材料(如铜)绑定，以避免高功率电磁波的能量从LINAC 434中辐射离开，和用于形成高纵向电场位于加速器结构的轴上的传播模式。
在LINAC的第一部分，每个连续的空腔比之前的空腔长，以计算增加的粒子速度。典型地，在大约第一打单元之后，电子达到光速的大约98％以及余下的所有单元长度相同。基本的设计标准是电磁波的相速度与在加速(但不是群束)发生的LINAC 434中的空腔的位置处的粒子速度匹配。
一旦电子束已经由LINAC 434加速，该电子束就可以瞄向目标，如钨目标，所述目标可以被置于LINAC 434的末端。由电子束对目标的碰撞生成x射线束(在如下章节5.5讨论)。在电子撞击目标之前，通过使用如上述章节5.1.1中讨论的波束负载效应，电子可以被加速到不同能量。在交叉操作中，电子可以被交替地加速到两个或更多个不同的输出能量，如，到大约3MeV、到大约6MeV和到大约9MeV。
对于TW LINAC，为了实现轻重量和紧凑的尺寸，TW LINAC可以被操作在X波段中(如，在8GHZ和12.4GHz之间的RF频率处)。对于给定数量的加速空腔，相对于常规S波段LINAC的高操作频率可以减少LINAC 434的长度，近似为因子3，使得同时减少了质量和重量。结果，TW LINAC的组件可以被封装在相对紧凑的组装中。作为替换地，TW LINAC可以操作在S波段。这样的TW LINAC需要更大的组装，但可以使用商用的高功率电磁波源提供更高能量的X射线束(如，达到大约18MeV)。
聚焦系统438控制围绕在LINAC 434周围的强大的电磁体。聚焦系统438接收来自信号背板的电流级控制，以及控制聚焦线圈的电流水平来聚焦电子束，所述电子束在LINAC 434中通过。聚焦系统438被设计来聚焦波束以将电子聚集到特定直径的波束，所述特定直径的波束能够打击小区域的目标。波束可以通过控制被供应到电磁体的电流而被聚焦和对齐。在示例中，聚焦电流可以保持脉冲之间的恒定，以及电流可以被维持在允许电磁体大致为每个不同的操作能量来聚焦波束的值。
六氟化硫(SF6)控制器439接收来自背板的压力控制信息和可以控制SF6气体的量(如，处于特定的压力处)，SF6是介质气体和绝缘材料并能够被泵送到波导435和436中。SF6控制器接收来自背板的压力控制信息和使用接收到的信息来控制被供应到波导的SF6气体的压力。SF6气体可以增加可以通过波导435和436传送的峰值功率的量，和可以增加LINAC的额定电压。
真空系统440(如，离子泵真空系统)可以被使用来维持在磁控管432和LINAC 434中的真空，和来报告电流真空级(压力)至信号背板。真空系统还可以被用来在波导435和436的部分中生成真空。
冷却系统/温度控制单元441可以被使用来监测系统的一个或多个组件的温度和来控制冷却系统以维持这些组件的恒定温度。例如，冷却系统可以循环水或其他冷却剂到需要被冷却的区域，如磁控管432和LINAC 434。LINAC和磁控管的金属的温度在LINAC被以高重复率操作时可以上升10℃，这会导致电磁波的漂移。例如，当LINAC改变温度时，磁控管振荡频率必须被调谐以保持LINAC的输入与输出之间的RF相位差异恒定。
图5示出了TW LINAC系统的实施方式的方框图，其中TW LINAC系统包括磁控管502、与磁控管502接口的调谐器504、频率控制器506、电子枪508以及加速器结构510。频率控制器506可以被使用来测量相对于邻近输入耦合器的电磁波的相位的邻近输出耦合器的电磁波的相位。在图5中所示，频率控制器506包括控制器和相位比较器。频率控制器506的相位比较器可以比较加速器结构510的输入(P1)处的电磁波和加速器结构510的输出(P2)处的电磁波以及提供相移的测量(ΔΡ)到频率控制器506的控制器。
