CN104470192A - 电子直线加速器系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种电子直线加速器系统。在本发明中，提出了快速切换的双路微波系统，其中一路可直接接入加速管，另一路可通过衰减器、功分器、脉冲压缩器甚至放大器等器件改变微波功率的大小，然后再输入到加速管，以此实现对加速器输入功率进行快速切换，调变加速器的输出能量。

Description

电子直线加速器系统
技术领域
本发明的实施例涉及加速器领域，特别是医用和工业用加速器领域。
背景技术
双能电子直线加速器技术在集装箱/车辆等成像检查系统中得到了广泛的应用，利用高能和低能两种能量通过不同原子系数材料的衰减特性的不同，可以实现物质分辨。双能X射检查系统要求两档能量交替出束，由于重复频率通常在100Hz量级，因此要求在毫秒的时间内进行能量切换。电子直线加速器通常由微波功率源、微波传输系统、电子枪、加速管等分系统组成，现有的加速器能量调变方法主要包括以下几种：1)改变加速器输入微波功率的大小；2)改变加速器束流负载的大小；和3)通过特殊设计加速结构，改变加速器其中的一部分电磁场分布来改变能量。
方法1)直接改变加速器输入的功率源的大小的方法简单易行。但在快速切换微波功率源输出功率时，可出现微波功率源频率变化、输出功率不稳定的情况。
方法2)通过改变电子枪的发射电流调节加速器的束流负载，通过更强的束流吸收更多的微波功率来降低电子束能量，然后由于剂量率和束流的大小直接相关，可调节的参数灵活性小；同时也增加的对电子枪发射的要求。
方法3)的加速结构通常非常负杂，而且调节加速器场分布通常需要调节加速管的硬件结构，时间响应较慢。
基于方法1)的能量调变方法可作进一步改进，改进后的方法改变输入加速管的微波功率，但同时微波功率源工作在同一状态，保证两档能量下的微波源频率一致，且输出功率稳定。此方案需要在加速管和微波源之间增加可快速切换衰减或增益的微波传输系统。
美国专利US20100039051公开了一种方法，该方法基于魔T元件，在其中的一臂接移相器，通过快速改变该臂反射相位，以改变和另一臂功率合成时候到两个输出口的分配比，来调节输入到加速管的功率。但该方法工作在全反射的纯驻波状态，功率容量受到限制，且对环流器要求非常高。另外，利用这种方法，只能实现比功率源功率小的输出。
发明内容
发明的目的是实现一种能提供两档以上能量输出的电子直线加速器系统，输出不同电子束能量可以快速切换。
在本发明的一个方面，提出了一种电子直线加速器系统，包括：第一功率分配器，具有第一端口、第二端口和第三端口，其中向所述第一端口馈入微波，从所述第二端口和所述第三端口输出幅度相同且相位相同的第一微波束和第二微波束；第一功率混合器，具有对称的第一端口和第二端口和对称的第三端口和第四端口，所述第一功率混合器的第二端口耦接所述第一功率分配器的第三端口；第二功率混合器，具有对称的第一端口和第二端口和对称的第三端口和第四端口，所述第二功率混合器的第四端口耦接所述第一功率混合器的第四端口；第二功率分配器，具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第二功率分配器的第三端口耦接所述第二功率混合器的第二端口，微波从所述第二功率分配器的第二端口和第三端口输入，从所述第二功率分配器的第一端口输出；加速管，具有接收电子束的电子束输入端口和耦接到所述第二功率分配器的第一端口的微波馈入端口，所述微波馈入端口输入的微波对电子束进行加速；其中，所述电子直线加速器系统还包括：第一移相器，设置在所述第一功率分配器的第二端口和所述第一功率混合器的第一端口之间；第二移相器，设置在所述第二功率混合器的第一端口和所述第二功率分配器的第二端口之间；功率调节器，设置在所述第一功率混合器的第三端口和所述第二功率混合器的第三端口之间；其中，所述第一移相器和所述第二移相器同步改变相移量，并且以预定的频率在相移量0度和相移量180度之间切换，在相移量0度情况下所述电子直线加速器系统工作在第一状态，在相移量180度情况下所述电子直线加速器系统工作在第二状态。
根据一些实施例，所述功率调节器具体为将微波脉冲长度减小峰值功率增加的脉冲压缩器、或者增大微波脉冲的功率的放大器。
根据一些实施例，所述功率调节器具体为减小微波脉冲的功率的衰减器或功分器。
根据一些实施例，在第一状态下，微波从所述第一功率混合器的第三端口输出，经过所述功率调节器调节功率后从所述第二功率混合器的第三端口输入，从第一端口和第二端口输出两个同相信号，分别输入到所述第二功率分配器的第二端口和第三端口，在所述第二功率分配器的第一端口输出合成的微波。
根据一些实施例，在第二状态下，微波从所述第一功率混合器的第四端口输出，进入所述第二功率混合器的第四端口，从第一端口和第二端口输出两个反相信号，经过第二可变移相器移相后，变成两个同相的信号，分别输入到所述第二功率分配器的第二端口和第三端口，在所述第二功率分配器的第一端口输出合成的微波。
根据一些实施例，所述第一功率分配器和所述第二功率分配器具体为E-T元件、H-T元件、或魔T元件。
根据一些实施例，所述第一功率混合器和所述第二功率混合器具体为魔T元件或者-3dB定向耦合器。
