CN104320904A - 微波电子加速器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种微波电子加速器。该微波电子加速器包括：磁控管、波导系统、加速腔、磁体系统和电子发生器，所述的磁体系统在加速腔内形成的磁场强度值中间小，周边强；微波在加速腔内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向；电子在加速腔内受到磁场作用，做回旋运动，回旋频率与微波频率相同，形成共振加速。本发明通过微波对有磁场存在的真空室内的电子进行加速，使其达到几十千电子伏到几百千电子伏的能量，进而用于产生X射线或用来杀菌。该加速器具有结构简单、小巧可靠，能够产生强电子束流的特点，连续工作寿命在一年以上，达到工业生产设备长期运行的条件。
Description
技术领域
本发明涉及电子加速器技术领域，尤其涉及一种利用微波的低能微波电子加速器。
背景技术
电子加速器是一种应用广泛的设备，其主要用于工业探伤、安全检测、医疗检查、医学治疗、辐照灭菌等领域。其中，在低能检测领域，电子加速器的应用最为广泛，但目前常用的普通低能电子加速器通常采用高压加速的方法，加速器存在着电子流强小，效率低下的问题，并且由于加速器有高压，存在设备价格高、容易高压打火等缺点。
例如，中国科学技术大学2012年1月16日申请，申请号为201210013051.9，发明创造名称为一种基于微型电子加速器和能谱测量技术的高精度直流特高压测量方法公开了一种采用高压加速的微型电子加速器以及基于该微型电子加速器和能谱测量技术的高精度直流特高压测量方法，具体包括将待测高压加在高真空电子加速管两端的电极上形成加速电场，并通过激光光源发出连续的光在光阴极激发出光电子，所述光电子受电场作用而加速，然后射入闪烁体探测器中产生闪烁光脉冲，将所述闪烁光脉冲经集束光纤传输到低压侧的电子学系统产生电压或电流脉冲；通过分时多道对所述电压或电流脉冲的幅度进行测量，得到符合高斯分布的能谱，所述能谱的峰值处对应的能量正比于待测高压的大小。
上述技术由于采用高压技术，设备成本高，且容易出现高压打火等缺陷。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种成本低、低能的微波电子加速器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种微波电子加速器，其特征在于，包括：磁控管；波导系统，所述的波导系统与磁控管相连接；加速腔，所述的加速腔为所用微波的谐振腔，与波导系统相连通，所述的磁控管产生的微波通过波导系统进入加速腔，发生共振，产生强电场；磁体系统，所述的磁体系统设于加速腔的外部；电子发生器，所述的电子发生器设于加速腔上，在加速腔内产生电子；电子在加速腔内受到磁场作用，做回旋运动，回旋频率与微波频率相同，形成共振加速；其特征在于：磁体为环形，磁体中间薄、边缘厚。
优选地，所述的磁体系统包括两个磁体，所述的磁体为永磁体或者螺线管线圈，其形成的磁场强度径向分布中间低，两边高，类似马鞍形。
优选地，微波馈入频率为2.45GHz或0.9GHz。
优选地，所述的电子发生器设于加速腔的中心。
优选地，加速后电子能量小于1Mev。
优选地，磁场强度符合其中v是电子回旋共振的频率，q是电子的带电量，电子的质量me为相对论质量，即其中，m0为电子的静止质量，r为电子回旋半径，c为光速。
优选地，微波在加速腔内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向。
通过上述本发明的技术方案，本发明的微波电子加速器设计合理，结构简单，设备成本较低，且本发明的电子加速器利用电子回旋共振的原理，直接利用微波对磁场中作回旋运动的电子进行加速，设备没有高压电源，并且，产生的电子流强高，可以几十上百倍的提高电子的流强，提高X射线的产额，提升探测、辐照的效率。
附图说明
图1为本发明的微波电子加速器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明：
如图1所示，一种微波电子加速器，包括：磁控管1、波导系统2、加速腔3、磁体系统4和电子发生器5，同时该电子加速器还包括供电系统、真空系统等部分。其中，
所述的磁控管1用于产生微波(能)，优选使用普通工业2.45GHz 2kW磁控管。
所述的波导系统2与磁控管1相连接，波导系统2包括环行器、波导、水负载、调配器和微波窗，波导系统2用来引导微波的传输方向，环行器控制微波传输方向，水负载吸收残余反射微波能量，调配器调节波导与谐振腔阻抗的匹配，提高微波利用效率。优选地，微波窗主体由圆柱形三氧化二铝陶瓷制成，直径23mm。
