CN103889139B - 操作行波线性加速器的方法及行波线性加速器 - Google Patents

Abstract

操作行波线性加速器的方法及行波线性加速器。方法包括：将第一电磁波从电磁波源耦合到加速器结构的输入端，第一电磁波在行波线性加速器的加速器结构中具有第一振幅和第一频率；通过利用第一电磁波加速第一电子束从加速器结构的输出端生成具有第一能量的第一电子输出；以及使用与加速器结构的输入端和输出端相接的频率控制器来监测第一电磁波的第一相移，其中频率控制器将第一电磁波在加速器结构的输入端处的相位与第一电磁波在加速器结构的输出端附近的相位相比较，其中基于第一相移，频率控制器将第一信号发送给振荡器，并且其中基于第一电磁波的第一相移的幅度，振荡器使得电磁波源生成第二电磁波，第二电磁波在加速器结构中具有第二频率。

Description

操作行波线性加速器的方法及行波线性加速器

本申请是申请日为2010年01月25日、申请号为201080005576.7、发明名称为“包括用于交织多能量操作的频率控制器的行波线性加速器”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

该申请要求2009年10月16日提交的美国专利申请No.12/581,086；2009年1月26日提交的美国临时申请No.61/147,447；以及2009年8月12日提交的美国临时申请No.61/233,370的权益；每个申请的整体内容以引用方式并入与此。

技术领域

本发明涉及包括频率控制器的行波线性加速器的交织操作用于生成至少两个不同能量范围的电子的系统和方法。可以使用电子来生成至少两个不同能量范围的x光。

背景技术

典型地使用大型集装箱在国际和国内运送物品。根据港口的程序加载和卸载这些集装箱的数量。由于在港口接收的大量集装箱，所以港口检查员有可能无法打开集装箱来检查其内含物。这会引起安全风险。

为了解决不能打开和检查运输集装箱的内含物所引起的安全风险，已经开发货物检查装置，在无需检查员打开集装箱的情况下扫描集装箱的内部。传统货物检查装置使用能够穿透集装箱来识别其内含物的X光束或伽马光束执行运输集装箱的放射镜检查。为了检查装满的运输集装箱，由于加速器提供的高能量输出(以及由此的更大的穿透性)，典型地使用利用加速器产生X光束的货物检查装置。

典型地，在货物检查系统中使用的线性加速器配置成产生单能量X光束。检测器接收穿过运输集装箱没有被吸收或散射的单能量X光束，并且产生运输集装箱的内含物的图像。可以将图像显示给检查员从而检查员可以执行对内含物的视觉检查。

一些货物检查装置使用配置成发出两个不同能级X光束的双能量线性加速器。借助双能量X光检查系统，可以通过利用两个不同能量的X光束轮流照射物品来射频识别材料。双能量X光检查系统可以确定材料的质量吸收系数，以及由此确定材料的有效原子(Z)数。通过将利用低能量X光照射集装箱获得的衰减率与利用高能量X光照射集装箱获得的衰减率相比较来实现区分。区分是有可能的，这是因为不同的材料对于高能量X光和低能量X光具有不同的衰减程度，允许识别集装箱中低Z数材料(诸如但不限于有机材料)、中Z数材料(诸如但不限于过渡金属)以及高Z数材料(诸如但不限于放射材料)。这种系统因此可以提供货物内含物的图像并且识别组成货物内含物的材料。

检测被扫描的材料的Z数的双能量X光检查系统的能力使得这种检查系统能够自动检测集装箱中的不同材料，包括放射材料和诸如但不限于可卡因和大麻之类的违禁品。然而，传统的双能量X光检查系统使用易受到频率和功率起伏和温度抖动影响的驻波线性加速器，在运行来将电子加速到低能量时引起来自线性加速器的光束能量不稳定。能量起伏和抖动会产生图像伪像，造成待识别的扫描材料的不正确的Z数。这会引起错误虚警(即使不存在目标材料，也识别出目标材料)和错误漏警(即使存在目标材料，也没有识别出目标材料)。

发明内容

如本文所披露的，提供了一种行波线性加速器，包括具有输入端和输出端的加速器结构；电磁波源，耦合到加速器结构来把电磁波提供给加速器结构；以及频率控制器，与加速器结构的输入端和输出端相接。可以使用频率控制器来将电磁波在加速器结构的输入端的相位与电磁波在加速器结构的输出端的相位相比较来检测电磁波的相移。频率控制器将信号发送给振荡器，并且基于频率控制器所检测的相移幅度，振荡器可以使得电磁波源生成修正频率下的后续电磁波。电磁波源可以是速调管。

频率控制器可以操作地连接到振荡器，频率控制器可以发送信号来调整振荡器的频率设置，并且振荡器可以生成使得电磁波源生成修正频率下的后续电磁波的频率信号。在另一示例中，来自振荡器的频率信号可以经过放大器放大，并且放大器可以将经过放大的频率信号提供给电磁波源。行波线性加速器可以进一步包括电子枪，该电子枪耦合到加速器结构的输入端从而将一个或多个电子束提供给加速器结构。

还提供了一种操作行波线性加速器的系统和方法。示例的系统和方法可以包括使用电磁波源所提供的第一电磁波把来自电子枪的第一电子束加速到第一能量，其中频率控制器监测第一电磁波的第一相移，并且基于第一相移的幅度将第一信号发送给振荡器。所述系统和方法可以进一步包括使用电磁波源提供的并且具有不同于第一电磁波的振幅和相位速度的第二电磁波把来自电子枪的第二电子束加速到不同于第一能量的第二能量，其中频率控制器监测第二电磁波的第二相移，并且基于第二相移的幅度将第二信号发送给振荡器。第一能量和第二能量可以交织。第一电子束可以以第一能量从加速器结构的输出端发出并且与目标接触从而产生第一x光能量范围内的第一x光束。第二电子束可以以第二能量从加速器结构的输出端发出并且与目标接触从而产生第二x光能量范围内的第二x光束。

另外，提供了一种操作行波线性加速器的系统和方法，包括将具有第一频率和第一振幅的第一电磁波从电磁波源耦合到行波线性加速器的加速器结构的输入端，通过利用电磁波将电子枪注入到加速器结构的第一电子束加速到第一能量，以及使用与所述加速器结构的输入端和输出端相接的频率控制器来监测所述电磁波的第一相移。频率控制器可以将所述电磁波在所述加速器结构的输入端处的相位与所述电磁波在加速器结构的输出端处的相位相比较来监测第一相移。频率控制器可以将第一信号发送给第一振荡器，并且基于频率控制器所检测的电磁波的相移的幅度，所述第一振荡器可以使得所述电磁波源生成校正频率下的后续电磁波。所述系统和方法可以进一步包括以第一能量从加速器结构的输出端发出第一电子束并且将第一电子束与目标接触从而产生第一x光能量范围内的第一x光束。所述系统和方法可以进一步包括将来自电磁波源的具有第二频率和第二振幅的修正电磁波耦合到加速器结构的输入端，利用修正的电磁波将电子枪注入到加速器结构中的第二电子束加速到不同于第一能量的第二能量，并且使用频率控制器监测修正的电磁波的第二相移。频率控制器可以将修正的电磁波在加速器结构的输入端的相位与修正的电磁波在加速器结构的输出端的相位相比较来监测第二相移并且将第二信号发送给第二振荡器。基于修正的电磁波的第二相移的幅度，第二振荡器可以使得电磁波源生成校正频率下的后续的修正的电磁波。第一能量和第二能量可以交织。所述系统和方法可以进一步包括以第二能量从加速器结构的输出端发出第二电子束并且将第二电子束与目标接触从而产生第二x光能量范围内的第二x光束。电磁波源可以是速调管。

还提供了一种操作行波线性加速器的系统和方法，包括将在行波线性加速器的加速器结构中具有第一振幅和第一频率的第一电磁波从电磁波源耦合到加速器结构的输入端，通过使用第一电磁波加速第一电子束从加速器结构的输出端生成具有第一能量的第一电子输出，并且使用与加速器结构的输入端和输出端相接的频率控制器监测第一电磁波的第一相移。频率控制器可以将第一电磁波在加速器结构的输入端的相位与第一电磁波在加速器结构的输出端的相位相比较并且将第一信号发送给振荡器。基于第一电磁波的第一相移的幅度，振荡器可以使得电磁波源生成第二频率下的第二电磁波。所述系统和方法可以进一步包括将第一电子输出与目标接触从而产生第一x光能量范围内的第一x光束。所述系统和方法可以进一步包括将在加速器结构中具有第三振幅和第三振幅的第三电磁波从电磁波源耦合到加速器结构的输入端，并且通过使用第三电磁波加速第三电子束生成具有不同于第一能量的第三能量的第三电子输出，并且使用频率控制器监测第三电磁波的第三相移。频率控制器可以将第三电磁波在加速器结构的输入端的相位与第三电磁波在加速器结构的输出端的相位相比较并且将信号发送给振荡器。基于频率控制器所检测的第三电磁波的相移的幅度，振荡器可以使得电磁波源生成第四频率下的第四电磁波。所述系统和方法可以进一步包括将第三电子输出与目标接触从而生成第三x光能量范围内的第三x光束。电磁波源可以是速调管。

