CN107211523B

CN107211523B - 射频腔

Info

Publication number: CN107211523B
Application number: CN201580063698.4A
Authority: CN
Inventors: I·科诺利夫; G·伯特
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2015-11-24
Publication date: 2020-06-09
Anticipated expiration: 2035-11-24
Also published as: US10237963B2; EP3225084A1; GB201420936D0; WO2016083788A1; CN107211523A; US20170273168A1

Abstract

用于加速带电粒子的射频(RF)腔装置(22)包括第一和第二腔臂(24，26)。第一和第二腔臂(24，26)具有相应的第一和第二旋转对称轴线(28，30)，并且每个腔臂包括至少一个单元(32，34；36，38)。第一和第二腔臂(24，26)通过谐振耦合器(40)连接。第一腔臂(24)的(一个或更多个)单元(32，34)具有等于第二腔臂(26)的(一个或更多个)单元(36，38)的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且第一腔臂(24)的(一个或更多个)单元(32，34)具有不同于第二腔臂(26)的(一个或更多个)单元(36，38)的对应的(一个或更多个)非轴向尺寸参数的至少一个非轴向尺寸参数。

Description

射频腔

技术领域

本发明大体涉及用于加速射频(RF)腔中的带电粒子的装置和方法。在本发明的实施例中，可以使用射频(RF)腔装置来加速用于包括产生X射线和太赫兹辐射的各种应用的电子。

背景技术

加速粒子(例如产生X射线的电子)的常规方法使用直线粒子加速器将粒子加速到几keV或几MeV的能量。在典型的电子加速器中，常规的喷射器发出朝向目标(相互作用点)加速的电子束，其中，不同光谱的电磁辐射通过不同的装置产生。之后，将电子束转储在经由轫致辐射撞击时产生X射线辐射的收集器上。能量为0.12至12keV、波长为10至0.1nm的软X射线可以以此方式在相互作用点或收集器处产生。近年来，诸如斯坦福直线加速器中心(SLAC)等直线加速器通常在电子束穿过包含分段RF腔的加速结构时，通过使用射频(RF)场来逐渐加速电子束来实现约3GeV的电子能量。此些高能量电子束可以在使用同步的电场和磁场的存储环中循环，并且例如用于提供包括X射线的同步加速器辐射源。这些极其亮(即高通量)的X射线可用于研究分子结构，产生许多生物医学应用，诸如蛋白质晶体学。

虽然光源(如，SLAC的光源和英国的钻石光源(Diamond light source))可以为研究人员提供非常硬和明亮的X射线进行实验研究，但是此些设施非常大、运行成本高并且不容易对每个人都可用。钻石光源位于周长738米、占地面积超过4.33万平方米的环形建筑中。尽管来自同步加速器源的X射线可比例如由用于正常医学成像的阴极射线管所产生的X射线亮度高十亿倍，但是同步加速器源仅将电子能量的一小部分转换为辐射。此外，自然同步加速器光不是单色的，并且其应用至例如相位对比成像可能需要使用复杂的插入装置和其他技术。通常需要可以在更容易接近的规模上满足学术和行业需求的替代X射线源和粒子加速器。

同步加速器光源的一种替代方案是基于直线加速器(直线加速器linac)的相干光源，诸如SLAC的直线加速器相干光源(LCLS)。该设施将直线粒子加速器与自由电子激光器(FEL)耦合以产生强烈的X射线。在自由电子激光器中，电子束本身用作激光介质。来自直线加速器的电子束被注入到波荡器或“摆动器(wiggler)”——布置有沿光束相互作用路径的交替极点的磁体阵列，以使电子束横向轻微摆动，并以X射线形式激励相干电磁辐射的发射。FEL辐射为单色和极其亮的——自放大自发发射的过程提取比同步加速器辐射大得多的电子能量。事实上，FEL X射线源可能比同步加速器光源亮度大好多数量级。

一些研究人员通过在电子束通过摆动器之后减速电子束，结合自由电子激光器来演示能量回收。英国达斯伯里(Daresbury)实验室的ALICE加速器将能量回收直线加速器与产生中红外范围内光的自由电子激光器的波荡器相耦接。在此提议中，当RF相位与初始加速相位完全相反时，废(spent)电子束经由额外的光束路径被返回到主直线加速器的入口，使得光束被减速并且能量可以被回收回到直线加速器RF腔内的电磁场。这种能量回收技术需要精确地调节电子束路径长度，该调节通过移动整个光束路径的弧度来实现。

尽管加速器(诸如SLAC的LCLS和达斯伯里实验室的ALICE)已经证明了FEL作为光源的潜力，但存在几个缺点。此些设施极其大——例如，SLAC的基于直线加速器的LCLS总共超过3km长，其包括600m的直线加速器、230m的电子束传送通道、170m的波荡器和超过300m的将X射线传送至实验大厅的通道。这种机器总体的十亿美元规模的成本和庞大的规模意味着它们只能以国家级建设。较小的研究机构仍然需要获得自己的加速器和较小规模的太赫兹辐射或X射线源。

麻省理工学院的研究人员最近提出了基于自由电子激光器原理的替代X射线源，其可能比LCLS或其他光源更小。当电子束与例如来自激光束的光子碰撞时，这种替代技术使用反康普顿散射来产生X射线。US 7391850描述了这种实验室规模的X射线源。

WO2012/061051描述了利用能量回收来提高X射线产生效率的X射线产生装置。该装置通过使用第一RF腔布置加速电子束并然后使电子与光子相互作用来产生X射线，以经由反康普顿散射产生X射线。在与光子相互作用之后，电子在第二RF腔布置中减速。第一和第二RF腔布置通过RF能量传输装置连接，其经布置以在减速电子通过第二腔布置时从该减速电子中回收RF能量，并然后将所回收的RF能量转移至第一腔布置。因此，该装置提供了对现有X射线产生方法的改进，因为RF能量的回收提高了X射线产生的效率。

仍然需要能够有效地产生高能量和高通量X射线或其他辐射的紧凑型光源，以用于广泛的实验，特别是扩展可以使用这种紧凑型光源进行的实验的范围。此外，仍然需要更加普遍地受益于使用能量回收并可实现高工作电流的紧凑型粒子加速器。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了用于加速带电粒子的射频(RF)腔装置，其包括第一和第二腔臂，第一和第二腔臂具有相应的第一和第二旋转对称轴，以及每个腔臂包括至少一个单元，其中，第一和第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，第一腔臂的一个或更多个单元具有等于第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，所述第一腔臂的一个或更多个单元具有与第二腔臂的一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。

