CN105357855A - 一种蛇形轨迹多腔电子加速器 - Google Patents

Abstract

本发明属于加速器设计技术，具体涉及一种蛇形轨迹多腔电子加速器。其结构包括电子枪、螺线管以及至少两个并排设置的谐振加速腔，在每个所述的谐振加速腔内设有一对不含有极头的电极板，所述的电极板位于电子束流蛇形运动平面上，所述电子束流的运动方向与谐振加速腔的腔体轴线方向垂直，在所述的电极板内部设有供电子束流穿过的束流孔道；在并排设置的谐振加速腔的两侧对应电极板的位置分别设有若干个偏转磁铁，所述偏转磁铁将电子束流进行180度偏转，电子束流相邻两次的偏转方向相反，形成蛇形运动轨迹。本发明加工难度低，射频功率转换为电子束功率的效率高，容易获得100kW以上的电子束功率。

Description

一种蛇形轨迹多腔电子加速器

技术领域

本发明属于加速器设计技术，具体涉及一种高能大功率的电子加速器，可用于食品和医疗器械辐照、辐射化工等领域。

背景技术

目前，用于辐照加工产业的高能大功率电子加速器主要有两类：直线加速器和单腔加速器。直线加速器分为L波段和S波段等，单腔加速器主要是IBA公司生产的梅花瓣型电子加速器。由于受到射频功率源和加速结构的限制，直线加速器很难将10MeV的电子束流功率提高到50kW以上。梅花瓣型电子加速器虽然可以获得200kW的10MeV电子束功率，但其腔内表面的射频损耗约为150kW，射频功率损耗较大。此外，日本有人提出脊型加速器，但只对其进行了原理性的验证实验，而没有做出工程化的产品。

发明内容

本发明的目的在于针对直线加速器输出的电子束束流功率难以提高以及单腔加速器射频功率损耗大的问题，提供一种具有多个谐振加速腔的电子加速器，从而降低射频功率损耗，提高电子的传输效率、电子束束流功率和加速器运行的稳定可靠性。

本发明的技术方案如下：一种蛇形轨迹多腔电子加速器，包括电子枪、螺线管以及至少两个并排设置在同一平面的谐振加速腔，相邻谐振加速腔的腔体轴线之间的距离为腔体谐振波的半波长，在每个所述的谐振加速腔内设有一对不含有极头的电极板，所述的电极板位于电子束流蛇形运动平面上，所述电子束流的运动轨迹在通过腔体轴线的平面上，在所述的电极板内部设有供电子束流穿过的束流孔道，通过在谐振加速腔内两个电极板之间建立交变电场，使电子经过时获得加速；在并排设置的谐振加速腔的两侧对应电极板的位置分别设有若干个偏转磁铁，所述偏转磁铁将电子束流进行180度偏转，电子束流相邻两次的偏转方向相反，形成蛇形运动轨迹。

进一步，如上所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其中，所述的电子枪采用栅控电子枪，栅极电压为正弦波、方波或三角波，其频率与所述谐振加速腔的谐振频率相同，并对波形加载直流偏压，用于控制引出电子束团的长度与强度。

进一步，如上所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其中，所述的一对不含有极头的电极板为关于腔体轴线对称的平板，平板的边缘可为直线或曲线。

进一步，如上所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其中，所述的谐振加速腔为柱状腔体，腔体的横截面为圆形、正方形或其它关于中心对称的形状。

进一步，如上所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其中，不同的谐振加速腔之间的谐振频率差小于1％。

进一步，如上所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其中，还包括用于产生和维持加速器内真空的真空系统，用于产生和传输射频功率的射频系统，用于冷却腔体和射频源的冷却系统，用于测量电子束运行参数的束流测量系统，用于控制加速器运行的控制系统，用于加速器支撑和定位的机械系统。

本发明的有益效果如下：

(1)采用多个谐振加速腔后，每个腔体的长度可以降低。加速10MeV的电子束，单个腔体的长度为4米左右；采用2个腔体，每个腔体2米左右；采用4个腔体，每个腔体则只要1米左右。腔体长度降低后，可以采用更高加工精度的机床，机械加工的形变也容易控制，总体上的加工难度降低。