对于LINAC的不同操作能量，通过使用这个信息，频率控制器506可以被用来将通过LINAC的相移维持在相同设置点处。具体来说，频率控制器506可以传送信号到调谐器504来调谐磁控管，以将电磁波的相移维持在所述设置点处。例如，如果测量到的第一电磁波的相移(在第一频率处生成)没有位于设置点处，则频率控制器506可以传送信号到调谐器504来调谐磁控管以生成处于修改的频率上的第二电磁波(即，第二频率不等于第一频率)来引发第二电磁波的相移更接近于设置点。第一频率和第二频率不同，如果他们在幅度上相差大于.001％，在幅度上相差大于.002％，或更多。如果测量到的第一电磁波的相移(在第一频率处生成)是处于设置点处，则频率控制器506可以传送信号到调谐器504以使磁控管生成与第一电磁波处于大致相同的频率上的第二电磁波。例如，如果他们相差小于0.001％，则第一频率和第二频率可以是大致相同的频率。也就是说，在P1和P2之间的相位差异的测量可以在需要时引发磁控管被调谐以改变其操作频率，从而维持通过加速器结构的电磁波的特定的相移。
因此，从频率控制器506到磁控管的信号可以最终导致将通过加速器结构的电磁波的相移维持在设置点处，这基于由频率控制器检测到的相移的幅度。在非限制示例中，频率控制器可以是自动频率控制器(AFC)。在图5中所示的包括控制器和相位比较器的频率控制器被示为集成单元。但是，在其他实施方式中，频率控制器506可以包括作为独立单元的控制器和相位比较器。
由磁控管生成的电磁波的频率可以被机械地调谐。例如，调谐针和调谐芯块被放置以与磁控管的主体通信，它们可以被移入到磁控管的主体或从磁控管的主体中取出来以调谐其操作频率。调谐器504可以包括电机驱动以机械地移动调谐针或调谐芯块来调谐磁控管。在一种实施方式中，其中磁控管被操作以生成处于大致上单频处(或在单频周围的范围(δf)之内的频率(f)的值处)的电磁波，机械调谐可以被使用来维持磁控管的性能的稳定性。例如，δf可以是大约10000kH频率分之一或之几量级的差异。在一些实施方式中，δf可以是大约0.01MHz或更多量级的差异，大约0.03MHz或更多量级的差异、大约0.05MHz或更多量级的差异，大约0.08MHz或更多量级的差异、大约0.1MHz或更多量级的差异。将在下面更加详细的描述，频率控制器可以被使用来维持输出能量的稳定性和电子剂量稳定性。
当TW LINAC在两个或更多个不同的能量处被操作时，磁控管可以被调谐来在单频(f)周围的值范围(δf)处操作，该单频在所有不同的操作能量处提供LINAC的最大化输出。例如，在一种实施方式中，其中，LINAC被操作在6MeV和9MeV处，磁控管可以被操作以生成位于单频(f)周围的范围(δf)之内的值处的电磁波，以使在9MeV操作期间电子群束在平均上是稍微位于电磁波的峰值的前面被加速以及在6MeV操作期间在平均上是稍微位于电磁波的峰值的后面被加速。
磁控管的操作的单频可以通过首先找到位于用于两个不同的操作能量的那些电子枪电流之间的中间电子枪电流而被确定，从而调整磁控管的频率来优化LINAC的x射线产出为最高能量操作和最低能量操作提供了可接受的能量频谱和稳定性。中间电子枪电流可以是但不限于用于两个能量操作或用于三个或更多个不同能量的操作的最高电子枪电流和最低电子枪电流的平均值或中间值。磁控管的操作的单频以及单频周围的值的范围(δf)可以被确定作为最大化针对该中间电子枪电流的LINAC的x射线产出的频率。频率控制器可以促进在TW LINAC的多能量交叉操作的快速切换期间的稳定操作。频率控制器可以被使用来，当系统一步步地从等待使用到全部供电、加速器结构冷却水的温度漂移、或磁控管的频率漂移时，用于校正TWLINAC加速器结构的快速热能化的效应。
图6示出了耦合至LINAC 434的目标结构650的剖面图(部分示出)。目标结构650包括目标652以执行电子能量到x射线的理论转换。目标652可以是例如钨和铼的合金，其中钨是x射线的重要源和铼提供热能和导电性以及改善延展性以更易于加工和热冲击下的较长寿命。一般地，目标652可以包括一个或多个具有近似大于或等于70的原子数的目标材料以提供有效的x射线生成。在一示例中，x射线目标可以包括低Z材料，例如但不限于铜，其可以避免或减少在输出电子碰撞时中子的生成。
当来自电子束的电子进入到目标时，他们以热能和x射线(光子)的形成释放能量，和失去速度。在操作中，加速的电子束与目标撞击，从而生成轫致辐射和k层x射线(见如下章节5.5)。