本申请人已经意识到，在第一腔臂和第二腔臂的单元之间具有不同的至少一个非轴向尺寸参数产生腔臂的边界条件的差异，并因此产生每个腔臂的一个或更多个单元的更高阶谐振模式谱的差异。同时，使第一和第二腔臂的单元具有相同的轴向尺寸参数导致第一和第二腔臂共享基本模式。本申请人已经意识到，具有共享的基本模式但是不同的高阶模式有利地提高了带电粒子(例如电子)束的稳定性，其当谐振耦合器连接在两个腔臂之间时沿着腔臂的轴线被加速或减速，从而确保相同频率的本征模式的谐振耦合。这将在下面进一步解释。

在双臂腔装置中，其中，每个臂的单元是相同的，每个臂的单元不仅共享相同的基本模式，而且共享相同的高阶模式。基本模式的电场通常在单元的轴线附近最强，并且沿着轴线被引导。相比之下，高阶模式(例如偶极子、四极子)可至少部分地横向于轴线被引导和/或可远离轴线而不是在轴线上更强。结果是，在带电粒子束沿腔臂(“加速臂”)的轴线加速时，高阶模式(有时被称为“寄生模式”)可能导致带电粒子束在具有横向于轴线的分量的方向上被加速，从而使带电粒子束的路径偏离。如果带电粒子束被偏离太多，则其可能会散开，即被转储在单元壁上而不是前进至收集器。

然而，甚至不会导致束散开的小偏离可能有问题。这是因为当带电粒子束到达其将被减速的另一个腔臂(“减速臂”)时，其路径将偏离该腔臂的轴线。在带电粒子未沿着轴线移动时，当带电粒子减速时，来自带电粒子的大量能量将转移到高阶模式而不是基本模式。因此，由于臂(因此RF模式)被耦合，加速腔臂中的高阶模式的电场强度将增加。因此，被加速的后续带电粒子束将经受来自该高阶模式更大的偏转力，从而导致它们的路径更大地偏离轴线。这可以产生反馈机制，其中，在偏转束将能量馈送为高阶模式时，后续束的偏转变得越来越大。以此方式，高阶模式可致使带电粒子束散开。

根据本发明，第一腔臂和第二腔臂的单元的边界条件的差异使每个腔臂产生不同的高阶模式谱。因此，谐振耦合器可以以共同的谐振频率强力地耦合臂，而以不是由两个臂共享的谐振频率下的耦合可能是小的，例如忽略不计。因此，如果加速腔臂(例如，第一腔臂)中的带电粒子束稍微偏离高阶模式，并且随后在减速腔臂(例如，第二腔臂)中将能量馈送至高阶模式，这将不会产生例如与高阶模式的聚积相关联的反馈机制。这是因为获得能量的减速腔臂的高阶模式在加速腔臂中未被耦合(或仅仅非常弱耦合)至对应的高阶模式。

谐振耦合器可为可以在臂之间共享或回收射频能量的任何合适的结构。优选地，谐振耦合器仅强耦合具有相同或重叠频率的模式。

在对称腔装置中，更大的带电粒子束将产生更大量的被馈送到减速腔臂的一个或更多个高阶模式中的能量，从而增加反馈机制的效果。因此，在不引起足够的反馈以使带电粒子束散开的情况下，可以加速多少电荷受到限制。这被称为“束散开”的不稳定性。例如，在使用腔的情况下，作为辐射源，带电粒子束的散开将致使该源停止起作用。因此，寄生模式限制了此源的工作电流，并因此限制了所产生的X射线束或其他辐射的亮度。

在本腔装置中去除或抑制该反馈机制允许加速更大的带电粒子束，并因此使用更高的工作电流。

这具有对于本领域的技术人员将是显而易见的许多益处，例如，允许使用相对较小规模的X射线发生器进行需要非常亮的X射线束的实验，而否则可能需要使用大的规模设施，诸如SLAC或钻石光源。还应理解，在使用粒子加速器作为辐射源或其他方面的许多其他应用中，较高的工作电流是有益的。

如上所述，本发明提供了第一腔臂的一个或更多个单元具有等于第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数。在本领域中已知的是，射频腔的尺寸参数将确定由腔支持的基本模式和高阶模式，即腔的谐振频率。具体地，基本模式的波长(并因此频率)将由单元的一个或更多个轴向尺寸确定。因此，在腔装置的臂中，每个单元将表现为具有某些谐振模式的射频腔，以及基本模式的波长并因此其频率将由每个单元的轴向尺寸参数确定。由于第一腔臂的一个或更多个单元各自具有等于第二腔臂的一个或更多个单元的对应参数的轴向尺寸参数，所以第一和第二腔臂的单元将支持相同的基本模式。这可被称为RF腔装置的工作模式。

优选地，轴向尺寸参数为每个单元的长度。然而，轴向尺寸参数可以为影响基本模式的频率的任何合适参数。优选地，每个单元支持基频射频模式，并且优选地，基频射频模式为加速(或减速)模式。加速(或减速)模式为在使用期间在带电粒子的传播区域中的单元中提供电场的模式，其中，电场被定向为基本上平行于带电粒子速度。通常，带电粒子的速度将沿着第一和第二腔臂的对应旋转对称轴线。此加速/减速模式将促使带电粒子在第一或第二轴线的方向上加速或减速。应理解，在具有一个加速臂和一个减速臂的腔装置中，第一腔臂或第二腔臂中的任一者可以是加速臂。

非轴向尺寸参数可以为将在第一和第二腔臂的一个或更多个单元中产生具有不同的高阶模式谱的任何合适参数。作为非限制性示例，非轴向尺寸参数可以是单元的最大宽度或半径、单元的最小宽度或半径、单元壁的曲率，例如半径在轴向方向上的变化差异或任何其他合适的尺寸参数。在一些实施例中，可能只有一个非轴向尺寸参数，其在第一和第二腔臂的一个或更多个单元之间是不同的。在其他实施例中，可能存在多于一个，例如两个、三个、四个或更多个非轴向尺寸参数，其在第一和第二腔臂的一个或更多个单元之间是不同的。