同样如本文所披露的，提供了一种行波线性加速器，包括具有输入端和输出端的加速器结构，电磁波源，耦合到加速器结构来将电磁波提供给加速器结构，电子能量谱监测器，位于加速器结构的输出端附近，以及频率控制器，与电子能量谱监测器相接。电子能量谱监测器提供(a)来自加速器结构的输出端的第一电子输出的第一能量谱的指示，其中使用具有第一振幅和第一频率的第一电磁波在加速器结构中加速第一电子输出，以及(b)来自加速器结构的输出端的第二电子输出的第二能量谱的指示，其中使用具有第二振幅和第二频率的第二电磁波在加速器结构中加速第二电子输出。第一振幅可以具有与第二振幅大致相同的幅度。第一频率可以具有不同于第二频率的幅度。频率控制器可以将第一能量谱的指示与第二能量谱的指示相比较并且基于比较将信号发送给振荡器。振荡器可以使得电磁波源生成第三频率和第三振幅下的第三电磁波从而将使用第三电磁波加速第三电子输出的能量最大化并且由此稳定。第三振幅可以具有与第一振幅大致相同的幅度。

还提供了一种行波线性加速器，包括具有输入端和输出端的加速器结构，电磁波源，耦合到加速器结构来将电磁波提供给加速器结构，x光产量监测器，位于加速器结构的输出端附近，以及频率控制器，与x光产量监测器相接。x光产量监测器提供(a)第一x光束在加速器结构的输出端的第一产量的指示，其中使用通过具有第一振幅和第一频率的第一电磁波在加速器结构中加速的第一电子集来生成第一x光束，以及(b)第二x光束在加速器结构的输出端的第二产量的指示，其中使用通过具有第二振幅和第二频率的第二电磁波在加速器结构中加速的第二电子集来生成第二x光束。第二振幅可以具有与第一振幅大致相同的幅度。第二频率可以不同于第一频率的幅度。频率控制器可以将第一x光束的第一产量的指示与第二x光束的第二产量的指示相比较并且基于比较将信号发送给振荡器。振荡器可以使得电磁波源生成第三频率和第三振幅下的第三电磁波并且将使用通过第三电磁波在加速器结构中加速的第三电子集所生成的第三x光束的产量最大化。第三振幅可以具有与第一振幅大致相同的幅度。

还提供了用于调整行波线性加速器的系统和方法，包括提供LINAC中的相位速度范围和振幅的电磁波，通过使用电磁波加速电子束来生成具有第一能级的第一X光束，通过调整振幅和相位速度来修正电磁波，以及通过使用修正的电磁波加速电子束来生成具有第二能级的第二X光束。

附图说明

在附图中以示例方式而非限定方式图示了本发明。

图1图示了多能量行波线性加速器的框图；

图2图示了耦合到加速器结构的目标结构的截面图；

图3图示了在加速器结构中的三个不同区域重叠电磁波的电子聚束；

图4图示了电子束通过聚束器之后的示例的TWLINAC的扩散曲线；

图5图示了高效率磁耦合的凹状空腔行波LINAC的扩散曲线；

图6图示了在TWLINAC的加速器结构中三个不同区域重叠电磁波的电子聚束；

图7图示了包括频率控制器的TWLINAC的框图；

图8图示了包括频率控制器的TWLINAC的另一框图；

图9示出了包括频率控制器的TWLINAC的操作的流程图；

图10示出了用于包括频率控制器的TWLINAC的操作的示例计算机结构的框图；

图11图示了来自PARMELA仿真的第一组的四个曲线；

图12图示了6MeV光束的结果，其中对于6MeV光束和9MeV光束来说频率相同；

图13图示了6.3MeV的结果，其中对于6.3MeV光束和9MeV光束来说频率相同。

具体实施方式

对于配置成生成多个不同能量的加速器来说，加速器应当在各个能级单独调节从而在最高能级提供最大效率，以及在各个能级使得稳定性最大化。以下章节描述了可以在多个不同能级调节从而提供高稳定、高效率X光束的行波线性加速器(TWLINAC)。在各个能级，可以通过改变由速调管提供的射频(RF)电磁波的频率和振幅以及电子枪注入的电子数来调节X光束。电磁波在本文也被称为载波。电磁波(即，载波)在加速器结构内加速电子聚束从而生成X光束。改变电磁波的频率和振幅使得电子聚束平均来说能够针对多个不同能级保留在电磁波的波峰。这可以减小TWLINAC对RF电磁波的振幅和频率的起伏，电子枪高压的起伏以及加速器结构的温度抖动的影响，并且可以在各个能级使得效率最大化。

6.1多能量行波线性加速器架构架构

图1图示了根据本发明的一个实施例的示例性多能量行波线性加速器的框图。所图示的行波线性加速器(TWLINAC)包括控制接口，用户可以通过控制接口调整TWLINAC的设置、控制操作等。控制接口与可编程逻辑控制器(PLC)和/或连接到信号底板的个人计算机(PC)。基于从PLC、PC和/或控制接口接收的指令，信号底板将控制信号提供给TWLINAC的多个不同的部件。

频率控制器1从信号底板接收相位跟踪和调节控制信息。频率控制器1可以配置成工作在单个频率设置或者在两个或多个不同的频率设置之间交替。例如，频率控制器1可以配置成每秒400次地在9290Hz的频率和9291Hz的频率之间交替。可替代地，频率控制器1可以配置成在多于两个不同频率之间交替。在示例中，基于通过相同能量的前一脉冲上的TWLINAC的频率的测量相移与针对下一脉冲的能量的设置点的对比，频率控制器1调整振荡器2的设置。通过修正振荡器2所生成的RF信号的频率，频率控制器1可以逐脉冲地改变速调管6所产生的电磁波(载波)的频率。可以实现10,000中一个或多个部分的量级下的频移。

频率控制器1可以是相位检测频率控制器，并且可以使用相位对频率响应来建立正确频率设置。通过监测和校正从加速器的输入端到输出端的相移，频率控制器1可以校正加速器结构8的RF频率或温度的中等和缓慢漂移。频率控制器1可以作为自动频率控制(AFC)系统工作。在示例中，频率控制器1可以是多频率控制器，并且可以工作在各个不同频率的设置点，各个频率与各个不同能量相关联。在下面的章节6.3进一步讨论包括AFC的频率控制器。

振荡器2生成具有频率控制器1所提供的频率的RF信号。振荡器2是可以快速进行频率(例如，在速调管调节器4所生成的脉冲之间)移位的稳定的低水平可调节RF源。振荡器2可以生成毫瓦级的RF信号。RF信号经过放大器3(例如，40瓦放大器)放大，并且提供给速调管6。放大器3可以是固态放大器或者行波管(TWT)放大器，并且可以将接收的RF信号放大到用于输入到速调管6所需的水平。在示例中，放大器3可以配置成将输出功率水平逐脉冲地变成适合于即将到来的LINAC脉冲的水平。可替代地，速调管调节器4可以将不同的高压脉冲输送到用于所需要的各个光束能量的速调管6。

速调管调节器4从信号底板接收加热器和高压(HV)水平控制，触发脉冲和延迟控制，启动和复位，以及感测和互锁信号。速调管调节器4能够生成高峰值功率脉冲到脉冲转换器。速调管调节器4的有效输出功率是高压输出脉冲的平坦顶部的功率。速调管调节器4可以配置成在频率控制器1中的每个频率变化生成新脉冲。例如，在频率控制器1使得振荡器2生成具有第一频率的RF信号时可以生成第一脉冲，在频率控制器1使得振荡器2生成具有第二频率的RF信号时可以生成第二脉冲，以及在频率控制器1使得振荡器2生成具有第一频率的RF信号时可以生成第三脉冲，以此类推。

速调管调节器4以近似为方波脉冲的重复高能量形式将能量驱动到脉冲转换器5。脉冲转换器5将接收的脉冲增大到具有中等到高递增比率的较高能量电压脉冲。将转换后的脉冲施加到速调管6用于生成高能量微波脉冲。速调管调节器4的输出脉冲的上升时间由脉冲转换器5的上升时间占主导，并且由此脉冲转换器5配置成具有近似方波的快速上升时间。