目标652可以被安装在金属支架654中，该金属支架可以是例如铜等的良好的热和电导体。支架654可以包括收集电子的电子收集器656，所述电子在目标652中不被停止和/或在目标652中被生成。收集器656可以是例如基于传导石墨的化合物之类的电子吸收材料块。一般地，收集器656可以由具有低原子数的一种或多种材料构成，例如，原子数近似小于或等于6，来为由目标656生成的x射线提供电子吸收度和透明度。收集器656可以通过绝缘层658(如，阳极氧化铝层)与支架电气隔离。在一示例中，收集器656为重阳极氧化铝层。收集器中收集的电流的测量可以被使用来提供电子束(包括捕获的电子束)的能量的指示。
瞄准仪659可以被附着到目标结构。瞄准仪659使X射线成形为适当的形状。例如，如果LINAC正在被用作货物检查系统的X射线源，则瞄准仪659可以形成扇状波束。X射线波束可以之后穿透目标(如，货物容器)，以及在目标的对立端处的检测器可以接收没有被吸收或分散的X射线。接收到的X射线可以被使用来确定目标的属性(如，货物容器中的内容)。
x射线强度监测器651可以被使用来监测操作期间x射线的产出(见图6)。x射线强度监测器661的非限制示例是离子室。x射线强度监测器651可以被置于x射线源处或在x射线源附近，例如，面对着目标。在一实施方式中，从LINAC的一个脉冲到另一脉冲，基于来自x射线强度监测器651的测量，控制器431可以传送信号到电子枪的控制器来引发更高(或更低)波束电流被施加到电子枪(如在上述章节5.1讨论的)，这样的目的在于维持从一个脉冲到另一个脉冲的x射线的大致相似的剂量。在另一个实施方式中，基于来自x射线强度监测器651的测量，控制器431可以传送信号到电子枪的控制器来引发电子枪以更长(或更短)的脉冲长度提供电子束(如在上述章节5.1讨论的)，这样的目的在于维持从一个脉冲到另一个脉冲的x射线的大致相似的剂量。
示例TW LINAC的操作(例如，相对于行波电磁波的峰值来定位电子群束以优化能量频谱)在未决定的非临时申请No.12/581,086中公开(其作为参考在这里整体引用)。
5.5X射线
在某些方面，x射线通过来自LINAC的加速电子束或电子群束和目标材料的碰撞而被生成。x射线由两个不同机制生成。在第一种机制中，来自LINAC的电子与目标的原子的碰撞可以传递足够的能量以使来自原子的更低能级(内壳)的电子逃离原子，从而在更低能级中留出空缺。原子的更高能级中的电子下降到更低能级以填充空缺，以及将他们多余的能量作为x射线光子进行发射。由于更高能级和更低能级之间的能量差异是离散值，这些x射线光子(一般称为K层辐射)在x射线频谱中作为锐谱线(称为特性线)出现。K层辐射具有取决于目标材料的特征能量(signature energy)。在第二种机制中，来自LINAC的电子束或群束由目标的原子附近的强电场分散以及释放轫致辐射。轫致辐射产生位于连续频谱中的x射线光子，其中x射线的强度从位于入射电子的能量处的0增加。也就是说，可以通过来自LINAC的电子产生的最高能量x射线是从LINAC发射时的电子的最高能量。对于许多应用，轫致辐射可以比特性线更令人感兴趣。
用于生成x射线的目标所使用的材料包括钨、某些钨合金(例如但不限于碳化钨、或钨(95％)-铼(5％))、钼、铜、铂和钴。
5.6仪器
可在行波LINAC的操作中使用的某些仪器包括调制器、相位桥、真空计或离子泵电流计、示波器和电子束电流监测器。
5.6.1调制器
用于磁控管的调制器生成持续几微秒的高电压脉冲。这些高电压脉冲可以被供应给磁控管。电源提供DC电压到调制器，该调制器将该DC电压转换为高电压脉冲。例如，固态磁控管调制器M1或M2(ScandiNova SystemsAB公司，位于瑞典乌普萨拉)可以用于与磁控管连接。
枪驱动器或枪板(gun deck)可以被使用来操作电子枪。
5.7示例性装置和计算机程序实现方式
