CN104470193A - 控制驻波加速器的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种控制驻波加速器的方法及其系统。该方法包括步骤：从电子枪产生电子束；将所述电子束注入加速管；以及控制微波功率源产生不同频率的微波，输入所述加速管，使得所述加速管以预定的频率在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。根据上述方案，在调变能量的过程中只需改变微波功率源的输出频率，对加速结构本身不做任何变动，方法操作简单。此外，上述系统中加速管结构简单，无需增加特殊的调节装置。

Description

控制驻波加速器的方法及其系统

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

电子直线加速器是利用微波电磁场的作用加速电子，使之提高能量的设备。利用加速器产生的电子束有广泛的应用前景，如医疗、辐照、成像等。

为了获得最大的加速效率，常规的电子直线加速器都设计成微波的相速度变化与被加速电子的运动速度变化一致。根据相对论理论，随着电子能量的提高，电子的运动速度很快就接近光速。因此，常规的低能电子直线加速器设计时一般都分成聚束段和光速段。在聚束段中微波相速度慢慢增加，其变化与电子的速度变化基本一致，以保证一定的俘获效率和能谱。而在光速段中，相速度就等于光速，电子的运动速度也接近光速，因而电子还是和微波同步，并且电子的相位就在最大加速相位附近，以获得最佳的加速效率。

通常电子直线加速器的输出能量是固定的。但在实际应用中，常常希望加速器的能量可以按需求调变。为了适应实际应用的要求，各种能量调变的方法相继出现。目前电子直线加速器常用的能量调变方法有：

(1)改变加速管整体场强分布。通常通过调节馈入的微波功率、束流负载来实现。这种方法实现比较简单，但为了保证聚束段的俘获效率和束流能谱，场强变化不能太大，因而能量调节范围有限。

(2)保持聚束段场强基本不变，单独改变光速段的场强或相位。这种方案目前大致有两种实现方法：一种是把聚束段和光速段分开馈电以达到独立调节的目的，如美国专利US2920288、US3070726、US4118653；另一种是通过能量开关调节聚束段和光速段的场强比或相位关系，如美国专利US4286192、中国专利CN1102829C。这种方法能获得比较大的能量调节范围，但微波馈入系统或加速器的结构比较复杂。

发明内容

考虑到现有技术中的一个或多个问题，提出了一种控制驻波加速器的方法及其系统。

在本发明的一个方面，提供了一种控制驻波加速器的方法，包括步骤：从电子枪产生电子束；将所述电子束注入加速管；以及控制微波功率源产生不同频率的微波，输入所述加速管，使得所述加速管以预定的频率在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。

根据一些实施例，所述不同的谐振模式包括π/2模式或另一邻近模式，对应的电子束能量分别为高能档和低能档。

根据一些实施例，在所述高能档，所述电子束与所述微波同步；在所述低能档，所述电子束与所述微波不同步。

根据一些实施例，π/2模式下微波的频率和另一邻近模式下微波的频率均处在所述微波功率源的频率可调节范围之内。

根据一些实施例，所述微波功率源具体为磁控管，所述磁控管的输出频率被调节为使得所述加速管在π/2模式和5π/14模式之间切换或在π/2模式和9π/14模式之间切换。

在本发明的另一方面，提供了一种加速电子束的系统，包括：电子枪，产生电子束；微波功率源，产生不同频率的微波；加速管，具有电子输入端口和微波馈入口，所述电子输入端口与所述电子枪的输出端耦接，接收所述电子束，所述微波馈入口与所述微波功率源的输出端耦接，将所述微波功率源产生微波馈入所述加速管；以及控制装置，耦接到所述微波功率源和所述电子枪，控制所述微波功率源产生不同频率的微波，使得所述加速管在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。

根据上述方案，在调变能量的过程中，只需改变微波功率源的输出频率，对加速结构本身不做任何变动，方法操作简单。此外，该系统中，加速管结构简单，无需增加特殊的调节装置。