所述的加速腔3与波导系统2相连通，所述的磁控管1产生的微波通过波导系统2进入加速腔3，该加速腔3为真空谐振腔；优选地，腔内真空度优于6*10E-5Pa，腔体内部电镀厚度2000nm银膜，以提高腔体的品质因数。微波进入加速腔3后可形成谐振，产生很强的电磁场。对于磁场中回旋运动的电子，当它的回旋频率与微波频率相同时，能够通过共振吸收微波能量，达到很高的速度。
所述的磁体系统4设于加速腔3的外部。所述的磁体系统4优选两个磁体，所述的磁体优选为钕铁硼永磁体，两个磁体为环形，磁体中间薄，边缘厚，N极和S极上下相对放置，两个磁体在加速腔3两侧对称设置。
所述的磁体系统4在加速腔3内形成的磁场强度值中间小、周边强，满足电子回旋共振的条件。所述的磁场强度符合其中v是电子回旋共振的频率，q是电子的带电量，电子的质量me为相对论质量，即其中，m0为电子的静止质量，r为电子回旋半径，c为光速。另外，要求微波在加速腔3内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向。优选地，磁体结构通过模拟程序优化设计。在一个优选实施例中，电子回旋共振的频率为2.45GHz，磁体系统4在加速腔3内形成的磁场强度中间最小值为875高斯。
所述的电子发生器5设于加速腔3上，所述的电子发生器5优选设于加速腔3的中心位置。电子发生器5在加速腔3内发生电子，电子在加速腔3内受到磁场作用，做回旋运动，回旋频率与微波频率相同，形成共振加速。
优选地，微波馈入频率为2.45GHz或0.9GHz。
同时，优选地，电子在加速腔3内加速后电子能量小于1Mev。
本发明利用电子回旋共振的原理，对磁场中作回旋运动的电子进行加速，获得几十到几百千电子伏特能量的强流电子，其工作原理如下：
加速器工作时，磁控管1产生的微波通过波导系统2进入加速腔3，在加速腔3内，受到加速腔3上下磁体(磁铁)的影响，存在特定设计的磁场，电子发生器5产生电子以后，受到磁场和微波电场的作用，在加速腔3内作回旋运动并不断地从微波内吸收能量，从而获得几十到几百千电子伏特能量。本发明的技术中，磁场必须满足电子回旋共振的条件，磁场中心低，边上强，磁场强度符合其中me即电子质量为相对论质量。同时，微波在加速腔3内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向。
本发明的上述结构设计同普通低能电子加速器相比具有如下有益效果：
第一，该电子加速器能量转换效率高、并且很容易获得几十到几百毫安的电子流，适用于需要强电子流处理的橡胶制品交联、轮胎硫化等；
第二，该加速器同常规低能电子加速器相比，不需要高压电源设备，一方面没有高压打火的风险，另一方面降低了成本；
第三，该设备体积小，重量轻，比如对于使用2.45GHz的微波的设备，加速腔核心部分的直径只有10厘米，远小于普通电子加速设备；
第四，该设备工作可靠，连续工作时间长，原则上连续工作寿命在3年以上。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种微波电子加速器，其特征在于，包括：
磁控管；
波导系统，所述的波导系统与磁控管相连接；
加速腔，所述的加速腔为所用微波的谐振腔，与波导系统相连通，所述的磁控管产生的微波通过波导系统进入加速腔，发生共振，产生强电场；
磁体系统，所述的磁体系统设于加速腔的外部；
电子发生器，所述的电子发生器设于加速腔上，在加速腔内产生电子；电子在加速腔内受到磁场作用，做回旋运动，回旋频率与微波频率相同，形成共振加速；
其特征在于：磁体为环形，磁体中间薄、边缘厚。
2.根据权利要求1所述的电子加速器，其特征在于：所述的磁体系统包括两个磁体，所述的磁体为永磁体或者螺线管线圈，其形成的磁场强度径向分布中间低，两边高，类似马鞍形。
3.根据前述权利要求任一项所述的电子加速器，其特征在于：微波馈入频率为2.45GHz或0.9GHz。
4.根据前述权利要求任一项所述的电子加速器，其特征在于：所述的电子发生器设于加速腔的中心。
5.根据前述权利要求任一项所述的电子加速器，其特征在于：加速后电子能量小于1Mev。
6.根据前述权利要求任一项所述的电子加速器，其特征在于：磁场强度符合其中v是电子回旋共振的频率，q是电子的带电量，电子的质量me为相对论质量，即其中，m0为电子的静止质量，r为电子回旋半径，c为光速。
7.根据前述权利要求任一项所述的电子加速器，其特征在于：微波在加速腔内加速区间有效电场分量垂直于磁场的方向。
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