这里公开的方法的方面可以根据如下的程序和方法通过使用计算机系统来执行，所述计算机系统例如是在本章节中描述的计算机系统。例如，该计算机系统可以存储和发布指令来促成根据这里公开的方法修改电磁波频率。在另一个示例中，计算机系统可以存储和发布指令来促成根据这里公开的方法操作磁控管的控制器或电子枪的控制器。这些系统和方法可以在各种类型的计算机架构中被实现，如例如在通用计算机、或者并行处理计算机系统、或者工作站、或联网系统上(例如，图7所示的客户端-服务器配置)实现。
图7示出了适用于实现这里公开的方法的示例性计算机系统。如图7所示，用于实现这里公开的一个或多个方法和系统的计算机系统可以链接到网络链路，该网络链路可以是例如到其他本地计算机系统的局域网(“LAN”)的一部分和/或连接到其他远程计算机系统的广域网(“WAN”)(诸如因特网)的一部分。软件组件可以包括引发一个或多个处理器发布指令到一个或多个控制单元的程序，所述指令引发一个或多个控制单元发布指令来引发磁控管的控制器或电子枪的控制器的初始化，以操作磁控管来生成一定频率的电磁波和/或操作LINAC(包括将电磁波耦合到LINAC的指令)。所述程序可以引发所述系统从数据存储(如，数据库)中取回指令以执行特定顺序的方法的步骤，包括初始化一个或多个控制器和操作磁控管来生成一定频率的电磁波。该数据存储可以被存储在大容量存储器(如，硬盘存储器)或其他计算机可读介质中并被加载到计算机的存储器中，或该数据存储可以由计算机系统通过网络的方式访问。
除了这里描述的示例性程序结构和计算机系统，其他可替换的程序结构和计算机系统对本领域技术人员而言是明显的。这样的替换系统(不论在精神上还是范围上其都不脱离如上所描述的程序结构和计算机系统)因此意图被理解为落入所附权利要求书的范围中。
6.结论
某些结论已在之前讨论。此章节提供附加的结论或进一步讨论一些已经在前面讨论的结论。
在具有大约0.5m长度的X波段TW LINAC中，将捕获的波束电流改变大约160mA可以导致TW LINAC的输出能量改变大约3MeV。例如，如果25mA的波束电流提供大约9MeV的输出，则185mA的波束电流可以提供大约6MeV波束的输出。105mA的波束电流可以提供大约7.5MeV的第三能量波束。
每个脉冲的X射线剂量可以通过改变来自电子枪的波束的脉冲长度或通过改变同一方向上每个能量波束的电流但同时维持每个期望的能量波束之间的电流差异来控制。磁控管可以以单频运行，这优化了TW LINAC的不同操作能量的能量光谱。
TW LINAC可以以两个不同的能量运行，如以大约为9MeV和大约为6MeV交叉运行，其中磁控管以单频和单个RF功率幅度运行。TW LINAC还可以通过为每个不同的能量改变电子枪电流但同时维持来自磁控管的电磁波的大致相同的频率和功率幅度而以8MeV和5MeV运行，在这两个能量处都具有良好的频谱。
7.参考文献
这里引用的所有参考文献都通过参考他们的全部内容并出于相同程度的所有目的而结合于此，如同出于所有目的而将每个单独出版物或专利或专利申请的全部内容明确地和单独地结合于此一样。这里参考的讨论和引用将不被解释为承认这些参考是本发明的现有技术。
8.修改
在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本发明的许多修改和变形可以被实施，这些将对本领域技术人员来说是明显的。这里提供的所描述的特定实施方式仅用来说明，而且本发明仅受到所附权利要求书的限制，并且包括这些权利要求所要求的等价物的全部范围。特别的，本领域技术人员应当理解，本发明的教导能够实现和覆盖用于操作磁控管驱动的LINAC来生成出于各种多个能量处的电子束或x射线的装置和方法，其中一个示例是6和9MeV x射线束。

Claims (28)

1.一种用于使用行波直线加速器生成具有不同能量范围的电子的方法，该方法包括：
以单频周围的频率范围操作磁控管，所述单频将用于来自电子枪的中间电子束电流的所述行波直线加速器的x射线的产出最大化，所述来自电子枪的中间电子束电流在与第一捕获的电子束电流相关联的第一电子束电流和与第二捕获的电子束电流相关联的第二电子束电流之间；
(a)通过执行以下步骤生成具有第一能量范围的电子：