在一个优选实施例中，不同的非轴向尺寸参数为椭圆的主轴线和短轴线中的一个或更多个，其中，椭圆对应于沿着单元的轴向横截面的腔壁的部分。例如，第一椭圆可对应于在与最大半径相对应的单元的区域附近的腔壁的形状(当在纵向截面中观看时)，以及第二椭圆可对应于在单元的最小半径的区域中的单元壁的形状(即，在单元的该单元可连接到相邻单元的最窄部分附近)。

必须选择腔臂的一个或更多个单元的形状和尺寸，使得该单元能够在腔工作的情况下支持所需的谐振模式。腔臂的一个或更多个单元的形状和尺寸的任何显着的偏差可能防止腔装置的工作，即，单元可能变得不能支持驻波模式或者可能不能支持一个或更多个所需的工作模式(例如，基本模式)。第一和第二腔臂的单元的非轴向尺寸参数之间的差异必须选择成使得它们不会对腔的工作有害。太大的差异可能会防止腔装置的工作。相反，该差异必须足够大以在每个腔臂的一个或更多个单元的寄生模式中产生所需的差异。

因此，可在足够大以在高阶模式谱中产生所需差异的差异和足够小以便不妨碍腔装置工作的差异之间取得平衡。在优选实施例中，在第一腔臂的一个或更多个单元的非轴向尺寸参数或非轴向尺寸参数中的每个和第二腔臂的一个或更多个单元的对应非轴向尺寸参数之间的差异被表示为前者的百分数，该差异为小于约5％、小于约3％、小于约1％或小于约0.5％。在第一腔臂和第二腔臂之间多于一个非轴向尺寸参数为不同的情况下，每个参数的对应差异可为相同的百分数，但是在优选实施例中，每个参数的对应百分数差异是不同的。作为非限制性说明性示例，第一腔臂和第二腔臂之间的第一非轴向尺寸参数的差异可为约2％，而第二非轴向尺寸参数具有1％的差异，而另一参数可具有0.5％的差异。

该差异可为相对于一个腔臂的常规最佳构造。例如，腔臂中的一者可具有已知的构造，即具有本领域已知或通常使用的非轴向尺寸参数值，其中，另一腔臂为该常规构造的偏差。另选地，每个腔臂可为与已知的常规构造的偏差。例如，腔臂的单元的每个非轴向尺寸参数可以高于一个臂的常规值而低于另一臂的常规值。

在一些实施例中，第一腔臂和第二腔臂中的每者可包括恰好一个工作单元，其可为除腔臂的耦合单元或端单元之外的单元。然而，在优选实施例中，第一腔臂和第二腔臂中的每者包括不止一个工作单元，例如，每个腔臂可包括两个、三个、四个、五个或更多个工作单元。优选地，第一和第二腔臂各自包括相同数量的工作单元。在优选的实施例中，上述讨论的轴向和非轴尺寸向参数，包括示例和示例的属性以及可能的范围，适用于第一和第二腔臂中的每个工作单元(或一组单元中的每者)，例如，在相同臂中的工作单元可具有彼此相同的非轴向尺寸参数值，但是不同臂中的工作单元可具有不同的值。如上所述，这可反而适用于腔臂的一组单元的每个工作单元。例如，除了端单元和耦合单元之外，腔臂可包括许多工作“中间”单元。例如，在此情况下，第一腔臂的每个中间单元可具有任何给定参数的相同值，并且类似地，第二腔臂的每个中间单元可具有特定参数的相同值。

优选地，第一和第二腔臂的一个或更多个单元的轴向尺寸参数值被选择成使得基本模式在约100MHz至10GHz或约500MHz至5GHz或约1-2.5GHz，例如约1.3GHz的范围内。优选地，一个或更多个非轴向尺寸参数的值被选择成在第一和第二腔臂的单元的对应高阶模式之间实现几MHz的量级的频率间隔。

根据本发明的实施例的射频腔装置具有各种应用、具有对应的构造，但是在优选实施例中，腔装置被构造成沿腔臂中的一者的轴线加速带电粒子，并且使带电粒子束沿另一腔臂的轴线减速。因此，在优选实施例中，该装置包括用于产生带电粒子束的带电粒子束发生器。优选地，腔臂中的一者的一个或更多个单元被布置成施加RF电场以加速来自发生器的带电粒子束。优选地，另一腔臂的单元布置成施加RF电场以使带电粒子束减速。优选地，在第一(或第二)腔臂中减速的带电粒子束为在第二(或第一)腔臂中加速的相同带电粒子束。

在带电粒子束在一个腔臂中被加速以及该带电粒子束(并且该带电粒子束可为相同粒子束)随后在另一腔臂中被减速的实施例中，可以使用谐振耦合器来进行能量回收。例如，根据需要，第二(或第一)腔臂可将带电粒子束加速到适当高的能量。例如，带电粒子可用于与其他粒子或光子或样品(例如，作为实验的一部分)相互作用。一旦已使用高能带电粒子，而不是浪费能量的带电粒子，该能量可以经由该带电粒子束在第一(或第二)腔臂中的后续减速来至少部分地回收。优选地，谐振耦合器被布置成当减速的带电粒子束通过第一腔臂时回收该减速带电粒子束的RF能量并将所回收的RF能量转移至第二腔臂中，或反之亦然。

优选地，谐振耦合器包括连接第一腔臂和第二腔臂的一个或更多个RF波导或耦合单元。在第一和第二腔臂包括不止一个单元的实施例中，每个腔臂的单元可被串联布置，以及第一腔臂的每个单元可通过对应波导耦合至第二腔臂的对应单元。然而，优选地，提供连接到每个腔臂的一端的单个耦合单元。

优选地，谐振耦合器被构造成强耦合具有相同频率的本征模式，并弱耦合具有不同频率的本征模式。

在提供单个耦合单元的情况下，单个耦合单元优选为跑道形或椭圆形。耦合单元优选地包括用于将该耦合单元连接到第一和第二腔臂中的每者的单元的两个开口。优选地，耦合单元在横向平分耦合单元的平面中表现出镜像对称，除了两个开口可具有不同尺寸以适应连接到该耦合单元的第一和第二腔臂的单元的不同尺寸。