速调管6为直线束真空管，其基于接收的调节器脉冲和接收的振荡器射频(RF)信号生成高功率电磁波(载波)。速调管6提供为线性加速器供电的驱动力。速调管6相干地放大输入RF信号从而输出高功率电磁波，该高功率电磁波具有精确控制的振幅、频率以及在TWLINAC加速器结构中的输入到输出相位。速调管6工作在脉冲条件下，相比较连续功率装置，使得速调管6能够使用较小功率源来工作并且需要较少冷却。速调管6典型地具有百分之一或更多量级的带宽。

速调管6为放大器，因此，速调管6所生成的输出RF信号具有与输入到速调管6的低功率RF信号相同的频率。由此，可以简单地通过改变驱动速调管6所使用的低功率RF信号的频率实现驱动LINAC所使用的高功率RF电磁波的频率。这可以借助低功率固态电子装置在脉冲之间来简单地执行。类似地，可以仅通过改变放大器3的功率输出来在脉冲之间改变来自速调管的电磁波的输出功率。

波导7将速调管6耦合到TWLINAC的加速器结构8的输入。波导7包括波导耦合器和真空窗。波导7将速调管6所生成的高功率供电的电磁波(载波)输送到加速器结构8。波导7的波导耦合器可以将电磁波功率的一部分采样到LINAC的输入。包括波导耦合器和真空窗的波导12将加速器结构8的输出耦合到RF负载。波导12的波导耦合器可以将电磁波功率的一部分采样到LINAC的输出。可以使用频率控制器1的相位比较器将来自波导7的波导耦合器的信号与来自波导12的波导耦合器的信号相比较从而确定电磁波通过加速器结构8的相移。频率控制器1使用电磁波的相移确定即便要应用于速调管的频率校正。波导7或波导12可以是矩形或圆形金属管，配置成在无强度明显损失的情况下用于在LINAC中加速电子的频率下选择性地导波。金属管可以是低Z，高传导率材料，例如铜。为了给最高场梯度提供临近最大输入功率，波导耦合器可以填充SF6气体。可替代地，波导可以被排空。

真空窗允许高功率电磁波进入加速器结构8，同时将加速器结构8的排空的内部与充满气体或排空的外部分隔开。

枪调节器9控制电子枪(未示出)，电子枪将电子射入加速器结构8中。枪调节器9从信号底板接收网格驱动电平和当前反馈控制信号信息。枪调节器9进一步从信号底板接收枪触发脉冲和延迟控制脉冲以及枪加热器电压和HV电平控制。枪调节器9通过指示枪何时以及如何射出来控制电子枪(例如，包括使用的重复速率以及网格驱动电平)。枪调节器9可以使得电子枪以对应于速调管6所提供的高功率电磁波(载波)的脉冲重复速率的脉冲重复速率来射出电子。

示例电子枪包括阳极、网格、阴极和灯丝。加热灯丝使得阴极释放电子，电子以高速远离阴极并且向着阳极加速。阳极可以将发射电子流聚焦成直径受控的光束。网格可以位于阳极和阴极之间。

电子枪随后是聚束器，位于电子枪之后并且典型地与加速结构相结合。在一个实施例中，聚束器由加速结构的前几个单元组成。聚束器将电子枪射出的电子封装成聚束并且产生初始加速度。实现聚束，这是因为取决于电子接近电磁波的波峰的程度，电子从电磁波接收更多能量(更大加速度)。因此，在电磁波上重叠更高的电子赶上从而使得在电磁波上重叠较低的电子变慢。聚束器将速调管6提供的高功率电磁波施加到电子聚束从而实现电子聚束和初始加速度。

高功率电磁波经由波导7从速调管6注入到加速器结构8中。待加速的电子通过电子枪注入到加速器结构8中。电子进入加速器结构8中并且典型地在加速器结构8(可以包括聚束器)的前几个单元中形成聚束。加速器结构8为真空管，包括一系列由光圈分隔开的调节空腔。加速器结构8的调节空腔通过导电材料例如铜来界定从而防止高功率电磁波的RF能量从加速器结构8辐射掉。

调节空腔配置成管理加速器结构8内的电磁场的分布以及电子束内的电子分布。高功率电磁波以与聚束的电子近似相同的速度行进，使得电子连续经历加速电场。在TWLINAC的第一部分中，每个后续的空腔都长于其前一空腔从而解决了增加的颗粒速度。典型地，前大约12个单元之后，电子达到光速的大约98％，并且剩余的单元都具有相同的长度。基本设计标准是，电磁波的相位速度与加速器结构8中出现加速度的位置上的颗粒速度相匹配。

一旦加速器结构8加速电子束，电子束可以被导向目标，例如位于加速器结构8最后的钨目标。电子束对目标的轰击生成x光束(在下面章节6.4讨论)。电子可以在撞击目标之前被加速到不同的能量。在交织操作中，电子可以交替地被加速到两个不同的输出能量，例如，加速到6兆电子伏特(MeV)1和9MeV。可替代地，电子可以被加速到不同的能量。

为了实现轻量和致密尺寸，TWLINAC可以工作在X波段(例如，在8GHz和12.4GHz之间的RF频率)。高工作频率，相对于传统S波段LINAC，将加速器结构8的长度减小了大约三的倍数，对于给定数量的加速空腔，伴随着质量和重量的减少。结果，TWLINAC的所有主要成分可以相对致密装配地封装。可替代地，TWLINAC可以工作在S波段。这种TWLINAC需要较大组件，但是可以为较高能量X光束(例如，至高到大约18MeV)提供可商购的高功率电磁波源。

聚焦系统10控制围绕加速器结构8的强大电磁体。聚焦系统10从信号底板接收当前电平控制，并且控制聚焦线圈的当前电平来聚焦通过加速器结构8行进的电子束。聚焦系统10被设计成聚焦光束从而将电子集中到能撞击目标的小区域的特定直径的光束。光束可以通过控制提供给电磁体的电流来聚焦和对齐。在示例中，聚焦电流在脉冲之间不变化，并且电流保持在允许电磁体基本上会聚用于各个不同工作能量的光束的值。

六氟化硫(SF6)控制器控制可以抽送到波导中的SF6气体的量(例如，在特定气压下)。SF6控制器从底板接收气压控制信息并且使用接收的信息来控制提供给波导的SF6气体的气压。SF6气体为强负电分子，赋予它用于自由电子的亲和力。因此，SF6气体用作电介质气体和绝缘材料，并且可以提供给波导7和波导12从而熄灭可能发生的电弧。SF6气体增加可以通过

1一个电子伏特等于1.602x10-19焦耳。因此，6MeV＝9.612x10-13焦耳。

波导7发射的峰值功率的量，并且可以增加TWLINAC的电压等级。

真空系统(例如，离子泵真空系统)可用来在速调管6和加速器结构8中保持真空。真空系统也可以用来在波导7的部分中生成真空。在空气中，强烈电和磁场引起电弧，破坏微波，并且可以损坏速调管、波导或加速器结构。另外，在加速器结构8内，与空气分子撞击的任何光束被碰撞出光束聚束并且损耗。排空腔室防止或者最小化这种情况发生。

真空系统可以将当前真空水平(气压)报告给信号底板。如果速调管6或加速器结构8的气压超过气压阈值，真空系统可以将命令发送给信号底板从而中断速调管6直到达到可接受的真空水平。

TWLINAC的许多部件会发热。例如由于加速器结构8末端的目标的电子撞击以及速调管6引起加速器的内壁上的电磁波功率损失，所以会发热。由于温度增加引起金属膨胀，所以温度变化影响加速器结构、速调管、波导等内的腔体的大小和形状。这会引起光波与光束同步的频率随温度变化。加速器的正确操作需要仔细维护与光束聚束的通道的腔体同步频率。因此，使用冷却系统11保持恒定温度并且最小化同步频率的漂移。

冷却系统11将水或冷却液循环到需要冷却的区域，例如速调管6和加速器结构8。通过信号底板，冷却系统11接收水流速率以及温度控制信息。冷却系统11可以用来监测速调管6和加速器结构8的温度，并且可以配置成在这些部件中保持恒定温度。然而，加速器结构和速调管的金属温度在LINAC工作在高重复速率时可能升高10度，这可能引起电磁波的漂移。频率控制器可以用来补偿漂移的影响。

图2图示了耦合到加速器结构8(部分示出)的目标结构20的截面图。目标结构20包括目标22来执行电子能量到x光的主要转换。目标22例如可以是钨和铼的合金，其中钨是x光的主要来源，铼提供导热性和导电性。通常，目标22可以包括一个或多个目标材料，具有近似大于或等于70的原子数从而提供有效的x光生成。在示例中，x光目标可以包括低Z材料，诸如但不限于铜，其可避免或最小化被输出电子碰撞时中子的生成。