耦合由所述磁控管生成的第一电磁波至所述行波直线加速器；
由所述电子枪以所述第一电子束电流和第一脉冲长度喷射第一电子束到所述加速器；
以所述第一电磁波加速所述第一电子束到第一能量范围，所述第一能量范围基于所述第一电子束电流，其中所述第一电磁波具有在所述单频周围的所述频率范围内的第一频率，以使得电子群束在平均上在所述第一电磁波的峰值的前面被加速；以及
以第一剂量基于所述第一脉冲长度并以所述第一捕获的电子束电流从所述加速器输出所述第一电子束；
(b)通过执行以下步骤生成具有第二能量范围的电子：
耦合由所述磁控管生成的第二电磁波至所述加速器；
由所述电子枪喷射具有所述第二电子束电流和第二脉冲长度的第二电子束到所述加速器，所述第二电子束电流与所述第一电子束电流不同，所述第二脉冲长度与所述第一脉冲长度不同；
以所述第二电磁波加速所述第二电子束到第二能量范围，所述第二能量范围基于所述第二电子束电流，所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值不同，其中所述第二电磁波具有所述单频周围的所述频率范围内的第二频率，以使得电子群束在平均上在所述第二电磁波的峰值的后面被加速；以及
以第二剂量基于所述第二脉冲长度并以所述第二捕获的电子束电流从所述加速器输出所述第二电子束；
其中所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度不同；
(c)通过重复步骤(a)和(b)使所述第一能量范围和第二能量范围交叉；以及
(d)选择所述第一脉冲长度和所述第二脉冲长度以使得所述第一剂量的第一电子束实质上与所述第二剂量的第二电子束相同。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度相差大约160mA，以及其中所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值相差大约3MeV。
3.根据权利要求1所述的方法，其中针对所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值之间每个近似1MeV的差异，所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度相差大约53mA。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度小于所述第一捕获的电子束电流的幅度，以及其中所述第二能量范围的中心值大于所述第一能量范围的中心值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度大于所述第一捕获的电子束电流的幅度，以及其中所述第二能量范围的中心值小于所述第一能量范围的中心值。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电子束的第二脉冲长度比所述第一电子束的第一脉冲长度短。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电子束的第二脉冲长度比所述第一电子束的第一脉冲长度长。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一能量范围的中心值和所述第二能量范围的中心值是中值或平均值。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电磁波的所述第一频率近似等于所述第二电磁波的所述第二频率，以及其中所述第一电磁波的幅值近似等于所述第二电磁波的幅值。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二电磁波的所述第二频率与所述第一电磁波的所述第一频率相差小于0.002％。
