CN109462932B - 一种驻波加速管 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及加速管领域，公开了一种驻波加速管，包括沿电子束流方向依次设置的至少两个主加速腔单元，及与所述主加速腔单元耦接的边耦合腔单元，所述主加速腔单元和所述边耦合腔单元上分别设有主加速腔和边耦合腔，所述主加速腔单元上设有能够连通所述主加速腔和所述边耦合腔的耦合调节孔，其特征在于，所述耦合调节孔内壁的曲率连续变化。本发明通过耦合调节孔的内壁连接主加速腔和边耦合腔，从而避免主加速腔单元的内壁与边耦合腔的内壁直接相交形成的尖锐的耦合孔边缘，降低相交位置的电流密度和电场强度，减小电流强度，避免引起击穿打火，降低了打火次数，解决了现有驻波加速管打火频率较高的问题。

Description

一种驻波加速管
技术领域
本发明涉及加速管领域，尤其涉及一种驻波加速管。
背景技术
驻波加速管在正常工作过程，其内部会馈入高功率的微波功率，微波功率在内部建立很强的电磁场，而强的电磁场会始终伴随着微波打火，该打火的能量来源于电磁场集聚在腔体内表面形成的波因亭矢量(Poynting vector)，因此从打火理论上讲，加速管内的微波打火与其内部建立的电场、磁场都有关系，具体理论关系如下：
Figure BDA0001928310460000011
其中，E-微波在加速管内建立的电场强度；t-微波脉冲宽度；BDR-衡量加速管内微波打火的指标参量(breakdown rate)打火率。微波脉冲宽度的大小与磁场对加速管内表面的热效应有关，微波脉冲宽度持续时间越久，脉冲内磁场对加速管内表面的热效应就会越明显，温度集聚升高到一定程度后，基于外部电场的场致发射效应就会引起微波打火。
现有技术中，主加速腔和边耦合腔之间的耦合通道表面的电流密度大，在同等面积的前提下，相应的电场强度也就越大，而电场强度与打火率呈正相关，继而会导致打火频率增加，降低了驻波加速管整体的运行稳定性和可靠性。
因此，如何提出一种能够降低打火频率的驻波加速管是现在亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种驻波加速管，能够解决现有驻波加速管打火频率较高的问题，以提高驻波加速管整体的运行稳定性和可靠性。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种驻波加速管，包括沿电子束流方向依次设置的至少两个主加速腔单元，及与所述主加速腔单元耦接的边耦合腔单元，所述主加速腔单元和所述边耦合腔单元上分别设有主加速腔和边耦合腔，所述主加速腔单元上设有能够连通所述主加速腔和所述边耦合腔的耦合调节孔，所述耦合调节孔内壁的曲率连续变化。
进一步地，所述主加速腔单元的外壁设有凹陷，所述凹陷与所述耦合调节孔的位置对应，所述边耦合腔单元耦接于所述凹陷内。
进一步地，至少一个所述主加速腔单元上与所述耦合调节孔对应的位置设有第一平面；所述边耦合腔单元上设有第二平面，所述加速腔单元和所述边耦合腔单元通过所述第一平面与第二平面耦接。
进一步地，所述第一平面与所述主加速腔单元的中轴线平行和/或所述第二平面与所述边耦合腔单元的径向垂直。
进一步地，所述耦合调节孔为腰型孔或椭圆孔。
进一步地，所述耦合调节孔与所述主加速腔单元上的所述第一平面的相交位置设有倒角或圆角。
进一步地，所述耦合调节孔的中轴线与所述主加速腔单元的中轴线的夹角为30°-60°，或90°。
进一步地，还包括能量调节组件，所述能量调节组件包括谐振元件，所述谐振元件的一端插入所述边耦合腔内且能够在所述边耦合腔内往复运动。
进一步地，所述谐振元件能够沿垂直于所述第一平面的方向往复运动，并能抵接于所述主加速腔单元上的所述第一平面。
进一步地，所述谐振元件伸入所述第一平面和所述第二平面之间，并能够沿所述第一平面往复运动以封闭或打开所述耦合调节孔。
进一步地，所述谐振元件的最大移动距离大于等于所述耦合调节孔沿所述谐振元件移动方向的长度。
进一步地，所述谐振元件能够完全封闭所述耦合调节孔以实现位于所述谐振元件下游的主加速腔的电场强度为零。