本申请人已经意识到，耦合单元的这种构造提供了另外的优点，即耦合单元强烈地(即谐振地)耦合两个腔臂之间的基频(加速或减速)模式，但是仅弱耦合未由两个腔臂共享的高阶模式。这增强了由腔臂的寄生模式谱的差异提供的优点。高阶模式的频率差异提供了对高阶模式耦合/反馈的一些抑制/选择；模式频率越接近，它们之间的重叠越大，它们将会更强烈地耦合。如果模式分离得很好，则在与很好分离模式相关联的这些频率下的腔臂之间没有电磁能的泄漏。耦合单元构造进一步抑制高阶模式耦合/反馈。

在一些优选实施例中，第一和第二腔臂的一个或更多个单元由一种或更多种超导材料形成或涂覆有一种或更多种超导材料。谐振耦合器可包括由一种或更多种超导材料形成或涂覆有一种或更多种超导材料的一个或更多个波导或一个或更多个单元。超导单元和一个或更多个超导波导或一个或更多个耦合单元可整体形成或连接在一起。

超导单元可设置在低温恒温器中。一个或更多个超导波导或一个或更多个耦合单元也可设置在低温恒温器中。优选地，超导单元和一个或更多个超导波导或一个或更多个耦合单元设置在相同的低温恒温器中。这可有助于使装置更紧凑。在被设置的情况下，带电粒子束发生器也可设置在低温恒温器中。带电粒子束发生器可与一个腔臂的一个或多个超导单元整体形成。

在优选实施例中，第一和第二腔臂的轴线基本上平行。每个腔臂优选地包括不止一个单元，并且优选地，每个臂的单元共享旋转对称轴。优选地，每个单元具有λ/2的轴向单元长度，其中，λ为是加速或减速模式的波长。优选地，耦合单元具有垂直于第一和第二腔臂的轴线的纵向轴线。

带电粒子束可包括下列中的一种或更多种：电子、正电子、质子或离子。在优选实施例中，带电粒子束为电子束。在带电粒子为电子的优选实施例中，电子束优选包括一束电子。在一些优选实施例中，通过相互作用过程从加速电子束中提取能量。

相互作用过程可包括以下中的一个或更多个：使电子束与光子相互作用以通过反康普顿散射产生X射线；使电子束通过波荡器或施加交变磁场以产生电磁辐射；将电子束引导到目标上以引起发射和/或荧光；并使电子束与用于电子衍射或显微镜的样品直接相互作用。在各种示例中，电子束可用于产生太赫兹辐射或X射线。

该装置可包括被布置成使带电粒子束在第一腔臂和第二腔臂之间基本上转过180°的装置。这允许在第二腔臂中被加速的粒子束被引导到第一腔臂以进行减速(或反之亦然)，并且在其例如在交互过程中被使用之后，进行能量回收。

该装置可另外包括光子源。光子源可被布置成在加速带电粒子束通过一个腔臂之后并进入另一臂之前，在该加速带电粒子束转过约90°的角度时，提供光子与该带电粒子束相互作用。

根据本发明的第二方面，提供了从带电粒子束回收能量的方法，包括以下步骤：

产生带电粒子束；

使带电粒子束通过射频(RF)腔装置的第一腔臂，第一腔臂被布置成施加电场和/或磁场以加速带电粒子束；

使带电粒子束通过射频(RF)腔装置的第二腔臂，第二腔臂布置成施加电场和/或磁场以使带电粒子束在其相互作用之后减速；

其中，第一和第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，第一腔臂的一个或更多个单元具有等于第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，第一腔臂的一个或更多个单元具有与第二腔臂的一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。

第一方面的RF腔装置的特征也可应用于第二方面的RF腔装置。

附图说明

现在将仅通过示例的方式参考附图来描述某些优选实施例，其中：

图1示出根据现有技术的腔装置的横截面的轮廓。

图2示出根据本发明的实施例的腔装置的横截面的轮廓。

图3示出来自图2的装置(虚线)的第一腔臂的中间单元的象限的侧视图，其叠加在第二腔臂(实线)的中间单元的对应象限上。

图4示出图2所示装置的第二腔臂的一侧的轮廓。

图5示出图2的实施例的第二腔臂的中间单元的象限的轮廓，该图示出限定单元轮廓的曲率的第一和第二椭圆。

图6示出中间至耦合单元的侧视图，该图示出限定半单元的轮廓的曲率的第一和第二椭圆。

图7示出图6所示的中间至耦合单元的俯视图。

图8示出端耦合单元的侧视图。

图9示出图2的腔装置，其叠加有指示腔的基本模式的电场的强度和方向的向量箭头。

图10示出如图1所示的现有技术的腔装置，其叠加有指示腔的高阶模式的电场的强度和方向的向量箭头。

图11示出图2的腔装置，其叠加有指示图10所示的高阶模式的电场的强度和方向的向量箭头。

图12示出根据本发明的实施例的两个单元设计的散布图，其中，该散布图示出每个单元设计的基频和高阶模式的路径带。

图13示出图2的在工作时的腔装置，其中电子束通过该腔装置加速并用于通过反康普顿散射产生X射线。

具体实施方式

图1示出根据现有技术的腔装置2。腔装置2包括第一腔臂4和第二腔臂6。第一腔臂4和第二腔臂6具有对应的第一旋转轴线8和第二旋转轴线10。第一腔臂4和第二腔臂6与其各自的轴线8、10并排平行布置。第一腔臂4包括中间单元12和端单元14。类似地，第二腔臂6包括中间单元16和端单元18。第一腔臂4和第二腔臂6通过耦合单元20连接。第一腔臂4的中间单元12具有与第二腔臂6的对应中间单元16相同的形状和尺寸。类似地，第二腔臂4的端单元14具有与第二腔臂6的端单元18相同的形状和尺寸。

图2示出根据本发明实施例的腔装置22。腔装置22包括第一腔臂24和第二腔臂26。类似于图1的腔装置2，第一腔臂24具有旋转对称轴线28并且包括中间单元32和端单元34。类似地，第二腔臂26具有旋转对称轴线30并且包括中间单元36和端单元38。第一腔臂24和第二腔臂26通过耦合单元40连接。

与图1的腔装置2相反，在图2的腔装置22中，第一腔臂24的中间单元32不具有与第二腔臂26的中间单元36相同的形状和尺寸。类似地，第一腔臂24的端单元34不具有与第二腔臂26的端单元38相同的形状和尺寸。形状和尺寸的差异相对较小，但是如图2所示的虚线框42所示，差异在该臂的最窄点的曲率中最为明显。