11.根据权利要求1所述的方法，该方法还包括使用与所述加速器结构的输入和输出接口的频率控制器来监视所述第一电磁波的第一相移，其中所述频率控制器将所述加速器结构的所述输入处的所述第一电磁波的相位与邻近所述加速器结构的所述输出的所述第一电磁波的相位进行比较来确定相移，其中所述频率控制器基于所述相移传送调谐信号到调谐器。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述行波直线加速器是恒定梯度行波直线加速器。
13.一种用于使用行波直线加速器和x射线目标生成在不同的x射线能量范围的x射线的方法，该方法包括：
以单频周围的频率范围操作磁控管，所述单频将用于来自电子枪的中间电子束电流的所述行波直线加速器的x射线的产出最大化，所述来自电子枪的中间电子束电流在与第一捕获的电子束电流相关联的第一电子束电流和与第二捕获的电子束电流相关联的第二电子束电流之间；
(a)通过执行以下步骤生成具有第一x射线能量范围的x射线：
耦合由所述磁控管生成的第一电磁波至所述行波直线加速器；
由电子枪以所述第一电子束电流和第一脉冲长度喷射第一电子束到所述加速器；
以所述第一电磁波加速所述第一电子束到第一能量范围，所述第一能量范围基于所述第一电子束电流，其中所述第一电磁波具有在所述单频周围的所述频率范围内的第一频率，以使得电子群束在平均上在所述第一电磁波的峰值的前面被加速；
以第一剂量基于所述第一脉冲长度并以所述第一捕获的电子束电流从所述加速器输出所述第一电子束；以及
使输出的第一电子束接触所述x射线目标，从而生成具有第一x射线剂量和在第一x射线能量范围内的能量的第一x射线束；
(b)通过执行以下步骤生成具有第二x射线能量范围的x射线：
耦合由所述磁控管生成的第二电磁波至所述加速器；
由所述电子枪喷射具有所述第二电子束电流和第二脉冲长度的第二电子束到所述加速器，所述第二电子束电流与所述第一电子束电流不同，所述第二脉冲长度与所述第一脉冲长度不同；
以所述第二电磁波加速所述第二电子束到第二能量范围，所述第二能量范围基于所述第二电子束电流，其中所述第二电磁波具有所述单频周围的所述频率范围内的第二频率，以使得电子群束在平均上在所述第二电磁波的峰值的后面被加速；
以第二剂量基于所述第二脉冲长度并以所述第二捕获的电子束电流从所述加速器输出所述第二电子束，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度不同；以及
使输出的第二电子束接触所述x射线目标，从而生成具有第二x射线剂量和在第二x射线能量范围内的能量的第二x射线束，所述第二x射线能量范围的中心值与所述第一x射线能量范围的中心值不同；
(c)通过重复步骤(a)和(b)使所述第一x射线能量范围和第二x射线能量范围交叉；以及
(d)选择所述第一脉冲长度和所述第二脉冲长度以使得所述第一剂量的第一x射线束实质上与所述第二剂量的第二x射线束相同。
14.根据权利要求13所述的方法，其中针对所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值之间每个近似1MeV的差异，所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度相差大约53mA。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度小于所述第一捕获的电子束电流的幅度，以及其中所述第二x射线能量范围的中心值大于所述第一x射线能量范围的中心值。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二捕获的电子束电流的幅度大于所述第一捕获的电子束电流的幅度，以及其中所述第二x射线能量范围的中心值小于所述第一x射线能量范围的中心值。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二电子束的第二脉冲长度比所述第一电子束的第一脉冲长度长。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二电子束的第二脉冲长度比所述第一电子束的第一脉冲长度短。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一能量范围的中心值和所述第二能量范围的中心值是中值或平均值。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一电磁波的所述第一频率近似等于所述第二电磁波的所述第二频率，以及其中所述第一电磁波的幅值近似等于所述第二电磁波的幅值。