本发明的有益效果：本发明通过耦合调节孔的内壁连接所述主加速腔和所述边耦合腔，从而使得所述主加速腔的内壁和所述边耦合腔的内壁不直接相交，从而避免出现尖锐的相交面，减小电流强度，避免引起击穿打火，降低了打火次数，解决了现有驻波加速管打火频率较高的问题；在主加速腔单元上设置第一平面；边耦合腔单元上设置第二平面，能够实现主加速腔单元和边耦合腔单元的精密加工和配合，还能够同时降低边耦合腔与耦合调节孔相交位置的局部电流密度和局部电场强度，提高了驻波加速管整体的运行稳定性和可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例一所述驻波加速管的结构示意图一；
图2是本发明实施例一所述驻波加速管的结构示意图二；
图3是本发明实施例一所述驻波加速管的轴向剖视图；
图4是本发明实施例一所述主加速腔单元的结构示意图；
图5是本发明实施例一所述边耦合腔单元的结构示意图；
图6是本发明实施例一所述主加速腔单元的轴向剖视图；
图7是本发明实施例一所述耦合调节孔的另一种结构示意图；
图8是采用驻波加速管时能量调节组件关闭的情况下，主加速腔内的电场分布图；
图9是本发明实施例一中能量调节组件关闭时，主加速腔内的电场分布图；
图10是本发明实施例一中的能量开关组件打开时，加速腔内的电场分布图；
图11是本发明实施例一所述驻波加速管的轴向剖视图。
图中：
1、主加速腔单元；10、电子束通道；11、主加速腔；12、第一平面；13、耦合调节孔；
2、边耦合腔单元；21、边耦合腔；22、第二平面；23、鼻锥；
31、谐振元件。
具体实施方式
为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部。
实施例一
如图1-图3所示，本实施例提供了一种驻波加速管，包括主加速腔单元1、边耦合腔单元2和电子束通道10，其中主加速腔单元1设有至少两个且沿电子束流方向依次设置，电子束通道10设于主加速腔单元1上，且电子束通道10的中轴线与主加速腔单元1的中轴线重合，即主加速腔单元1的中轴线沿所述电子束流方向延伸。本实施中每个主加速腔单元1的外壁呈柱状，每个边耦合腔单元2的外壁呈弧状，但主加速腔单元1和边耦合腔单元2的外壁还可以是其他形状，在此不再具体限定。
本实施例中，边耦合腔单元2与相邻的主加速腔单元1耦接，多个边耦合腔单元2分布于所述主加速腔单元1的中轴线的两侧。每个边耦合腔单元2上均设有边耦合腔21，主加速腔单元1上设有能够连通主加速腔11和边耦合腔21的耦合调节孔13。
由于现有技术中的耦合调节孔是由主加速腔13和边耦合腔21直接耦合相交形成的，主加速腔11和边耦合腔21的相交位置存在棱角类的尖端结构，尖端结构区域附近的电流密度较高，会存在较强的极端电流流过，引起局部发热，而局部发热会引起局部的真空状态变差，在外部微波电场的影响下，最终会导致微波尖端击穿打火。
为解决上述技术问题，本实施例在主加速单元上直接加工耦合调节孔以连通边耦合腔21和主加速腔11，形成的耦合调节孔13内壁的曲率是连续变化的。耦合调节孔13的一端与主加速腔11连通，另一端与边耦合腔21连通，通过设置内壁曲率连续变化的耦合调节孔13，使耦合调节孔13与主加速腔11内壁形成的相交线为曲率连续变化的闭合曲线，避免主加速腔11的内壁和边耦合腔21的内壁直接相交而形成尖锐的相交面，减小相交位置的电流强度，避免引起击穿打火，降低了打火次数，解决了现有驻波加速管打火频率较高的问题。
为了减小边耦合腔21与主加速腔11相交位置的电流密度，可以采取避免在耦合调节孔13与边耦合腔21的相交区域出现尖端结构的方式降低击穿打火的概率。例如，在至少一个主加速腔单元1上设置安装面，耦合调节孔13对应于该安装面设置，对应的边耦合腔2也设置对应的耦合结构，从而使得主加速腔单元1和边耦合腔单元2耦合，能够有效防止耦合调节孔13与边耦合腔21的相交区域出现尖端结构。可选的，主加速腔单元1的外壁形成凹陷，凹陷的位置与耦合调节孔13的位置对应，凹陷的底面作为安装面，用于与边耦合腔单元2耦接。如图3和图4所示，本实施例在主加速腔单元1上设置与其中轴线平行的第一平面12，每个主加速腔单元1的一侧设有凹陷，凹陷的底壁为平行于主加速腔单元1中轴线的平面，记为第一平面12，每个第一平面12上设有两个耦合调节孔13，两个耦合调节孔13分别与该主加速腔单元1上的两个主加速腔11连通，且两个耦合调节孔13与同一边耦合腔21连通。可选的，每个第一平面12上所设耦合调节孔13的个数并不仅限于两个。可选的，位于同一第一平面12上两个耦合调节孔13关于边耦合腔单元2的径向平面对称设置，边耦合腔单元2的径向平面垂直于主加速腔单元1的中轴线。