根据一些实施例，所述第一移相器和所述第二移相器均为电流控制的移相器，并且所述第一移相器和所述第二移相器的控制电流线路串联。
根据一些实施例，所述第一移相器和所述第二移相器均为电压控制的移相器，并且所述第一移相器和所述第二移相器的控制电压线路并联。
根据上述实施例的方案，提高了进入加速管的两个不同幅度微波脉冲的稳定性，同时可实现快速切换，提高快速切换双能加速器的性能。
附图说明
下面的附图表明了本发明的实施方式。这些附图和实施方式以非限制性、非穷举性的方式提供了本发明的一些实施例，其中：
图1示出了根据现有技术的电子直线加速器系统的结构示意图。
附图标记列表
1：微波功率源
2：第一功率分配器
3：第一可变移相器
4：第一功率混合器
5：功率调节器
6：第二功率混合器
7：第二可变移相器
8：第二功率分配器
9：加速管
21、22、23：端口
41、42、43、44：端口
61、62、63、64：端口
81、82、83：端口
91：端口
具体实施方式
下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的电路、材料或方法。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。
根据本发明的实施例，采用可快速切换的双路微波系统，其中一路可直接接入加速管，另一路可通过衰减器、功分器、脉冲压缩器甚至放大器等功率调节器件改变微波功率的大小，然后再输入到加速管，以此实现对加速器输入功率进行快速切换，调变加速器的输出能量。这样能够提供两档以上能量输出的电子直线加速器装置，输出不同电子束能量可以在毫秒量级快速切换。
在一些实施例中，采用可快速调节的可变移相器，以及混合器，对将微波功率在两路输出间进行切换。然后对这两路微波进行不同的功率变化。如其中一路通过脉冲压缩器、衰减器、功分器等器件改变功率，另一路直接输出。这两路微波通过一个对称的可变移相器及混合器进行切换，输入给加速管。两个移相器同步改变相移，可采用一套控制系统。在一些实施例中，上述的两个移相器均为电压控制的移相器或者电流控制的移相器。对于电流控制的移相器，可将两个移相器的控制电流控制为相同，例如将二者的控制电流线路串联，保证二者的相位变化的一致性。对于电压控制的移相器，可将两个移相器的控制电压控制为相同，例如将二者的控制电压线路并联，保证相位变化的一致性。
在一些实施例中，采用电控移相器，可实现毫秒量级的相位变化，也就实现了毫秒量级的微波输出切换。
图1示出了根据现有技术的电子直线加速器系统的结构示意图。如图1所示的电子直线加速器系统包括：第一功率分配器2、第一可变移相器3、第一功率混合器4、功率调节器5、第二功率混合器6、第二可变移相器7和第二功率分配器8。该系统从微波功率源1接收微波，在两种模式之间进行切换，将不同模式下的微波输入到加速管9中，对加速管9的电子束输入端口接收的电子束进行加速，从而实现至少两个能量档的加速电子束输出。
第一功率分配器2具有第一端口21、第二端口22和第三端口23。微波功率源1向第一端口21馈入微波，从第二端口22和第三端口23输出幅度相同且相位相同的第一微波束和第二微波束。
第一功率混合器4具有对称的第一端口41和第二端口42和对称的第三端口43和第四端口44，第一功率混合器4的第二端口42耦接第一功率分配器2的第三端口23。
第二功率混合器6具有对称的第一端口61和第二端口62和对称的第三端口63和第四端口64。第二功率混合器6的第四端口64耦接第一功率混合器4的第四端口44。
第二功率分配器8具有第一端口81、第二端口82和第三端口83。第二功率分配器8的第三端口83耦接第二功率混合器6的第二端口62，微波从第二功率分配器8的第二端口82和第三端口83输入，从第二功率分配器8的第一端口81输出。加速管9具有接收电子束的电子束输入端口(未示出)和耦接到第二功率分配器8的第一端口81的微波馈入端口91，该微波馈入端口91输入的微波对电子束进行加速。
该电子直线加速器系统还包括第一可变移相器３、第二可变移相器7和功率调节器5。第一可变移相器3设置在第一功率分配器2的第二端口22和第一功率混合器4的第一端口41之间。第二移相器7设置在第二功率混合器6的第一端口61和第二功率分配器8的第二端口82之间。功率调节器5设置在第一功率混合器4的第三端口43和第二功率混合器6的第三端口63之间。第一可变3移相器和第二可变移相器7同步改变相移量，并且以预定的频率在相移量0度和相移量180度之间切换，在相移量0度情况下所述电子直线加速器系统工作在第一状态，在相移量180度情况下所述电子直线加速器系统工作在第二状态。
在如图1所示的系统示意图中，第一功率分配器2和第二功率分配器8可以选用E-T元件。第一功率混合器4可以选用魔T元件，对于端口41和42的输入，端口43输出为端口41和42输入之和，端口44输出为端口41的输入与端口42的输入之差。对于端口43的输入，端口41和端口42分别输出同相等幅信号。对于端口44输入，端口41和端口42分别输出反相等幅信号。类似地，第二功率混合器6可以选用魔T元件，对于端口61和62的输入，端口63输出为端口61和62输入之和，端口64输出为端口61的输入与端口62的输入之差。对于端口63的输入，端口61和端口62分别输出同相等幅信号。对于端口64输入，端口61和端口62分别输出反相等幅信号。