21.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二电磁波的所述第二频率与所述第一电磁波的所述第一频率相差小于0.002％。
22.根据权利要求13所述的方法，该方法还包括使用与所述加速器结构的输入和输出接口的频率控制器来监视所述第一电磁波的第一相移，其中所述频率控制器将位于所述加速器结构的所述输入处的所述第一电磁波的相位与邻近所述加速器结构的所述输出的所述第一电磁波的相位进行比较来确定相移，其中所述频率控制器基于所述相移传送调谐信号到调谐器。
23.根据权利要求13所述的方法，其中所述行波直线加速器是恒定梯度行波直线加速器。
24.一种行波直线加速器，该行波直线加速器包括：
加速器结构，该加速器结构具有输入和输出；
磁控管，该磁控管耦合至所述加速器结构并被配置为提供电磁波到所述加速器结构，其中所述磁控管用于以单频周围的频率范围操作，所述单频将用于来自电子枪的中间电子束电流的所述行波直线加速器的x射线的产出最大化，所述来自电子枪的中间电子束电流在与第一捕获的电子束电流相关联的第一电子束电流和与第二捕获的电子束电流相关联的第二电子束电流之间；
所述电子枪，该电子枪与所述加速器结构的所述输入接口；以及
控制器，该控制器与所述电子枪接口，
其中所述控制器被配置为传输第一信号来促使所述电子枪以所述第一电子束电流和第一脉冲长度喷射第一电子束到所述加速器结构的输入内，
其中所述加速器结构被配置为使用所述电磁波加速所述第一电子束至第一能量范围并且以第一剂量基于所述第一脉冲长度并以所述第一捕获的电子束电流输出加速的第一电子束，所述第一能量范围基于所述第一电子束电流，其中所述电磁波促使所述第一电子束的电子群束在平均上在所述电磁波的峰值的前面被加速，
其中所述控制器被配置为传输第二信号来促使所述电子枪以不同于所述第一电子束电流的所述第二电子束电流和不同于所述第一脉冲长度的第二脉冲长度喷射第二电子束到所述加速器结构的输入内，
其中所述加速器结构被配置为使用所述电磁波加速所述第二电子束至第二能量范围并且以第二剂量基于所述第二脉冲长度并以所述第二捕获的电子束电流输出加速的第二电子束，所述第二能量范围基于所述第二电子束电流，其中所述电磁波促使所述第二电子束的电子群束在平均上在所述电磁波的峰值的后面被加速，
其中所述第二捕获的电子束电流的幅度与所述第一捕获的电子束电流的幅度不同，以及
其中所述第二能量范围的中心值与所述第一能量范围的中心值不同，
所述控制器还被配置为多次传输所述第一信号和第二信号至所述电子枪以便使所述第一能量范围和第二能量范围交叉，并选择所述第一脉冲长度和所述第二脉冲长度以使得所述第一剂量的第一电子束实质上与所述第二剂量的第二电子束相同。
25.根据权利要求24所述的行波直线加速器，该行波直线加速器还包括调谐器和频率控制器，所述频率控制器与所述加速器结构的输入和输出接口，其中所述频率控制器将位于所述加速器结构的所述输入处的所述电磁波的相位与邻近所述加速器结构的所述输出的第一电磁波的相位进行比较来检测所述第一电磁波的相移，其中所述频率控制器基于检测到的相移传送调谐信号到所述调谐器，以及其中所述调谐器基于所述调谐信号调整所述电磁波的频率。
26.根据权利要求24所述的行波直线加速器，其中所述第二电子束的所述第二脉冲长度比所述第一电子束的所述第一脉冲长度短。
27.根据权利要求24所述的行波直线加速器，其中所述第二电子束的所述第二脉冲长度比所述第一电子束的所述第一脉冲长度长。
28.根据权利要求24所述的行波直线加速器，其中所述行波直线加速器是恒定梯度行波直线加速器。
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