如图5所示，边耦合腔单元2上设有抵接于第一平面12且与其中轴线平行的第二平面22，边耦合腔单元2的轴向两端设有向内凹陷形成的一端开口封闭的鼻锥23。本实施例中上述第二平面22通过沿边耦合腔单元2做轴向切削而形成，鼻锥23的外壁呈柱状，边耦合腔2的中轴线指的是鼻锥23的中轴线，即鼻锥23的中轴线与边耦合腔单元2的中轴线重合。两个鼻锥23沿主加速腔11轴向的长度相等，而且两个鼻锥23正对设置且二者之间设有间距，每个鼻锥23的底壁到边耦合腔单元2端面的距离相等。每个鼻锥23均被配置为正对耦合调节孔13设置，鼻锥23底壁的延伸面与相应的第一平面12相交，也就是说耦合调节孔13沿主加速腔11轴向的长度小于鼻锥23沿主加速腔11轴向的长度。本实施例中，边耦合腔单元2的中轴线与第二平面22之间的距离大于鼻锥23外壁到其中轴线的距离，使鼻锥23与第一平面12之间设有间距，而不与第一平面12接触，避免切割形成第二平面22时鼻锥23的部分被切掉而导致边耦合腔21与外界大气连通。在连接主加速腔单元1和边耦合腔单元2时，将边耦合腔单元2的一侧插入凹陷内使第一平面12抵接于第二平面22，并利用焊接固定边耦合腔单元2和主加速腔单元1。为了使边耦合腔单元2的一侧能够插入凹陷内，要求边耦合腔单元2的轴向长度小于第一平面12沿主加速腔11轴向的长度。
通过设置上述第一平面12和第二平面22不仅能够实现主加速腔单元1和边耦合腔单元2的精密加工和配合，还使得边耦合腔单元2的壳体无需与耦合调节孔13直接连接，从而能够避免边耦合腔21与耦合调节孔13相交位置出现的较大的局部电流密度和局部电场强度，从而减小电流强度，避免引起击穿打火，降低了打火次数，解决了现有驻波加速管打火频率较高的问题，提高了驻波加速管整体的运行稳定性和可靠性。
在上述实施例中，主加速腔单元1上的安装面以及对应的边耦合腔2上的对应耦合结构可以为其它类型的布置，例如上述第一平面12和第二平面22可以与主加速腔单元1的中轴线不平行；或者，安装面和对应的耦合结构可以不为平面，只要其可以耦接良好即可，在此不进行限定。
为了进一步减小边耦合腔21与耦合调节孔13相交位置的电流密度，在耦合调节孔13与第一平面12的相交位置设置倒角或圆角，以降低单位面积内的电流强度，从而降低打火次数。本实施例中，上述倒角的尺寸或圆角的半径范围为0.6mm-0.8mm，在该尺寸范围内，耦合调节孔13与边耦合腔单元2连接位置处的表面电场能够尽可能的降低，进而进一步的降低打火次数。
如图6所示，为了提高加工效率，上述耦合调节孔13的中轴线垂直于主加速腔单元1的中轴线，使耦合通道内单位面积的电流强度进一步降低。但并不仅限于上述方式，还可以将耦合调节孔13从第一平面12处倾斜贯穿至主加速腔11内，具体如图7所示，耦合调节孔13的中轴线与主加速腔单元1的中轴线形成夹角，该夹角优选为30°-60°。
为了减小主加速腔11与耦合调节孔13相交位置的电流密度，可以采取避免在耦合调节孔13与主加速腔11的相交区域出现尖端结构的方式降低击穿打火的概率。具体地，上述耦合调节孔13内壁的曲率连续变化，优选地，上述耦合调节孔13为腰型孔或椭圆孔，能够避免耦合调节孔13内壁以及耦合调节孔13与主加速腔11、边耦合腔21的相交位置出现尖端结构，大大的降低了耦合孔内壁的电流密度，降低了打火次数，提高了驻波加速管运行的稳定性和可靠性；而且可以提高耦合调节孔13覆盖的磁通量，提高微波耦合的效率；同时采用腰型孔、椭圆孔等扁长型的孔可以大大提高驻波加速管的分路阻抗等参数，降低驻波加速管的损耗，节约微波功率；另一方面还可以在有限的空间内最大范围的布局，节约空间。参见图4，本实施例中的耦合调节孔13采用腰型孔，腰型孔的宽度为7mm-11mm，长度为15mm-25mm，腰型孔长轴两侧的半圆孔半径为4mm-6mm。