图3中可见第一腔臂24的中间单元32和第二腔臂26的中间单元36的曲率上的小的差异，该图示出了第一腔臂24的中间单元32的象限44(虚线)，其被叠加在第二腔臂26的中间单元36的对应象限46(实线)中。这种曲率差异的特征在于许多非轴向尺寸参数，即限定单元壁部分形状的主椭圆和次椭圆，如下面参考图5所述。

图4示出图2的第二腔臂26的一侧的轮廓。图4示出根据腔臂26的制造将单元分成单元片。腔臂26由多个中间单元片48制成。每个中间单元片48包括围绕镜像对称平面54为对称的左侧50和右侧52。每个中间单元片的左部分50连接到相邻中间单元片的右部分52以形成中间单元56。例外情况是中间单元片48a(其与端单元片58相邻并形成端单元60的一部分)和中间单元片48b(其与中间到耦合部分62相邻，并且其形成与耦合单元64相邻的中间单元56a的一部分)。

中间到耦合部分62包括两个部分：耦合单元片66和中间到耦合单元片68。中间到耦合部分62的耦合单元片66具有如下关于图7进一步描述的形状和尺寸。通过与端耦合单元片70组合，耦合单元片66提供必要的耦合单元形状，以实现RF能量从第一腔臂24向第二腔臂26的传输。在本实施例中，耦合单元具有跑道形状。下表3给出的耦合单元的尺寸参数提供了另外的优点，即耦合单元强耦合基本模式，但弱耦合高阶模式。

图5示出图3所示的象限46的横截面图的轮廓，其叠加有第一椭圆72和第二椭圆74，第一椭圆72和第二椭圆74限定了单元象限的外部轮廓76的曲率。外部单元轮廓76的曲率根据第一椭圆72和第二椭圆74的主轴和短轴来指定。第一椭圆72具有短轴A和长轴B。第二椭圆具有短轴a和长轴b。单元象限沿轴向方向(即沿图2所示的轴线30)的尺寸为l＝λ/4，其中，每个中间单元36的基本模式的波长为λ。中间单元片46在其最宽点处的半径被指定为R_eq。中间单元片在其最窄点的半径为R_iris。

表1

表1示出参数R_eq、A、B、R_iris、a、b和l的三组示例值。值的第一列为根据图1即现有技术的对称腔装置的中间单元12、16的典型组。该组参数适用于第一腔臂4和第二腔臂6二者中的中间单元12、16。值的第二列(第一腔臂单元)为图2的非对称腔装置的第一腔臂24的中间单元32的参数的示例值组。这些值将与第三列(第二腔臂单元)的值组合使用，第三列的值为图2的第二腔臂26的中间单元36的对应参数值。

端单元片58和中间到耦合单元片68具有对应于中间单元32的等效参数的尺寸参数R_eq、A、B、R_iris、a、b和l。表2示出图2的实施例的单元片58和中间到耦合单元片68的参数值。

表2

图6和图7示出图2的腔装置22的耦合单元40的耦合单元片66。第一腔臂24设置有具有相同形状和尺寸的对应片。图6示出耦合单元片66的侧剖面的轮廓，该图示出限定耦合单元片66的形状的各种参数。叠加在横截面轮廓上的第一椭圆78和第二椭圆80限定耦合单元片66的曲率。第一椭圆78具有短轴A和长轴B。第二椭圆80具有短轴a和长轴b。耦合单元片66沿轴向方向(即，腔臂的对称旋转轴线的方向)的最大尺寸为l＝λ/4，其中，腔臂的单元的基本模式的波长为λ。圆形孔82设置在耦合单元片66连接到相邻的中间单元片68的位置。圆形孔82具有半径R_iris。

图7示出耦合单元片66的俯视图。耦合单元片66成形为在一端84连接到用于第一腔臂24的对应耦合单元片。耦合单元片与端耦合单元片(下面参考图8所述)组合，从而形成具有跑道形状的单个耦合单元。耦合单元片66具有从端部84到圆形孔82的中心的距离的尺寸参数L_b。耦合单元片66还具有为耦合单元片66的直线边85的长度的参数L_s。

图8中示出对应于耦合单元片66的端耦合单元片70的横截面。端耦合单元片70还具有由第一椭圆78限定的曲率。它具有相当于耦合单元片66的开口82的开口82a。开口82a的尺寸和形状由如图8所示的第三椭圆80a和等效参数a'、b'和R'_iris定义。

耦合单元片66和端耦合单元片70的尺寸参数的典型值在表3中示出。

表3

图9示出图2的腔装置22，其叠加有向量箭头86，当在腔装置中产生电磁驻波时，向量箭头86指示腔单元的基本模式的电场的大小和方向。基本模式对应于加速模式或工作模式，即用于沿腔臂24、26的轴线加速或减速电子的模式。从图9可以看出，在每个单元的中心88的电场在轴向方向上。还可以看出，电场的方向与每个单元交替，即单元36-1具有远离耦合单元40的电场，以及单元36-2具有指向耦合单元40的电场。这是因为每个单元的中心对应于驻波的波腹。当驻波振荡时，每个单元中的电场方向将交替，使得每个周期改变方向两次。

当装置处于工作状态时，电子沿每个腔臂的轴线以束的形式以某一速度发送，使得它们通过每个单元的中心同时在波腹中出现最大值，即，与电场强度最大并且指向电子正在移动的方向的时候(或者电子正在相反的方向减速的地方)一致。从图9可以看出，第一腔臂的电场的大小基本上等于第二腔臂中的电场的大小，即第一和第二腔臂共享共同的基频(即加速或操作)模式。

图10示出图1的即现有技术的腔装置，其中，该腔装置上叠加有显示高阶模式的电场的向量箭头。向量箭头90示出了在每个腔臂的轴线附近的电场低，以及远离轴线的电场较高。此高阶模式对移动通过腔臂的电子束的轨迹的影响将取决于特定模式，例如，无论是单极子、偶极子、四极子还是高阶模式。高阶模式(或寄生模式)具有干扰电子束的期望轨迹的效果，并且可能导致电子束失去完整性(即，分裂)，特别是在每束中的电荷量更高时的高电流时。这限制了腔的工作电流，并从而限制了可以使用加速电子束产生的X射线(或其他辐射)的亮度。由于每个腔臂的单元具有相等的尺寸参数，因此每个臂中的高阶模式具有相等的大小。