附图说明

为了更好的理解本发明，将根据以下附图对本发明的实施例进行描述：

图1示出了根据本发明实施例的加速电子束的系统的结构示意图；

图2示出了如图1所述的系统中加速管的截面图；

图3是描述根据本发明实施例的控制驻波加速管的方法的流程图；

图4示出了根据本发明实施例的微波谐振腔链谐振模式分布示意图；

图5示出了根据本发明实施例的加速管6MeV档的场强分布示意图；

图6示出了根据本发明实施例的加速管6MeV档能量变化示意图；

图7示出了根据本发明实施例的加速管百keV档的场强分布示意图；以及

图8示出了根据本发明实施例的加速管百keV档内电子能量变化示意图。

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，未具体描述公知的结构、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，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。应当理解，当称元件“耦接到”或“连接到”另一元件时，它可以是直接耦接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，不存在中间元件。相同的附图标记指示相同的元件。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。

为了能够提供两档以上能量输出的驻波电子直线加速器装置，例如输出电子能量分别为百keV量级一档和MeV量级一档或多档，提出了一种控制驻波加速器的方法。根据该方法，从电子枪产生电子束，然后将产生的电子束注入加速管。控制微波功率源产生不同频率的微波，输入加速管，使得所述加速管以预定的频率在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。这样，能够提供一种用跳模方式调变驻波加速器输出能量的方法。该实施例的方法可在不增加加速器复杂性的同时，获得较大的能量调变范围，实现同一加速器输出MeV级和百keV级两档能量的电子束。

图1示出了根据本发明实施例的加速电子束的系统的结构示意图。如图1所示，该实施例的加速电子束的系统包括直流高压枪140、高压电源130、加速管150、微波功率源120和控制装置110。在图示的实施例中，高压电源130向直流高压枪(电子枪)140供电，产生电子束。微波功率源120在控制装置110的控制下产生不同频率的微波。加速管150具有电子输入端口152和微波馈入口151。电子输入端口152与直流高压枪140的输出端耦接，接收其产生的电子束。微波馈入口151与微波功率源120的输出端耦接，将微波功率源120产生微波馈入加速管，对电子束进行加速。控制装置110耦接到微波功率源120和直流高压枪14，控制微波功率源120产生不同频率的微波，使得加速管150在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。

图2示出了如图1所述的系统中加速管的截面图。如图2所示，加速器中的核心部件为加速管，由一系列微波谐振腔组成，并建立微波电磁场加速电子。这一谐振腔链存在多个谐振模式，有不同的谐振频率，每个谐振模式下腔链内相邻腔间的相位关系不同。图4示出了根据本发明实施例的微波谐振腔链谐振模式分布示意图。对于包含N个腔的谐振腔链，通常有N个谐振模式，其腔间相位差分别为：

$\frac{\mathrm{q\π}}{N+1}(q=\mathrm{1,2},...N)---\left(1\right)$

此外，设计腔长关系为四个腔的长度为一个微波的波长的加速管，则π/2模式下电子和微波同步，得到最大的能量。在相近模式下，例如：

$(\frac{1}{2}\±\frac{1}{N+1})\mathrm{\π}$ 或 $(\frac{1}{2}\±\frac{2}{N+1})\mathrm{\π}---\left(2\right)$

在相近模式下，由于电子和微波不同步，则获得较低能量。若π/2模式工作能量为6MeV，那么相邻模式的输出能量为1MeV，或几百keV。

根据一些实施例，加速管的π/2模式和邻近模式的频率在微波功率源的频率可调节范围之内。通过调节微波功率源的频率来选择加速管工作在π/2模式或另一邻近模式，对应的输出电子束能量分别为高能档和低能档。

图3是描述根据本发明实施例的控制驻波加速管的方法的流程图。如图3所示，在步骤S110，从电子枪产生电子束。例如，控制装置110控制直流高压枪140产生电子束。

在步骤S120，将电子束注入加速管。例如直流高压枪140产生的电子束通过加速管的电子输入端口152输入到加速管150中。

在步骤S130，控制微波功率源120产生不同频率的微波，通过微波馈入端口输入加速管150，使得加速管150以预定的频率在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。