在一些实施例中，功率调节器5选用脉冲压缩器，将微波脉冲长度减小、峰值功率增加。微波功率源1的输入通过E-T元件分为两个等幅同相信号。
状态一：当第一可变移相器3和第二可变移相器7的相移量为0时，微波从功率混合单元4的端口43输出，经过功率调节器5压缩后从第二功率混合器6的端口63输入，从端口61和端口62输出两个同相信号，因为第二可变移相器7的相移量为0，因此微波脉冲通过第二功率分配器8输入加速管。因为经过了功率调节器5的压缩，因此微波脉冲的峰值功率增加，此时加速器9输出能量为高能档。
状态二：当第一可变移相器3和第二可变移相器7的相移量为180度时，微波从第一功率分配器4的端口44输出后直接从第二功率混合器6的端口64输入，从端口61和62输出两个反相信号，因为第二可变移相器7的相移量为180度，两个信号变为同相，因此微波脉冲通过第二功率分配器8输入加速管9。此时加速器输出能量为低能档。
在一些实施例中，第一功率分配器2和第二功率分配器8也可以选用H-T元件，或魔T元件。第一功率混合器4和第二功率混合器6也可以选用-3dB定向耦合器(90度混合器)。功率调节器5也可以采用衰减器，此时状态一对应低能档、状态二对应高能挡。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种电子直线加速器系统，包括：
第一功率分配器，具有第一端口、第二端口和第三端口，其中向所述第一端口馈入微波，从所述第二端口和所述第三端口输出幅度相同且相位相同的第一微波束和第二微波束；
第一功率混合器，具有对称的第一端口和第二端口和对称的第三端口和第四端口，所述第一功率混合器的第二端口耦接所述第一功率分配器的第三端口；
第二功率混合器，具有对称的第一端口和第二端口和对称的第三端口和第四端口，所述第二功率混合器的第四端口耦接所述第一功率混合器的第四端口；
第二功率分配器，具有第一端口、第二端口和第三端口，所述第二功率分配器的第三端口耦接所述第二功率混合器的第二端口，微波从所述第二功率分配器的第二端口和第三端口输入，从所述第二功率分配器的第一端口输出；
加速管，具有接收电子束的电子束输入端口和耦接到所述第二功率分配器的第一端口的微波馈入端口，所述微波馈入端口输入的微波对电子束进行加速；
其中，所述电子直线加速器系统还包括：
第一移相器，设置在所述第一功率分配器的第二端口和所述第一功率混合器的第一端口之间；
第二移相器，设置在所述第二功率混合器的第一端口和所述第二功率分配器的第二端口之间；
功率调节器，设置在所述第一功率混合器的第三端口和所述第二功率混合器的第三端口之间；
其中，所述第一移相器和所述第二移相器同步改变相移量，并且以预定的频率在相移量0度和相移量180度之间切换，在相移量0度情况下所述电子直线加速器系统工作在第一状态，在相移量180度情况下所述电子直线加速器系统工作在第二状态。
2.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中所述功率调节器具体为将微波脉冲长度减小峰值功率增加的脉冲压缩器、或者增大微波脉冲的功率的放大器。
3.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中所述功率调节器具体为减小微波脉冲的功率的衰减器或功分器。
4.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中，在第一状态下，微波从所述第一功率混合器的第三端口输出，经过所述功率调节器调节功率后从所述第二功率混合器的第三端口输入，从第一端口和第二端口输出两个同相信号，分别输入到所述第二功率分配器的第二端口和第三端口，在所述第二功率分配器的第一端口输出合成的微波。
5.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中，在第二状态下，微波从所述第一功率混合器的第四端口输出，进入所述第二功率混合器的第四端口，从第一端口和第二端口输出两个反相信号，经过第二可变移相器移相后，变成两个同相的信号，分别输入到所述第二功率分配器的第二端口和第三端口，在所述第二功率分配器的第一端口输出合成的微波。
6.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中所述第一功率分配器和所述第二功率分配器具体为E-T元件、H-T元件、或魔T元件。
7.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中所述第一功率混合器和所述第二功率混合器具体为魔T元件或者-3dB定向耦合器。
8.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中，所述第一移相器和所述第二移相器均为电流控制的移相器，并且所述第一移相器和所述第二移相器的控制电流线路串联。
9.如权利要求1所述的电子直线加速器系统，其中，所述第一移相器和所述第二移相器均为电压控制的移相器，并且所述第一移相器和所述第二移相器的控制电压线路并联。
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