在来自电子束的电子进入目标时，它们以热量和x光(光子)的形式放出能量，并且失去速度。在操作中，加速的电子束碰撞到目标上，生成轫致辐射和k核x光(见以下章节6.4)。

目标22可以安装在金属夹具24中，可以是良好导热体和导电体，诸如铜。夹具24可以包括电子收集器26来收集在目标22中没有被阻止和/或在目标22中生成的电子。收集器26可以是电子吸收材料模块，诸如基于导电石墨的化合物。通常，收集器26可以由原子数大约小于或等于6的一个或多个材料组成从而提供对目标22所生成的x光的电子吸收性和透光性。收集器26可以通过绝缘层28(例如，阳极氧化铝层)与夹具电隔离。在示例中，收集器26为重阳极氧化铝块。

准直仪29可以附接到目标结构。准直仪29将X光束形成为适当形状。例如，如果使用TWLINAC作为货物检查系统的X光源，准直仪29可以将光束形成扇形。X光束随后可以穿透目标(例如，货物集装箱)，并且目标相反端的检测器可以接收没有被吸收或散射的X光。可以使用接收的X光来确定目标特性(例如，货物集装箱的内含物)。

可以使用x光强度监测器31监测x光在工作期间的光量(见图2)。x光强度监测器31的非限定示例是离子腔。x光强度监测器可以位于x光源处或附近，例如，朝向目标。在一个实施例中，基于x光强度监测器31从LINAC的一个脉冲到另一个脉冲的测量，频率控制器可以向一个或多个振荡器发送信号以使得电磁波源生成某一频率和幅度的电磁波从而使得x光在某个能量上的光量最大化。

频率控制器1可以与x光强度监测器31相接。频率控制器1可以用来监测来自x光强度监测器(提供x光量的指示)的测量值并且使用该信息为振荡器提供信号。振荡器可以调节电磁波源以基于来自频率控制器的信号生成某个频率的电磁波。在实施例中，频率控制器可以配置成将来自x光强度监测器的指示在理想的x光能量范围内发射的第一x光束的光量的测量值与来自x光强度监测器的指示在该x光能量范围内的第二x光束的光量的测量值相比较。可以使用电磁波在加速器结构中加速的电子集生成第二x光束，该电磁波具有与第一x光束的生成中使用的电磁波的振幅大致相同。例如，如果电磁波在幅度上相差小于大约0.1％，小于大约1％，小于大约2％，小于大约5％，小于大约10％或更多，电磁波可以具有大致相同的振幅。输送到LINAC用于生成第二x光束的电磁波的频率在幅度上可以与输送到LINAC用于生成第一x光束的电磁波的频率相差很小量(δf)。例如，δf为在kHz频率中大约10000中的一个或几个的量级的差别。在一些实施例中，δf可以为大约0.000001MHz或更多，大约0.00001MHz或更多，大约0.001MHz或更多，大约0.01MHz或更多，大约0.03MHz或更多，大约0.05MHz或更多，大约0.08MHz或更多，大约0.1MHz或更多，或大约0.15MHz或更多的量级的差别。频率控制器可以向振荡器发送信号，从而振荡器使得电磁波源生成某个频率的后续电磁波从而在LINAC的后续操作中使得x光量最大化。

频率控制器可以通过监测(i)电磁波从加速器结构的输入到输出的相移和(ii)来自x光强度监测器的光量来调节电磁波的频率。

在另一实施例中，频率控制器也可以与电子能量谱监测器27相接(见图2)。电子能量谱监测器的非限定示例为电子电流监测器。例如，电子电流监测器可以配置成测量到达目标组件中的电子电流收集器26的电流(见图2)。电子能量谱监测器可以位于加速器结构的输出端附近。电子能量谱监测器可以用来监测对于LINAC的给定脉冲的电子输出的电子电流。基于来自电子能量谱监测器的测量值，频率控制器向振荡器发送信号，从而振荡器将电磁波源调节到期望频率。在该实施例中，频率控制器可以配置成将来自加速器结构的输出的第一电子输出的第一能量谱的指示与来自加速器结构的输出的第二电子输出的第二能量谱的指示相比较，并且基于比较值向振荡器发送信号。例如，频率控制器可以配置成将来自LINAC的一个脉冲的第一电子输出的第一电子电流与来自另一脉冲的第二电子输出的电子电流相比较。可以使用与生成第一电子输出所使用的大致相同的振幅的电磁波来生成第二电子输出。例如，如果电磁波在幅度上差别小于大约0.1％，小于大约1％，小于大约2％，小于大约5％，小于大约10％或更多，则它们可以具有大致相同的幅度。输送到LINAC的用于生成第二电子输出的电磁波的频率可以与输送到LINAC用于生成第一电子输出的电磁波的频率在幅度上相差很小量(δf)。例如，δf为在kHz频率的10000中的大约一个或几个的量级的差别。在一些实施例中，δf可以是大约0.000001MHz或更多，大约0.00001MHz或更多，大约0.001MHz或更多，大约0.01MHz或更多，大约0.03MHz或更多，大约0.05MHz或更多，大约0.08MHz或更多，大约0.1MHz或更多，或大约0.15MHz或更多的量级的差别。基于来自频率控制器的信号，振荡器可以使得电磁波源生成某一频率的后续的电磁波从而稳定后续电子输出的能量。

在实施例中，频率控制器可以通过监测(i)电磁波从加速器结构的输入端和输出端的相移和(ii)电子输出的电子电流来调节电磁波的频率。

在另一实施例中，频率控制器可以主要通过监测来自加速器结构的输入端和输出端的电磁波的相移来调节电磁波源，并且作为辅助方法可以监测x光强度监测器的光量以及电子输出的电子电流。

频率控制器可以配置成基于对相位、x光量、和/或如上所述来自LINAC的脉冲的输出电子的能量谱的监测来在迭代处理中调节电磁波源的频率。即，频率控制器可以配置成在迭代处理中调节电磁波源，从而，借助给定操作能量的LINAC的各个后续脉冲，x光量进一步提高直到它到达最大或者保持在最大，或者电子输出的能量谱的稳定度进一步提高或保持。

6.2多能量行波线性加速器操作原理

在单能量LINAC中，加速器结构8配置成使得电子聚束通过加速器结构8重叠在高能量电磁波的波峰，除了加速器结构8的包括聚束器的前几个单元之外。可以通过确保电磁波的能量场保持与被加速的电子聚束同相来实现这一点。重叠在电磁波的波峰的电子聚束比离开波峰的电子聚束接收更多能量，这提高了LINAC的效率。而且，电磁波的峰值为0斜率。因此，如果发生起伏使得电子聚束离开波峰，则给予电子聚束的能量仅改变极小的量。基于这些原因，理想的是使得电子聚束重叠在电磁波的波峰。

图3图示了在加速器结构的开始(仅在离开聚束器之后)，在加速器结构的中间，以及在加速器结构的最后(仅在撞击目标之前)重叠电磁波32(也称为载波)的电子聚束30。图3图示了LINAC的更高能量操作，其中电子聚束30可以在加速器结构的各个区域大致重叠在电磁波32的波峰(大致同步)。

在多能量LINAC中，加速器结构典型地配置成使得电子聚束30以较高能量操作重叠在高能量电磁波32的波峰，如在图3所示。然而，为了在电子束上给予较少能量用于较低能量操作，可以通过减小速调管6的输出功率来减小电磁波的强度(振幅)(例如，通过减小到速调管6的输入驱动功率或通过减小速调管高压脉冲)。作为在用于较低能量操作的电子束上给予较少能量的另一示例，也可以通过有效地增大来自电子枪的光束电流(称为光束加载)(在下面章节6.3讨论)来减小电磁波所赋予的加速度。较低强度电磁波比较高强度电磁波以更低的速率加速电子聚束。因此，在降低RF场振幅来降低X光束的能量时，电子聚束在聚束器中并非快速地获得能量并且因此在聚束器的最后结束在波峰之后。这使得电子聚束在加速器结构的聚束器区域最后落入波峰之后。如果RF频率对于低能级与高能级相同，则聚束将在加速器结构中保持在波峰之后，得到不理想的宽能量谱。

在电子聚束没有通过电磁波的波峰时，降低了LINAC的效率，并且因此比另外生成较低功率X光束所必需的功率需要更大的功率。更重要的是，由于电子聚束不在波峰，所以任何起伏会使得电子聚束在电磁正弦波上向上或向下移动。由此，X光束的能量将根据RF频率和振幅起伏和加速器结构温度的变化而波动。这改变了赋予电子聚束的能量的量，这引起不稳定并且降低了所得到的X光束的可重复性。