图11示出根据图2的腔装置22，其上叠加有向量箭头92。向量箭头对应于与图10所示相同的高阶模式。然而，第二腔臂26的单元不同于第一腔臂24的第二腔臂的单元，其妨碍高阶模式在该频率建立驻波的相长干涉。因此，高阶模式被抑制。结果是，当第一腔臂24中存在高阶模式的电场时，在第二腔臂26中没有看到与该模式相对应的电场。应理解，除了图11所示的模式之外，还存在其他高阶模式，其存在于第二腔臂26中但不存在于第一腔臂24中。类似地，存在存在于第一腔臂24中但不存在于第二腔臂26中的高阶模式。

因此，当电子束在一个腔臂，例如第一腔臂24中减速时，如果某些电子的能量被转移到图11所示的高阶模式，则该能量不会转移到另一腔臂，例如第二腔臂26中的对应高阶模式。因此，由于能量从减速电子转移到图11所示的高阶模式，在第二腔臂26中电子的偏转不会增加。

因此，随着寄生模式的干扰明显减小，电子可以被加速。这允许使用更高的电流而不会引起电子束散开。因此，可以产生更高能量的电子束和更亮的X射线。

图12示出了示出第一腔臂24(实线)的中间单元和第二腔臂26的中间单元(虚线)的频率通带的散布图。实线对应于中间单元，其具有表1的轴线1单元的参数。虚线对应于中间单元，其具有表1的轴线2单元的参数。

散布图上的每条线表示在无限周期性结构的情况下的特定模式的通带，即使用忽略具有有限数量的中间单元的影响的模型。通带示出频率范围，其中，模式能够以在腔臂中的相邻单元之间的特定的相位提前传播。腔臂的相邻单元之间的相位提前为在散布图的x轴上所示的量。在y轴上显示的是以GHz为单位的模式的频率。

第一腔臂单元的最低频率实线94和第二腔臂单元的最低频率虚线96对应于相应腔臂24、26的基本模式(工作或加速模式)。相应腔臂24、26的两个基本模式94、96显示出非常小的频率差异，这表明用于实际目的的第一和第二腔臂24、26的单元可被认为共享相同的基本模式。

第一腔臂24的高阶模式由实线98指示。第二腔臂26的高阶模式由虚线100指示。第一腔臂24和第二腔臂26的单元的参数差异产生对应通带的频率差异。这些通带的频率差异防止在第二腔臂中发生第一腔臂的高阶模式(并且反之亦然)，特别是由于经由本征模式的耦合单元的弱耦合导致，其不由两个臂处的腔同时共享。每对高阶模式之间的差异显示为最低频率对的d₁，下一最高频率对的d₂以及下一最高频率对的d₃。优选地，每对相邻通带之间的差值d₁、d₂、d₃为MHz的数量级，因为在第二腔臂中提供对高阶模式的期望水平的抑制。

图13示出包括关于图2所述的构造的腔装置104的示例性X射线产生装置102。腔装置104被嵌入低温恒温器112中。腔装置包括超导材料。该装置包括产生电子束108的电子束发生器106。电子束108沿第二腔臂110被加速。超导磁体的阵列114与腔装置104一样被嵌入低温恒温器112中。超导磁体的阵列114用于输送、聚焦和压缩电子束108。如图所示，电子束108可通过腔116附近的激光器，电子束108在此与光子相互作用以通过反康普顿散射产生X射线。在电子束108与光子相互作用之后，其被超导磁体阵列114重新引导到它被减速的第一腔臂118中。从电子束108的减速回收的RF能量经由采用耦合单元120形式的RF传输装置传送至第二腔臂110，使得该RF能量可用于加速第二腔臂110中的电子。减速电子108然后被引导至束流捕集器122中。当电子束108在第一腔臂118中被减速时，电子束108的能量的很大一部分被回收，从而使得装置更有效率。减速后的电子束以比其最大能量低得多的能量被转储。例如，在束流捕集器处的能量可能为比最大光束能量小200倍的量级。相应地，加速电子束的RF功率比在与激光相互作用的点处的电子束的无功功率低约200倍。

在图13的实施例中，电子束108在第二腔臂110中被加速并在第一腔臂118中被减速。然而，应理解，通过适当地重新定位电子束发生器106和束流捕集器122，电子束108可以在相反方向上被引导，即在第一腔臂118中加速并在第二腔臂110中减速。

电子束108包括一束电子。抑制第二腔臂中的高阶模式允许加速更大电荷的电子束，即允许更高的工作电流。因此，可以产生更亮的X射线束。

应理解，上面已经仅通过一个示例应用描述了本发明的腔装置的一个特定实施例。在本发明的范围内的许多其他实施例、变型和应用是可能的。

Claims

1.一种用于加速带电粒子的射频腔装置即RF腔装置，其包括第一腔臂和第二腔臂，所述第一腔臂和所述第二腔臂具有相应的第一旋转对称轴和第二旋转对称轴，以及每个腔臂包括至少一个单元，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，所述第一腔臂的一个或更多个单元具有等于所述第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，所述第一腔臂的所述一个或更多个单元具有与所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。

2.根据权利要求1所述的腔装置，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元之间的多于一个的非轴向尺寸参数不同。

3.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中所述非轴向尺寸参数或每个非轴向尺寸参数选自由以下项组成的组：单元的最大宽度；单元的最大半径；单元的最小宽度；单元的最小半径；以及单元壁的曲率。

4.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述一个或更多个非轴向尺寸参数为一个或更多个椭圆的主轴和短轴中的一个或更多个，其中，所述椭圆对应于沿单元的轴向剖面的腔壁的部分。

5.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，在所述第一腔臂的所述一个或更多个单元的所述非轴向尺寸参数或所述非轴向尺寸参数中的每个和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的所述一个或更多个对应非轴向尺寸参数之间的差异被表示为所述第一腔臂的所述一个或更多个单元的所述非轴向尺寸参数或所述非轴向尺寸参数中的每个的百分数，所述差异为小于5％。