根据上述实施例，通过跳模方式调变能量，即通过改变加速管的谐振模式从而改变电子相对于微波的相位，使电子感受到的微波场强发生很大的变化，达到能量调变的目的。通过改变微波功率源的频率使得加速管工作在不同的谐振模式，产生不同能量的电子束，以满足实际需要。

根据一些实施例，调变能量的过程中只需改变微波功率源的输出频率，对加速结构本身不做任何变动，方法操作简单。且加速管结构简单，无需增加特殊的调节装置。

在一些实施例中，采用上述跳模方式使驻波加速器实现输出能量调变，可工作于几百keV和6MeV两档能量。例如，选择加速管参数，使其包含13个腔，其13个可能的工作模式的频率分布如图4所示。参考图4，在两端束流孔插入微波探针激励后得到的两个探针的传输特性，横坐标为激励频率，纵坐标为探针间传输信号的幅度。图4中曲线中每一个尖峰对应于加速管内存在的每一个可能的工作模式，使得π/2模式工作频率为2998MHz，5π/14模式工作频率为3002MHz，9π/14模式工作频率为2994MHz；其π/2模式工作的场强分布和电子在加速管中的能量变化过程分别如图5、图6所示。图5为π/2模式下加速管轴线的电场分布示意图，横坐标为沿着加速管的纵向位置，纵坐标为加速电场的幅度。图6为π/2模式下加速管内电子能量随纵向位置的变化，横坐标为沿着加速管的纵向位置，纵坐标为加速管内电子的动能。9π/14模式工作模式的场强分布和电子在加速管中的能量变化过程分别如图7、图8所示。图7为9π/14模式下加速管轴线的电场分布示意图，横坐标为沿着加速管的纵向位置，纵坐标为加速电场的幅度。图8为9π/14模式下加速管内电子能量随纵向位置的变化，横坐标为沿着加速管的纵向位置，纵坐标为加速管内电子的动能。

选用磁控管的输出频率范围为2993-3003MHz，通过调节其输出频率，使得加速管分别工作在π/2模式和9π/14模式(或5π/14模式)，可以实现两种电子束能量。

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)

1.一种控制驻波加速器的方法，包括步骤：

从电子枪产生电子束；

将所述电子束注入加速管；以及

控制微波功率源产生不同频率的微波，输入所述加速管，使得所述加速管以预定的频率在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述不同的谐振模式包括π/2模式或另一邻近模式，对应的电子束能量分别为高能档和低能档。

3.如权利要求2所述的方法，其中，在所述高能档，所述电子束与所述微波同步；在所述低能档，所述电子束与所述微波不同步。

4.如权利要求1所述的方法，其中，π/2模式下微波的频率和另一邻近模式下微波的频率均处在所述微波功率源的频率可调节范围之内。

5.如权利要求1所述的方法，其中，所述微波功率源具体为磁控管，所述磁控管的输出频率被调节为使得所述加速管在π/2模式和5π/14模式之间切换或在π/2模式和9π/14模式之间切换。

6.一种加速电子束的系统，包括：

电子枪，产生电子束；

微波功率源，产生不同频率的微波；

加速管，具有电子输入端口和微波馈入口，所述电子输入端口与所述电子枪的输出端耦接，接收所述电子束，所述微波馈入口与所述微波功率源的输出端耦接，将所述微波功率源产生微波馈入所述加速管；以及

控制装置，耦接到所述微波功率源和所述电子枪，控制所述微波功率源产生不同频率的微波，使得所述加速管在不同的谐振模式之间切换，产生相应能量的电子束。

7.如权利要求6所述的系统，其中，所述不同的谐振模式包括π/2模式或另一邻近模式，对应的电子束能量分别为高能档和低能档。

8.如权利要求7所述的系统，其中，在所述高能档，所述电子束与所述微波同步；在所述低能档，所述电子束与所述微波不同步。

9.如权利要求6所述的系统，其中，所述微波功率源具体为磁控管，所述磁控管的输出频率被调节为使得所述加速管在π/2模式和5π/14模式之间切换或在π/2模式和9π/14模式之间切换。