三个典型的起伏来源包括来自RF源的频率起伏，来自加速器结构的温度变化以及来自RF源的振幅起伏。所有三种起伏来源都会引起电子聚束在电磁正弦波上向上或向下移动。另外，RF源的振幅起伏也会引起通过LINAC的加速场的振幅的起伏。

驻波LINAC具有从加速器结构的一端到另一端的固定数量的半波长，等于谐振加速腔的数量。因此，电磁波的相位速度在驻波LINAC中不会变化。对于驻波LINAC来说，在电磁波的频率变化时，电磁波移动离开加速器结构的谐振频率，并且电磁波的振幅降低。然而，相位速度仍然不变，并且加速器结构仍然具有相同数量的半波长。因此，驻波LINAC不能调整成使得电子聚束重叠在用于多个能级的电磁波的波峰处。

行波LINACS具有以下特性，不同于具有离散模式(如在驻波LINAC中那样)，它们具有连续通带，其中相位速度(电磁波的速度)随着变化频率连续变化。在TWLINAC中，电磁波的相位速度可以随着频率变化而变化。

图4图示了用于示例性TWLINAC的扩散曲线34。图4中的扩散曲线34绘出了用于示例性TWLINAC的角频率(ω≡2πf，其中f为加速器结构中电磁波的频率)对传播常数(β≡2π/λ，其中λ为加速器结构中电磁波的波长)。传播常数β为沿TWLINAC的Z轴每单位距离的RF电磁波的相移。TWLINAC中的电磁波的相位速度等于从原点到工作点ω,β的直线的斜率，ω/β，等于电磁波的频率乘以波长(fλ)。如图所示，电磁波的相位速度随着变化频率连续变化。群速度(电磁波脉冲传播的速度)由dω/dβ，扩散曲线的斜率给出。由以下方程给出相位δφ(z)在角频率δω的变化所引起的TWLINAC中的纵向位置z处的变化：

δφ(z)＝δω∫dz/(dω/dβ)＝δω∫dz/vg＝δωtf(z)(1)

其中tf(z)为从LINAC的开始到位置z的填充时间。

重要的是认识到，通常对于LINAC来说，扩散曲线以及由此的相位速度和群速度可以根据单元不同而变化。在这里作为示例的TWLINAC中，对于最大能量操作来说，大多数LINAC具有等于光速的恒定相位速度。然而，把结构设计成具有近似恒定的梯度，这意味着群速度随着沿LINAC的距离近似线性地降低。因此，在频率以较低能级(例如，以6MeV)改变(升高)来操作时，为了获得最大可能的能量，在电子以近似光速行进的加速度部分内，相位速度不再恒定。

随着在TWLINAC中电磁波的角频率增加，电磁波的相位速度降低。由此，如果生成高能量电子束所使用的电磁波的角频率为ω1并且生成低能量电子束所使用的电磁波的角频率为ω2，则ω1/β1(L1)的斜率将比ω2/β2(L2)的斜率陡峭。因此，生成高能量X光束的电磁波的相位速度高于生成低能量X光束的电磁波的相位速度。可以选择生成高能量X光束所使用的电磁波的角频率，使得用于电磁波通过大部分LINAC的相位速度(ω1/β1)近似等于光速。

图5图示了用于高效磁耦合的凹状空腔行波LINAC的扩散曲线36。在图5的扩散曲线36中，y轴代表角频率而x轴代表传播常数。如图所示，在高效磁耦合的凹状空腔TWLINAC配置中，相位速度随着变化频率连续变化。然而，图5的扩散曲线36示出了角频率与图4的扩散曲线34所示的相位速度之间的不同关系。例如，在图5的扩散曲线36中，与高能量电子束相关联的角频率高于与低能量电子束相关联的角频率。这与图4的扩散曲线34形成相反，其中与高能量电子束相关联的角频率低于与低能量电子束相关联的角频率。角频率与相位速度之间的关系对于不同LINAC可以不同，并且因此用来调节TWLINAC的特定角频率应当基于用于被调节的TWLINAC的角速度与相位速度之间的关系来选择。磁耦合回波的行波恒定梯度LINAC具有并联阻抗，其头椎体工作在3π/4或4π/5附近，并且因此效率与耦合驻波加速器的空腔一样高。

在一个实施例中，电磁波的相位速度可以调整成使得电子聚束平均来说在电磁波的波峰行进。可替代地，电磁波的相位速度可以调整成使得电子聚束平均来说在电磁波的波峰之前行进。对于多个不同的能级，可以仅通过将电磁波的频率改成适合水平来实现对相位速度的调整。可以基于如图4和5中所示的扩散曲线来确定这种适合的水平。例如，电磁波的RF频率可以提高从而降低波形的相位速度，使得电子聚束比波形移动更快并且随着它通过加速器行进而向上漂移。如果RF源为速调管6，则改变TWLINAC的RF频率容易逐脉冲地实现，从而允许2个或更多能量以高重复速率交织。在使用其他RF源时，也可以进行频率改变。这个策略对于宽能量范围(例如，包括整个单结构X频带或者整个单结构S频带能量范围)也有效。

图6图示了在TWLINAC的加速器结构中重叠在三个不同区域的电磁波42的电子聚束40。图6图示了LINAC的较低能量操作。电子聚束在图6中被描述为基本上是非同步的。电磁波的相位速度被调整成使得相位速度低于电子聚束的速度(例如，通过增加电磁波的RF频率)。在该较低能量光束操作中，电磁场会更小并且电子束在聚束器区域中加速更慢。在电子聚束离开加速器结构的聚束器区域时，它会位于电磁波的波峰之后。在近似加速器结构的中间，电子聚束40位于电磁波42的波峰。在加速器结构的最后，电子聚束40位于电磁波42的波峰之前。平均来说，电子聚束40位于电磁波42的波峰。因此，电子聚束具有等于通过加速器结构重叠在较小振幅电磁波的波峰的电子聚束的能量谱。结果，起伏不会引起电子束能量的显著变化，并且不会引起所得到的X光束能量的显著变化。

在一个实施例中，对于给定能级，调整相位速度使得聚束位于加速器结构最后的波峰之前的距离与位于加速器结构的聚束器区域的最后的波峰之后的距离一样远。在聚束开始处的在加速器结构的前一半获得比聚束最后的电子更多能量的电子的方式可以在加速器结构的后一半中获得较少能量，并且两个效果抵消为第一量级。类似地，如果RF频率起伏很小量使得电子聚束在开始处进一步落后，使得在加速器的前一半获得较少能量，则它在第二半获得更多能量，由此最小化能量起伏。以此方式调整频率的净效果是在加速器结构的最后使得聚束内的能量看起来好像聚束通过加速器重叠在较小振幅波形的波峰。这种频率调整可以使得对于电磁波的特定振幅的能量增益最大(提供最大X光量)并且取决于RF功率水平减小光束能量。

在另一实施例中，相位速度调整成使得对于给定能级聚束位于加速器结构最后的波峰之前的距离比落在加速器结构开始的波峰之后的距离远。换言之，将RF频率提高到可以获得最大X光量的点之上。这种调整可以解决基于RF源的振幅起伏引入LINAC的加速场的振幅起伏。然而，应当注意，相比调整相位速度，这种调整可以使得电子束和X光的能量谱更宽，使得对于给定能级，聚束位于加速器机构最后的波峰之前的距离与位于加速器结构开始的波峰之后的距离一样远。

如上所述，来自RF源的频率起伏，来自加速器结构的温度变化和来自RF源的振幅起伏都使得电子聚束从电磁波的顶峰离开。然而，RF源的振幅起伏也使得通过LINAC的加速场的振幅起伏。平均来说，在调整相位速度(例如，RF频率)来把聚束布置在电磁波顶峰之前时，可以改善加速场的振幅的起伏。也可以调整RF源的振幅来改善振幅起伏。可替代地，或者另外，可以改变LINAC的脉冲重复速率来改善起伏来源。例如，如果工作在6MeV时，存在TWLINAC所经历的180Hz或360Hz条纹，则脉冲重复速率可以从每秒400个脉冲(pps)到360pps从而减弱起伏。

通过将RF频率提高到获得最大X光量的点之上，可以明显减小X光量的起伏。这是最优的，这是因为在频率上升到最大X光量点之上时，它减小了电磁波的相位速度并且平均来说在LINAC中将聚束移动到加速波峰之前。随后，如果RF振幅起伏向上，聚束移动到波峰之前更远，并且正弦波的向下斜率补偿LINAC中加速场的增加。在一些频率上，光束能量或X光量的衍生物相对于RF功率真正地消失。