6.根据权利要求5所述的腔装置，其中，所述差异小于3％。

7.根据权利要求6所述的腔装置，其中，所述差异小于1％。

8.根据权利要求7所述的腔装置，其中，所述差异小于0.5％。

9.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述轴向尺寸参数为每个单元的长度。

10.根据权利要求9所述的腔装置，其中，每个单元具有λ/2的轴向单元长度，其中，λ为所述腔装置的加速或减速模式的波长。

11.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的所述轴向尺寸参数值被选择成使得支持范围在100MHz至10GHz的基本模式。

12.根据权利要求11所述的腔装置，其中，所支持的基本模式范围在500MHz至5GHz。

13.根据权利要求12所述的腔装置，其中，所支持的基本模式范围在1-2.5GHz。

14.根据权利要求13所述的腔装置，其中，所支持的基本模式在1.3GHz。

15.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂中的每个包括不止一个工作单元。

16.根据权利要求15所述的腔装置，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂各自包括相同数量的工作单元。

17.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，除了端单元和耦合单元之外，每个腔臂还包括许多工作单元。

18.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述腔装置被构造成沿所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴加速带电粒子，并使带电粒子束沿所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴减速。

19.根据权利要求18所述的腔装置，其中，在所述第二腔臂中减速的所述带电粒子束为在所述第一腔臂中加速的相同带电粒子束。

20.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述腔装置被构造成沿所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴加速带电粒子，并使带电粒子束沿所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴减速。

21.根据权利要求20所述的腔装置，其中，在所述第一腔臂中减速的所述带电粒子束为在所述第二腔臂中加速的相同带电粒子束。

22.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述装置包括用于产生带电粒子束的带电粒子束发生器。

23.根据权利要求18所述的腔装置，其中，所述带电粒子束包括以下中的一种或更多种：电子、正电子、质子或离子。

24.根据权利要求18所述的腔装置，其中，所述带电粒子束由电子构成，并且所述带电粒子束包括多束电子。

25.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述第一腔臂的所述一个或更多个单元被布置成施加RF电场以加速来自发生器的带电粒子束，并且其中，所述第二腔臂的所述单元被布置成施加RF电场以使带电粒子束减速。

26.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述第二腔臂的所述一个或更多个单元被布置成施加RF电场以加速来自发生器的带电粒子束，并且其中，所述第一腔臂的所述单元被布置成施加RF电场以使带电粒子束减速。

27.根据权利要求20所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器被布置成当所述带电粒子束通过所述第一腔臂减速时，从减速的所述带电粒子束中回收RF能量并将所回收的RF能量转移至所述第二腔臂中。

28.根据权利要求18所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器被布置成当所述带电粒子束通过所述第二腔臂减速时，从减速的所述带电粒子束中回收RF能量并将所回收的RF能量转移至所述第一腔臂中。

29.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器包括连接所述第一腔臂和所述第二腔臂的一个或更多个RF波导或耦合单元。

30.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，谐振耦合器被构造成强耦合具有相同频率的本征模式，以及弱耦合具有不同频率的本征模式。

31.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器包括连接至所述腔臂中的每个的一端的单个耦合单元。

32.根据权利要求31所述的腔装置，其中，所述单个耦合单元为跑道形或椭圆形。

33.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中所述第一腔臂和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元是一个或更多个超导单元，其由一种或更多种超导材料形成或涂覆有所述一种或更多种超导材料。

34.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述谐振耦合器包括由一种或更多种超导材料形成或涂覆有所述一种或更多种超导材料的一个或更多个波导或一个或更多个耦合单元。

35.根据权利要求33所述的腔装置，其中所述谐振耦合器包括由一种或更多种超导材料形成或涂覆有所述一种或更多种超导材料的一个或更多个超导波导或一个或更多个超导耦合单元，并且其中，所述一个或更多个超导单元和所述一个或更多个超导波导或一个或更多个超导耦合单元一体地形成或连接在一起。

36.根据权利要求35所述的腔装置，其中，所述一个或更多个超导单元和所述一个或更多个超导波导或一个或更多个超导耦合单元被设置在低温恒温器中。

37.根据权利要求36所述的腔装置，其中，在所述低温恒温器中设置带电粒子束发生器。

38.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴和所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴平行。

39.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，耦合单元具有垂直于所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴和所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴的纵向轴线。

40.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，能量通过相互作用过程从加速电子束中提取。

41.根据权利要求40所述的腔装置，其中，所述相互作用过程包括以下中的一个或更多个：使所述电子束与光子相互作用以通过反康普顿散射产生X射线；使所述电子束通过波荡器或施加交变磁场以产生电磁辐射；将所述电子束引导到目标上以引起发射和/或荧光；并使所述电子束与用于电子衍射或显微镜的样品直接相互作用。

42.根据权利要求40所述的腔装置，其中，所述电子束用于产生太赫兹辐射或X射线。

43.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述装置包括光子源。

44.根据权利要求1或2所述的腔装置，其中，所述装置包括被布置成使带电粒子束在所述第一腔臂和所述第二腔臂之间转过180°的装置。

45.根据权利要求44所述的腔装置，其中，光子源被设置成当在加速带电粒子束经过所述腔臂中的一者之后并在进入另一臂之前转过约90°的角度时，提供与所述加速带电粒子束相互作用的光子。

46.一种从带电粒子束回收能量的方法，包括以下步骤：

产生带电粒子束；

使所述带电粒子束通过射频腔装置即RF腔装置的第一腔臂，所述第一腔臂被布置成施加电场和/或磁场以加速所述带电粒子束；

使所述带电粒子束通过所述射频腔装置即RF腔装置的第二腔臂，所述第二腔臂被布置成施加电场和/或磁场以使所述带电粒子束在其相互作用之后减速；

其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂通过谐振耦合器连接，其中，所述第一腔臂的一个或更多个单元具有等于所述第二腔臂的一个或更多个单元的对应轴向尺寸参数的轴向尺寸参数，并且其中，所述第一腔臂的所述一个或更多个单元具有与所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的一个或更多个对应非轴向尺寸参数不同的至少一个非轴向尺寸参数。

47.根据权利要求46所述的方法，其中，不止一个非轴向尺寸参数在所述第一腔臂和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元之间不同。

48.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述非轴向尺寸参数或每个非轴向尺寸参数选自由以下项组成的组：单元的最大宽度；单元的最大半径；单元的最小宽度；单元的最小半径；以及单元壁的曲率。

49.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述一个或更多个非轴向尺寸参数为一个或更多个椭圆的主轴和短轴中的一个或更多个，其中，所述椭圆对应于沿单元的轴向剖面的腔壁的部分。