(2)如果保持腔体长度不变，采用多个腔体后，腔体内的射频场幅可以降低。腔体内表面的射频损耗功率与腔内加速电场幅值的平方成正比，即如果加速场强降低为1/2，腔体内表面的射频损耗功率可以降低为1/4。而腔体内表面的射频损耗功率的降低可以提高射频功率转换为电子束功率的效率，因为腔体输入的射频功率等于腔体内表面的射频损耗功率与电子束功率的和

(3)采用栅控电压后，电子枪直接引出微脉冲电子束团。微束团的加速与偏转过程中，电子束流包络小，不产生电子损失，从而避免了电子损失造成的腔体发热与形变等，使得强流电子束的加速与传输成为可能。

附图说明

图1为蛇形轨迹双腔电子加速器侧视剖面图；

图2为蛇形轨迹双腔电子加速器俯视图；

图3为栅控电压波形示意图；

图4为栅控电子枪结构示意图；

图5为现有技术的脊形加速器结构示意图；

图6为蛇形轨迹四腔电子加速器俯视图；

图7为蛇形轨迹四腔电子加速器侧视剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

本发明所提供的蛇形轨迹电子加速器采用多个谐振加速腔，谐振加速腔的形状可以与现有的脊形加速器的腔体类似，如图5所示选用柱状腔体。不同谐振加速腔之间的谐振频率差小于1％，相邻腔体轴线14的距离为腔体谐振波的半波长。与现有的脊形加速器不同的是，本发明的电极板取消了极头13(如图5所示)，为关于腔体轴线14对称的平板，平板的边缘可为直线或曲线，例如长方形电极板、梯形电极板或边缘为曲线的电极板，这样可以降低腔体内表面的射频损耗。多个谐振加速腔处于同一平面并排设置，谐振加速腔1为柱形腔，腔体的横截面可以为圆形、正方形或其它关于中心对称的形状，腔内的束流运动平面上设有一对电极板2，如图1所示。电子束流的运动方向垂直于谐振加速腔的轴线，运动轨迹在通过腔体轴线的平面上，并穿过电极板内部的束流孔道3。相邻谐振腔之间的束流孔道一般采用圆管，180度偏转的束流孔道一般采用小真空盒。射频功率输入到谐振加速腔内，在两脊形电极板2的间隙内建立交变电场，电子经过时获得加速。电子一次直线运动得到多次加速，加速的次数由谐振加速腔的数目决定。完成一次直线加速与传输后，偏转磁铁4将束流偏转180度，偏转的同时对电子束流进行横向聚焦与消色差。偏转磁铁4的形状可以与现有的脊形加速器的偏转磁铁相同，此为公知技术。束流的偏转运动在同一个水平面上，但相邻两次的偏转方向相反，即如果第一次顺时针偏转，第二次则逆时针偏转，从而形成类似蛇的蜿蜒运动轨迹5。

电子枪6采用栅控电子枪，栅极电压为正弦波、方波或三角波，其频率与谐振加速腔的谐振频率相同，并对波形加载直流偏压，用于控制引出电子束团的长度与强度，正弦波偏压如图3所示，图3中的阴影区域8是栅极10相对于阴极9大于零的电子引出电压。栅极10距离阴极9很近，只需要相对阴极9加载100V左右的电压就可以引出电子束。聚焦极11用于聚焦和控制引出电子束包络的形状，阳极12用于引出电子束。由于采用图3所示的栅控电压，使得进入加速腔的电子束为连续波微脉冲束团，即每个射频周期内都有一个为脉冲束团，调整束团的运动距离与射频相位关系，就可以使得束团进入脊形电极间隙时总能获得加速，避免了连续束流进入间隙时交变加减速电场引起的大量电子损失，从而提高了电子的传输效率和加速器运行的稳定可靠性。

实施例1

图1、图2所示的是采用两个谐振加速腔的蛇形轨迹加速器，腔体的基波谐振频率都是100MHz。谐振加速腔的直径为1米左右，腔体长度为2米左右，电极板2长度为1.5米左右，两个腔体轴线间距为1.5米。电子束在同一水平面被偏转8次，每次直线运动被加速两次，每次加速的电子能量增益为0.553MeV，相邻电子运动直线的距离为120mm。