在一个实施例中，最优RF频率取决于X光量起伏的三个来源的相对振幅。如果仅通过增加RF频率将聚束移动到加速波峰之前，那么光束能量和X光量将减小。然而，可以通过以保持能量近似恒定的方式改变RF驱动的频率和振幅将聚束移动到加速器波峰之前。在一个实施例中，在LINAC系统的试运行中，在光束能量分光计可用时，对于每个工作能量，测量最大X光量点之上的功率对RF频率的函数。随后，操作者可以求出沿该功率对频率曲线给出最佳稳定度的点并且在此工作。

仅通过改变频率(或者通过改变频率和振幅)而改变波形的相位速度的能力使得电子聚束对于给定能级位于相对于电磁波的最佳位置。因此，可以在能级范围生成稳定的X光。这使得TWLINAC不易受到温度变化，电磁波频率的起伏以及电磁波振幅的起伏的影响。

6.3频率控制器在多能量TWLINAC操作中的使用

在TWLINAC的多能量交织操作中，可以使用频率控制器通过将加速器结构输入端的电磁波的相位与加速器结构的输出端的电磁波的相位相比较来测量通过LINAC结构的电磁波的相移。频率控制器可以向振荡器发送信号来基于频率控制器所检测的相移的幅度修正最终耦合到加速器结构的电磁波的频率。在非限定示例中，频率控制器可以是自动频率控制器(AFC)。频率控制器可以是多频率AFC，并且可以工作在用于各个不同频率的设置点，其中各个频率与各个不同能量相关联。频率控制器可以用来测量电磁波在输出耦合器相对于在输入耦合器的电磁波的RF相位的RF相位。利用该信息，频率控制器可以用于电磁波的频率，将通过LINAC的相移保持在用于LINAC操作的各个不同能量的分别设置点。频率控制器在多能量交织TWLINAC的快速切换期间可以利用快速确定来有利于稳定的操作。例如，频率控制器可以用来在系统从待机步进到全功率，在加速器结构冷却水的温度中漂移，或者在振荡器的频率中漂移时来校正TWLINAC加速器结构的快速热化的效果。

图7示出了包括频率控制器的TWLINAC的实施例的框图。在图7的图示中，频率控制器包括控制器72和相位比较器74。在图7的示例中，相位比较器74将加速器结构8的输入端(P1)的电磁波与加速器结构8的输出端(P2)的电磁波相比较并且为控制器72提供相移测量值(ΔP)。频率控制器可以向振荡器76发送信号来调节振荡器76的频率。如上所述，振荡器76可以生成具有频率控制器所提供的频率的信号，并且RF信号可以经过放大器78放大并且提供给速调管(未示出)。由此，从频率控制器到振荡器76的信号最终可以基于频率控制器所检测的相移的幅度进行耦合到加速器结构的电磁波的频率的修正。振荡器76也可以生成引起电磁波的频率变化一定量的信号从而在交织操作中改变在电磁波脉冲之间的大间隔中的LINAC的工作能量。频率控制器在图7中图示为包括作为分立单元的控制器72和相位比较器74。然而，在其他实施例中，频率控制器可以包括作为集成单元的控制器和相位比较器。

图8示出了包括可用于双能量操作的频率控制器的TWLINAC的另一实施例的框图。在图8的图示中，频率控制器包括控制器82，和分别用于LINAC操作的不同能量的两个相位比较器(相位比较器A83和相位比较器B84)。相位比较器A83将加速器结构8的输入端(P1A)的电磁波与加速器结构8的输出端(P2A)的电磁波相比较并且为控制器82提供相移的测量值(ΔPA)。相位比较器B84将加速器结构8的输入端的(P1B)的电磁波与加速器结构8的输出端(P2B)的电磁波相比较并且为控制器82提供相移的测量值(ΔPB)。图8的图示包括两个振荡器(振荡器85和振荡器86)，每个振荡器用于LINAC的不同操作能量。频率控制器82可以向振荡器85发送信号从而基于将电子束加速到操作的期望第一能量所使用的电磁波的测量相移ΔPA来调节振荡器85的频率。此外，频率控制器82也可以向振荡器86发送信号从而基于将电子束加速到期望的第二操作能量所使用的电磁波的测量相移ΔPB来调节振荡器86的频率。如上所述，振荡器85和86均可以生成具有频率控制器所提供的频率的RF信号，并且RF信号可以经过放大器88放大并且提供到速调管(未示出)。由此，从频率控制器到振荡器85(或振荡器86)的信号最终可以基于频率控制器所检测的相移的幅度针对给定的操作能量进行耦合到加速器结构的电磁波的频率的修正。频率控制器在图8中图示为包括作为分立单元的控制器82，相位比较器A83，和相位比较器B84。然而，在另外实施例中，频率控制器可以包括作为集成单元的控制器和相位比较器。

图9示出了TWLINAC的示例操作的步骤流程图。在图9的步骤90中，来自电磁波源的第一电磁波耦合到TWLINAC的加速器结构。在步骤92，第一电子集被注入TWLINAC的加速器结构的输入端并且第一电子集被加速到第一能量。在步骤94，频率控制器将加速器结构的输入端的电磁波的相位与输出端的电磁波的相位相比较从而监测电磁波的相移。步骤94可以发生在在步骤92中第一电子集加速到第一能量期间。在步骤96中，频率控制器向振荡器发送信号，并且振荡器可以使得电磁波源基于频率控制器所检测的相移幅度生成校正频率的后续的电磁波。例如，基于所检测的相移的幅度，校正的频率可以与第一频率相差量δf(例如，δf可以是大约0.000001MHz或更多，大约0.00001MHz或更多，大约0.001MHz或更多，大约0.01MHz或更多，大约0.03MHz或更多，大约0.05MHz或更多，大约0.08MHz或更多，大约0.1MHz或更多，或大约0.15MHz或更多的量级的差)。步骤98的后续电磁波具有与步骤90的电磁波大致相同的振幅。例如，如果这些电磁波在幅度上差别小于大约0.1％，小于大约1％，小于大约2％，小于大约5％，小于大约10％，或更多，则这些电磁波可以具有大致相同的幅度。如上所述，振荡器可以生成具有频率控制器所提供的频率的信号，并且该信号可以经过放大器放大并且提供到电磁波源(诸如速调管)。电磁波源可以基于从放大器接收的放大信号生成后续的电磁波。在步骤98中，后续的电磁波被耦合到加速器结构。在步骤100中，另一电子集被注入TWLINAC的加速器结构的输入端并且该电子集被后续的电磁波加速到与第一电子集的第一能量大致相同范围的输出能量。如果输出能量的范围的中心值(例如，均值或中值)在幅度上差别小于大约0.1％，小于大约1％，小于大约2％，小于大约5％，小于大约10％，或更多，则两个不同电子集的输出能量的范围大致相同。步骤90-100可以在TWLINAC的操作期间重复多次。

在交织操作中，可以操作LINAC在两个不同的输出能量之间循环。例如，可以操作LINAC在约6MeV和大约9MeV之间交替。在这种操作中，在步骤96之后而在步骤98之前，LINAC可以操作在不同于第一电子集的第一能量(例如，大约6MeV)的能量(例如，大约9MeV)。加速器结构中的用于加速这些另外的电子所使用的电磁波的振幅和频率可以不同于在步骤90中所使用的电磁波。例如，在交织操作中，生成第一电磁波并且用来将第一电子集加速到第一能量，生成(不同振幅和频率的)第二电磁波并且用来将第二电子集加速到不同于第一能量的第二能量，随后基于第一电磁波的相移生成后续的电磁波(如上所述)并且用来将后续的电子集加速到与第一能量基本上相同的能量范围。在交织操作的另一示例中，在工作在第二能量之前，LINAC工作在第一能量用于多个脉冲。LINAC也可以操作成以第一能量提供多个脉冲并且随后操作成以第二能量提供多个脉冲。

在另一示例操作中，在步骤90之前，用于第一能量的相位设置点可以输入到相位比较器。相移可以插入到相位比较器的一个输入臂使得在针对期望的脉冲能量校正相位时相位比较器输出例如0电压的读数。在另一示例中，在步骤94之后和步骤96之前，用于第二能量的相位设置点可以输入到相位比较器。

针对TWLINAC操作的各个不同能量，频率控制器可以具有几个不同设置点用于最佳相移。例如，频率控制器可以具有N个不同的设置点用于对应于TWLINAC操作的各个N(N≥2)个不同能量的最佳相移。

随着电子束在加速器结构中被加速，频率控制器可以连续地执行相位比较。例如，频率控制器可以从电磁波耦合到加速器结构的输入端的时刻连续地执行相位比较直到电子从加速器结构的输出端输出。可以在另一电磁波耦合到加速器结构之前，改变用于相位桥的设置点，使得设置点适合于输出电子的后续脉冲的想要的能量范围。