50.根据权利要求46或47所述的方法，其中，在所述第一腔臂的所述一个或更多个单元的所述非轴向尺寸参数或所述非轴向尺寸参数中的每个和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的所述一个或更多个对应非轴向尺寸参数之间的差异被表示为所述第一腔臂的所述一个或更多个单元的所述非轴向尺寸参数或所述非轴向尺寸参数中的每个的百分数，所述差异为小于5％。

51.根据权利要求50所述的方法，其中，所述差异小于3％。

52.根据权利要求51所述的方法，其中，所述差异小于1％。

53.根据权利要求52所述的方法，其中，所述差异小于0.5％。

54.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述轴向尺寸参数为每个单元的长度。

55.根据权利要求54所述的方法，其中，每个单元具有λ/2的轴向单元长度，其中，λ为所述腔装置的加速或减速模式的波长。

56.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元的所述轴向尺寸参数值被选择成使得支持范围在100MHz至10GHz的基本模式。

57.根据权利要求56所述的方法，其中，所支持的基本模式范围在500MHz至5GHz。

58.根据权利要求57所述的方法，其中，所支持的基本模式范围在1-2.5GHz。

59.根据权利要求58所述的方法，其中，所支持的基本模式在1.3GHz。

60.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂中的每个包括不止一个工作单元。

61.根据权利要求60所述的方法，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂各自包括相同数量的工作单元。

62.根据权利要求46或47所述的方法，其中，除了端单元和耦合单元之外，每个腔臂还包括许多工作单元。

63.根据权利要求46或47所述的方法，其中所述第一腔臂和所述第二腔臂具有相应的第一旋转对称轴和第二旋转对称轴，所述方法进一步包括沿所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴加速带电粒子，并使带电粒子束沿所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴减速。

64.根据权利要求63所述的方法，其中，在所述第二腔臂中减速的所述带电粒子束为在所述第一腔臂中加速的相同带电粒子束。

65.根据权利要求46或47所述的方法，其中所述第一腔臂和所述第二腔臂具有相应的第一旋转对称轴和第二旋转对称轴，所述方法进一步包括沿所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴加速带电粒子，并使带电粒子束沿所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴减速。

66.根据权利要求65所述的方法，其中，在所述第一腔臂中减速的所述带电粒子束为在所述第二腔臂中加速的相同带电粒子束。

67.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述装置包括用于产生带电粒子束的带电粒子束发生器。

68.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束包括以下中的一种或更多种：电子、正电子、质子或离子。

69.根据权利要求63所述的方法，其中，所述带电粒子束由电子构成，并且所述带电粒子束包括多束电子。

70.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括在所述第一腔臂的所述一个或更多个单元中施加RF电场以加速来自发生器的带电粒子束，并在所述第二腔臂的所述一个或更多个单元中施加RF电场以减速带电粒子束。

71.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括在所述第二腔臂的所述一个或更多个单元中施加RF电场以加速来自发生器的带电粒子束，并在所述第一腔臂的所述一个或更多个单元中施加RF电场以减速带电粒子束。

72.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括当所述带电粒子束通过所述第一腔臂减速时，从减速的所述带电粒子束中回收RF能量并将所回收的RF能量转移至所述第二腔臂中。

73.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括当所述带电粒子束通过所述第二腔臂减速时，从减速的所述带电粒子束中回收RF能量并将所回收的RF能量转移至所述第一腔臂中。

74.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述谐振耦合器包括连接所述第一腔臂和所述第二腔臂的一个或更多个RF波导或耦合单元。

75.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述谐振耦合器包括连接至所述腔臂中的每个的一端的单个耦合单元。

76.根据权利要求75所述的方法，其中，所述单个耦合单元为跑道形或椭圆形。

77.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述谐振耦合器被构造成强耦合具有相同频率的本征模式，以及弱耦合具有不同频率的本征模式。

78.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述第一腔臂和所述第二腔臂的所述一个或更多个单元是一个或更多个超导单元，其由一种或更多种超导材料形成或涂覆有所述一种或更多种超导材料。

79.根据权利要求46或47所述的方法，其中，所述谐振耦合器包括由一种或更多种超导材料形成或涂覆有所述一种或更多种超导材料的一个或更多个波导或一个或更多个单元。

80.根据权利要求78所述的方法，其中所述谐振耦合器包括由一种或更多种超导材料形成或涂覆有所述一种或更多种超导材料的一个或更多个超导波导或一个或更多个超导耦合单元，并且其中，所述一个或更多个超导单元和所述一个或更多个超导波导或一个或更多个超导耦合单元一体地形成或连接在一起。

81.根据权利要求80所述的方法，其中，所述一个或更多个超导单元和所述一个或更多个超导波导或一个或更多个超导耦合单元被设置在低温恒温器中。

82.根据权利要求81所述的方法，其中，在所述低温恒温器中设置带电粒子束发生器。

83.根据权利要求46或47所述的方法，其中所述第一腔臂和所述第二腔臂具有相应的第一旋转对称轴和第二旋转对称轴，并且其中所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴和所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴平行。

84.根据权利要求46或47所述的方法，其中所述第一腔臂和所述第二腔臂具有相应的第一旋转对称轴和第二旋转对称轴，并且其中耦合单元具有垂直于所述第一腔臂的所述第一旋转对称轴和所述第二腔臂的所述第二旋转对称轴的纵向轴线。

85.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括通过相互作用过程从加速电子束中提取能量。

86.根据权利要求85所述的方法，其中，所述相互作用过程包括以下中的一个或更多个：使所述电子束与光子相互作用以通过反康普顿散射产生X射线；使所述电子束通过波荡器或施加交变磁场以产生电磁辐射；将所述电子束引导到目标上以引起发射和/或荧光；并使所述电子束与用于电子衍射或显微镜的样品直接相互作用。

87.根据权利要求85所述的方法，另外包括使用所述电子束来产生太赫兹辐射或X射线。

88.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括提供光子源。

89.根据权利要求46或47所述的方法，另外包括使带电粒子束在所述第一腔臂和所述第二腔臂之间转过180°。

90.根据权利要求89所述的方法，其中，光子源在加速带电粒子束经过所述腔臂中的一者之后并在进入另一臂之前转过约90°的角度时，提供与所述加速带电粒子束相互作用的光子。