电子在一个腔内第一次和最后一次加速的能量增益最小，而第五次加速的能量增益最高，脊形电极板极头13(如图5所示)的取消会导致这种加速电场不均匀性的恶化，但是这种恶化对束流运动的影响很小，同时可以较大地降低射频腔内表面的功率损耗，因此取消电极头13总体上是有利的。日本所做的原理验证性加速器的长度为1米，射频腔内表面功率损耗为42kW，输出的电子能量为2.5MeV。本发明设计的双腔蛇形轨迹加速器的单个腔体的射频损耗为50kW，输出的电子束能量为10MeV，即电子束能量增加了4倍，而腔耗增加了2倍多点。

栅控电子枪6的结构采用图4所示，栅控电压波形采用图3所示。电子枪阴极相对于地电位的阳极的电压为-50kV，因此引出的电子束能量为50kV，微脉冲重复频率为100MHz。螺线管7用于对引出的电子束进行聚焦，避免电子束在加速腔内的损失。此外还有真空系统用于产生和维持加速器内的真空环境；射频系统用于产生和传输用于电子加速的射频功率；冷却系统用于冷却腔体和射频源等发热部件；束流测量系统用于测量电子束的运行参数；控制系统用于控制加速器的运行；机械系统用于加速器的支撑与定位，这些都是本领域的公知技术。

实施例2

图6、图7所示的是采用四个谐振加速腔的蛇形轨迹加速器，腔体的基波谐振频率都是200MHz。谐振加速腔的横截面不是圆形，而是正方形，其边长为0.5米左右，腔体长度为2米左右，梯形的电极板2长度约为1.5米左右，两个腔体轴线间距为0.75米。电子束在同一水平面被偏转8次，每次直线运动被加速4次，每次加速的电子能量增益为0.276MeV，相邻电子运动直线的距离为120mm。单个腔体的射频损耗为50kW，输出的电子束能量为10MeV。

栅控电子枪结构采用图4所示，栅控电压波形采用图3所示。电子枪阴极相对于地电位的阳极的电压为-50kV，因此引出的电子束能量为50kV，微脉冲重复频率为100MHz。螺线管用于对引出的电子束进行聚焦，避免电子束在加速腔内的损失。此外还有真空系统用于产生和维持加速器内的真空环境；射频系统用于产生和传输用于电子加速的射频功率；冷却系统用于冷却腔体和射频源等发热部件；束流测量系统用于测量电子束的运行参数；控制系统用于控制加速器的运行；机械系统用于加速器的支撑与定位，这些都是本领域的公知技术。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (6)

1.一种蛇形轨迹多腔电子加速器，其特征在于：包括电子枪(6)、螺线管(7)以及至少两个并排设置在同一平面的谐振加速腔(1)，相邻谐振加速腔的腔体轴线(14)之间的距离为腔体谐振波的半波长，在每个所述的谐振加速腔(1)内设有一对不含有极头的电极板(2)，所述的电极板(2)位于电子束流蛇形运动平面上，所述电子束流的运动轨迹在通过腔体轴线的平面上，在所述的电极板(2)内部设有供电子束流穿过的束流孔道(3)，通过在谐振加速腔内两个电极板之间建立交变电场，使电子经过时获得加速；在并排设置的谐振加速腔的两侧对应电极板的位置分别设有若干个偏转磁铁(4)，所述偏转磁铁(4)将电子束流进行180度偏转，电子束流相邻两次的偏转方向相反，形成蛇形运动轨迹。

2.如权利要求1所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其特征在于：所述的电子枪(6)采用栅控电子枪，栅极电压为正弦波或方波或三角波，其频率与所述谐振加速腔的谐振频率相同，并对波形加载直流偏压，用于控制引出电子束团的长度与强度。

3.如权利要求1所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其特征在于：所述的一对不含有极头的电极板(2)为关于腔体轴线(14)对称的平板，平板的边缘为直线或曲线。

4.如权利要求1所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其特征在于：所述的谐振加速腔(1)为柱状腔体，腔体的横截面为关于中心对称的形状。

5.如权利要求1所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其特征在于：不同的谐振加速腔之间的谐振频率差小于1％。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的蛇形轨迹多腔电子加速器，其特征在于：还包括用于产生和维持加速器内真空的真空系统，用于产生和传输射频功率的射频系统，用于冷却腔体和射频源的冷却系统，用于测量电子束运行参数的束流测量系统，用于控制加速器运行的控制系统，用于加速器支撑和定位的机械系统。