频率控制器可以调整频率从而获得理想的相位设置点。例如，对于加速器结构为正向波形结构的TWLINAC来说，频率控制器可以发送信号从而提高频率用于较低能量操作，其中电子束通过聚束器区域移动较慢。在另一示例中，对于加速器结构为前向波形结构的TWLINAC来说，频率控制器可以发送信号从而降低频率用于较高能量操作，其中电子束通过聚束器区域移动较快。在电子从例如，大约15keV(从电子枪出现的示例的电子能量)到大约1MeV加速时，电子束通过聚束器区域的转移时间可以明显不同于从较低能量操作到较高能量操作。转移时间的不同源自施加到用于较低能量束与较高能量束的电子的不同的电场强度。例如，在双能量操作中，用于较低能量束的电场强度可以是用于较高能量束的大约2/3。在TWLINAC的交织操作中，频率控制器可以发送信号从而调节电磁波的频率使得针对各个不同能量使得电磁波波峰的转移时间通过针对通过加速器结构的电子的转移时间所优化的结构。例如，频率控制器可以发送信号来提供电磁波波峰，其通过加速器结构的转移时间比用于较低能量束的转移时间长。

在加速器结构为回波形结构的示例中，在前面讨论的频率变化的符号将取反。例如，如果提高频率从而实现用于前向波形结构的结果，则降低从而实现用于回波形结构的结果。

改变电磁波的频率可以改变波形的相位速度从而在每个电子束能量上电子聚束平均来说可以位于波形波峰上。TWLINAC可以配置成使得对于称为同步能量的一个特定能量来说，LINAC的聚束器区域和加速结构可以设计成使得聚束位于通过LINAC的所有方式的波峰附近。如果TWLINAC操作在大能量范围上，例如，从3MeV到9MeV的能量，则可以选择同步能量位于操作范围的中间附近。

如果降低电磁波的输入功率(以及由此的振幅)从而降低磁场，并且由此降低电子束的能量，则磁场可以贯穿LINAC均匀地较小。然而，减小电磁波功率的影响(包括降低的电子速度)可以更集中在聚束器区域内，这是由于一旦电子接近相对速度，则电子的速度对于电磁波的功率变得不那么敏感。由于针对恒定梯度前向波TWLINAC的频率变化导致的波形的相位速度变化可以在加速器结构的输入端小而在输出端大。频率控制器可以发送信号从而改变电磁波的频率，使得电子聚束在加速器结构的前三分之一基本上行进在波峰之后，从而以围绕加速器结构的中间到达波峰，并且在加速器结构的最后三分之一中基本上位于波峰之前。在该示例中，可以通过在通过LINAC行进的最后三分之一中的波峰之前行进来去除作为电子聚束内的位置的函数的能量相关性，电子在行进通过LINAC的前三分之一中获得的该能量相关性。去除作为位置函数的能量相关性的频率调整也可以将通过LINAC的能量增益最大化，并且可以将x光量最大化。

对于给定的操作能量，频率控制器的最佳频率和设置点可以是来自电子枪的能量和光束电流两者的函数。可以改变来自电子枪的光束电流来改变电子通过光束加载效果的输出能量。在光束加载效果中，以LINAC的工作频率聚束的电子束可以在加速器结构中感生具有与耦合到LINAC的电磁波所施加的加速度相反的相位的场，并且可以操作来将电子的前向运动反向的场。即，光束加载可以感生操作来对电子束减速的场。这些感生场的强度随着光束电流的幅度线性变化，并且可以随着沿加速器结构的距离线性地粗略上升。较高的电子束电流可以感生较高强度的电场，该电场将耦合到LINAC的电磁波所施加的加速度反向并且造成电子束经历减小加速度。光束加载可以有效地降低电磁波的强度。增加电子枪电流(以及由此的光束加载的效果)的理想结果从而降低输出电子的能量可以如下，例如可以从增加的电子量速率提高x光量。

光束加载效果可以降低电子束的能量，同时不影响电子束通过加速器的转移时间，这是由于电子束感生场在电子束为非相对的输入端很小。如果提高电磁波的功率设法补偿由于光束加载导致的降低的能量，则电场可以在加速器结构的所有空腔中同样地变化并且对通过加速器结构的光束转移时间具有巨大影响。由此，对于交织操作的各个不同能量来说，可以进行频率控制器的设置点的调整来解决例如由于光束加载的影响导致针对各个不同操作能量发生的通过LINAC的不同RF相位漂移。

在LINAC的多个能量操作中，电子枪对于各个操作能量可以操作在不同的光束电流下。如上所述，对于较低能量操作增加光束电流可以在比仅通过降低来自速调管的电磁波的强度获得的较低的能量提供增大的x光量。针对LINAC操作的各个不同能量使用来自电子枪的不同光束电流可以有助于在不同的操作能量上维持相同的x光强度。

在另一实施例中，对于各个不同的能量，操作者可以选择通过LINAC的相移，该相移将对于该能量的X光量最大化。即，操作者可以针对各个不同的操作能量选择频率控制器的设置点。频率控制器随后可以连续调整电磁波的频率从而将电磁波的相位保持在针对该能量的预设相位设置点。看来，通过LINAC的相移的类似值可以优化电子谱(即，消除在沿LINAC的纵向的聚束中与位置的能量相关性)，将能量最大化，并且将x光量最大化。然而，将x光量最大化会对频率敏感并且可以容易执行。

在实施例中，在反馈操作中，频率控制器可以根据对电磁波的频率的调整保持自动控制。在非限定示例中，频率控制器可以是自动频率控制器(AFC)。

在另一实施例中，频率控制器可以保持自动控制并且调整电磁波的频率从而稳定以给定操作能量输出的电子能量。在电子的能量谱以加速器的理想操作能量为中心或者大致附近时，电子能量得到稳定(即，对于给定电磁场的LINAC的最大可获得能量)，并且输出电子的能量谱的最大值的一半处的整个宽度最小化(即，变窄)。本文所述的所有系统和方法也适用于包括频率控制器的TWLINAC操作的该实施例。例如，频率控制器可以保持自动控制并且调整电磁波的频率从而稳定各个操作能量下的电子能量。在该示例中，频率控制器可以将某个能量下的第一电子输出与相同能量下的第二电子输出相比较，并且频率控制器向振荡器发送信号，并且调整电磁波的频率从而稳定电子输出。电磁波的频率可以在相同能量的交替脉冲上变化从而确定电子的测量输出对频率的特性，并且由此确定能使得电子输出以最小能量扩散在理想能量周围到达顶峰的频率变化。

在另一实施例中，频率控制器可以保持自动控制并且调整电磁波的频率从而将各个能量下的x光量(通过将目标与输出电子接触所生成的)最大化。例如，频率控制器可以发送信号来基于测量的x光量调整电磁波的频率。可以预先确定给定交织操作的能量下的x光量的最大值。电磁波的频率可以在相同能量的交替脉冲上变化从而确定测量的x光量与频率的特性，并且由此确定能使得光量向着最大值移动的频率变化。在该示例中，相同能量下的两个连续脉冲上的x光量可以进行比较来确定对电磁波频率的调整。在特定实施例中，频率在相同能量的交替脉冲上变化大约100kHz，引起通过相位的大约8度的结构的相位变化。利用该频率变化，电子聚束可以在相同能量的连续脉冲上在电磁波的波峰之前的大约2度和之后大约2度之间交替。

在反馈操作中，频率控制器可以在对电磁波的频率的调整上保持自动控制。反馈环会很复杂并且确定频率调整的收敛时间会很长。可以通过与误差信号成比例地进行频率校正(或调整)来减小收敛时间。在使用频率控制器在各个操作能量将x光量最大化的实施例中，误差信号可以确定为来自两个脉冲的x光量之间的差，由来自两个脉冲的x光量的和来除。光束能量可以近似为通过LINAC的相移的正弦函数。通过两个x光量的和进行归一化可以使得误差信号测量对x光测量装置的变化不敏感。在使用频率控制器稳定各个操作能量的输出电子的能量的实施例中，误差信号可以确定为来自两个脉冲的电子电流之间的差，由来自两个脉冲的电子电流的和来除。

可以使用在反馈操作中工作的频率控制器来校正电子枪电流的小漂移或RF功率(由此的幅度)的小漂移的影响。即，另外校正加速器结构的温度漂移或者振荡器的频率的漂移。

6.4X光

在某些方面，可以通过来自LINAC的加速的电子束或电子聚束根据目标材料的碰撞生成x光。通过两个不同的机构生成x光。在第一机构中，来自LINAC的电子碰撞目标的原子可以赋予足够能量，使得来自原子较低能级(内壳)的电子逃离原子，在较低能级中留下空穴。原子的较高能级中的电子下降到较低能级从而填充空穴，并且发出多余的能量作为x光子。由于较高能级和较低能级之间的能量差为离散值，所以这些x光子(一般称为k壳辐射)出现在x光谱中作为尖锐直线(称为特征直线)。K壳辐射具有取决于目标材料的信号能量。在第二机构中，来自LINAC的电子束或聚束被目标原子附近的强电场散射并且发出轫致辐射。轫致辐射产生连续谱的x光子，其中x光的强度在入射电子的能量下从0增加。即，可以通过电子从LINAC产生的最高能量x光为电子从LINAC发出时的最高电子能量。对于许多应用来说，轫致辐射可以比特征直线更有利。

用于作为生成x光的目标的材料包括钨，某些钨合金(诸如但不限于碳化钨，或者钨(95％)-铼(5％))，钼，铜，铂和钴。

6.5器材

可用于行波LINAC的操作的某些仪器包括速调管调节器和电磁波源。

6.5.1调节器

调节器生成保持几微秒的高压脉冲。这些高压脉冲可以提供给电磁波源(在下面章节6.5.2中讨论)，提供给电子枪(见上面章节6.1)，或者同时提供给两者。电源给调节器提供DC电压，调节器将DC电压转换成高压脉冲。例如，固态速调管调节器-K1或-K2(ScandiNovaSystemsAB，Uppsala，Sweden)可以与速调管相连使用。

6.5.2微波发生器

电磁波源可以是本领域技术人员认为适合的任何电磁波源。用于LINAC的电磁波源(在射频(“RF”)范围的微波)可以是速调管放大器(在以上章节6.1)。在速调管中，RF源和大小和功率输出能力与电磁波的波长大致成比例。可以通过改变其振幅、频率或相位来修正电磁波。

6.6示例性设备和计算机程序实现

本文描述的方法的各个方面可以使用计算机系统来执行，例如根据以下程序和方法在该章节中讨论的计算机系统。例如，这种计算机系统可以存储和发出命令从而有助于根据本文所披露的方法修正电磁波频率。在另一示例中，计算机系统可以存储并发出命令从而有助于根据本文披露的方法进行频率控制器的操作。所述系统和方法可以在各种类型的计算机架构上实现，例如像单个通用计算机，或者并行处理计算机系统，或工作站，或者联网系统(例如，如图10所示的客户端-服务器配置)。

图10图示了适合于实现本文所披露的方法的示例性计算机系统。如图10所示，实现本文披露的一个或更多方法和系统的计算机系统可以链接成网络链路，例如可以是局域网(“LAN”)到其他局域网，本地计算机系统和/或网域网(“WAN”)的部分，诸如英特网，连接到其他远程计算机系统。软件组成可以包括使得一个或多个处理器向一个或多个控制单元发出命令的程序，使得一个或多个控制单元发出命令从而触发频率控制器，操作电磁波源生成某一频率的电磁波，和/或操作LINAC(包括将电磁波耦合到LINAC的命令)。所述程序可以使得系统从数据存储(例如数据库)获得命令用于以特定顺序执行方法的步骤，包括触发频率控制器和操作电磁波源从而生成某一频率的电磁波。这种数据存储可以存储在大型存储器(例如，硬盘驱动器)或其他计算机可读介质并且加载到计算机的内存中，或者数据存储可以通过网络方式由计算机系统存取。

除了本文描述的示例性程序结构和计算机系统，本领域技术人员将容易想到其他替代程序结构和计算机系统。因此，在精神和范围上不脱离上面所述计算机系统和程序结构的这些替代系统意在涵盖在本申请所要求的保护范围中。

7.结果

之前已经讨论了某些结果。本章节提供另外的结果或者进一步讨论上述的一些结果。

可以从具有意在以9MeV和6MeV的交织光束运行的集成聚束器的单个部分加速器的设计中看出针对较低能量束改变RF电磁波的频率的有利效果的示例。图11-13图示了在电子LINAC(PARMELA)仿真中相位和径向运动的曲线，示出了针对较低能量束修正频率的优势。

图11图示了PARMELA仿真的第一组四个曲线。图11图示了对于6MeV光束的结果，其中频率从9MeV光束升高到大约1MHz。通过将聚束平均布置到RF电磁波的正弦波的波峰上，1MHz的频率增加优化6Mev的谱并且最小化能量起伏。对于6MeV光束的频率变化与9MeV光束相比将通过加速器结构的相移改变了大约80度。这使得聚束的中心针对波峰之前的5度的平均位置从波峰之后的大约35度漂移到波峰之前的45度。这可以最大化大约2％谱中的电荷，并且可以最小化x光量的强度起伏。

图11的左上方曲线是电子聚束中的电荷分布，水平轴表示RF相位的校准程度，纵轴表示每个单元的宏观颗粒数量。对于总共200个单元来说，每个单元为0.4度宽。左下方曲线为电子在纵向相位空间中的分布，水平轴与以上曲线相同，而纵轴为相对于基准颗粒的能量，单位为KeV。右下方曲线为能量谱，纵轴表示能量，而水平轴表示每个单元的电子数。右上方曲线位电子在屏幕上看去的横向(x/y)空间中的分布。

图12图示了对于6MeV光束的结果，其中频率对于6MeV光束和9MeV光束相同。在图12中，电子聚束位于贯穿加速器结构的波峰之后的大约35度。因此，该谱宽并且所得到的能量大约为5.1MeV。这需要电磁波的强度增加从而输送特定的6MeV光束。对于图示的6MeV光束来说，引起相位起伏的任何条件将引起电子能量的大起伏以及甚至x光强度的更大起伏。

图13图示了用于6.3MeV光束的结果，其中频率对于6.3MeV光束和9MeV光束来说相同。在图13中，聚束位于电磁波的波峰之后大约24度。由于聚束仍然远离波峰，所以任何相位起伏仍会引起非常明显的x光强度起伏。

如由图11、12和13之间的对比所示，可以通过调整多能量TWLINAC的不同能级之间的频率来实现阻抗与相位起伏以及阻抗与x光强度起伏的显著改善。调整不同能级之间的频率也可以降低需要由RF电磁波所提供的功率。

Claims (13)

1.一种操作行波线性加速器的方法，包括：

将第一电磁波从电磁波源耦合到加速器结构的输入端，所述第一电磁波在所述行波线性加速器的所述加速器结构中具有第一振幅和第一频率；

通过利用所述第一电磁波加速第一电子束从所述加速器结构的输出端生成具有第一能量的第一电子输出；以及

使用与所述加速器结构的输入端和输出端相接的频率控制器来监测所述第一电磁波的第一相移，

其中所述频率控制器将所述第一电磁波在所述加速器结构的输入端处的相位与所述第一电磁波在所述加速器结构的输出端附近的相位相比较，

其中基于所述第一相移，所述频率控制器将第一信号发送给振荡器，并且

其中基于所述第一电磁波的第一相移的幅度，所述振荡器使得所述电磁波源生成第二电磁波，所述第二电磁波在所述加速器结构中具有第二频率。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括将所述第一电子输出与目标接触从而产生第一x光能量范围内的第一x光束。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括通过利用所述第二电磁波加速第二电子束从所述加速器结构的输出端生成具有第二能量的第二电子输出。

4.如权利要求3所述的方法，其中所述第二能量与所述第一能量相同。

5.如权利要求3所述的方法，其中所述第二频率不同于所述第一频率以及所述第二能量不同于所述第一能量。

6.如权利要求3所述的方法，其中所述第一能量和所述第二能量交织。

7.如权利要求1所述的方法，其中所述电磁波源为速调管。

8.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

将在所述加速器结构中具有第三振幅和第三振幅的第三电磁波从所述电磁波源耦合到所述加速器结构的输入端；

通过利用所述第三电磁波加速第三电子束来生成具有不同于第一能量的第三能量的第三电子输出；以及

使用所述频率控制器监测所述第三电磁波的第三相移，

其中所述频率控制器将第三电磁波在所述加速器结构的输入端处的相位与第三电磁波在所述加速器结构的输出端处的相位相比较，

其中基于所述第三相移，所述频率控制器将第三信号发送给所述振荡器，并且

其中基于所述第三电磁波的相移的幅度，所述振荡器使得所述电磁波源生成在所述加速器结构中具有第四频率的第四电磁波。

9.如权利要求8所述的方法，进一步包括将所述第三电子输出与目标接触从而产生第三x光能量范围内的第三x光束。

10.如权利要求8所述的方法，进一步包括通过利用所述第四电磁波加速第四电子束从所述加速器结构的输出端生成具有第四能量的第四电子输出。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述第四能量与第三能量相同。

12.如权利要求10所述的方法，其中所述第三能量与所述第四能量交织。

13.如权利要求8所述的方法，其中所述第一能量与所述第三能量交织。