可以理解的是，还可以在耦合调节孔13与主加速腔11的相交位置设置倒角或圆角，以降低耦合调节孔13与主加速腔11相交位置处的电流密度，降低单位面积内的电流强度，从而降低打火次数。
本实施例中的驻波加速管优选为同源双束式的驻波加速管，其中同源双束指通过能量调节技术实现同一加速管输出至少两种能量的电子束流，实现既能产生用于放射治疗的高能电子束，又能产生用于影像诊断的低能电子束。为了实现同源双束，上述驻波加速管还包括能量调节组件，能量调节组件包括谐振元件31，谐振元件31的一端插入边耦合腔21内且能够在边耦合腔21内往复运动。通过调节能量调节组件，实现驻波加速管不同能量输出以满足使用需求。上述能量调节组件设置的具体设置位置(例如设置于第几个边耦合腔单元2)可以根据实际需求确定，在此不再具体限定。参照图1，本实施例中，设置一个能量调节组件，所述能量调节组件可以沿其中一个边耦合腔单元2的径向插入第一平面12和第二平面22之间，用于调节该位置的其中一个耦合调节孔13的开度，继而调节该驻波加速管工作过程中的失谐程度。
参见图2和图3，本实施例中，谐振元件31的一端伸入第一平面12和第二平面22之间，并能够沿第一平面12往复运动以封闭或打开耦合调节孔13。为了能够通过移动谐振元件31实现将耦合调节孔13完全闭合和完全打开这两种情况，要求谐振元件31的移动距离大于等于耦合调节孔13的沿谐振元件31的移动方向的长度，通过谐振单元31与耦合调节孔13的良好匹配能够实现位于谐振元件31下游的主加速腔11的电场强度为零。如果耦合调节孔13为椭圆形，且其长轴垂直于主加速腔单元1的中轴线，则谐振元件31的移动距离大于等于耦合调节孔13的长轴的长度。
本实施例中谐振元件31沿耦合调节孔13长轴方向往复移动，由于本实施例中耦合调节孔13为规则形状，在移动谐振元件31时能够将耦合调节孔13的全覆盖，进行彻底的微波短路，即完全失谐，实现最大幅度的降低加速管电子输出能量。图8是采用现有驻波加速管时能量调节组件关闭的情况下，主加速腔内的电场分布图，图9和图10分别是能量调节组件关闭和打开时，主加速腔内的电场分布图，其中，图8至图10中，横轴表示主腔内沿其轴向上的位置，纵轴表示电场强度。对比图8、图9和图10可知，现有技术中的驻波加速管的能量调节组件进行能量调节时并不能实现完全意义的电场强度为零，采用本实施例的驻波加速管能够实现严格意义上的电场强度为零，即彻底的微波短路，实现最大限度的降低能量调节组件所在边耦合腔21下游的电场强度，从而起到最大范围的降低驻波加速管输出能量的作用，主要应用于同源双束，IGRT，图像引导放疗过程，可以提高影像诊断的图像质量，提高放疗过程中的在线诊断功能。
目前现有技术中的失谐式驻波加速管会产生频漂，出现模式间隔和禁带因子变大等一系列变化。而采用上述驻波加速管时，若能量调节组件关闭，驻波加速管整管的模式间隔系数和禁带因子这两个加速管关键参数并没有发生偏移，有利于驻波加速管正常稳定地运行在pi/2模式，降低了驻波加速管整管损耗。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，谐振元件31与主加速腔单元1、边耦合腔单元2的位置关系不同。具体地，如图11所示，谐振元件31能够沿垂直于主加速腔单元1的中轴线的方向往复运动，并能抵接于主加速腔单元1上的第一平面12。如果第一平面12平行于主加速腔单元1的中轴线，则谐振元件31沿垂直于第一平面12的方向进行能量调节。
第二平面22的设置减小了边耦合腔21的径向尺寸，使谐振元件31的运动行程减小，提高了驻波加速管的使用寿命，使驻波加速管的整体机械结构的体积变小，易于安装在狭小的机械机构内部，提高了对谐振元件31运动控制的稳定性；而且，由于能量调节组件的端面通常为平面，通过第一平面12的设置，能够使能量调节组件的端面与第一平面12贴合良好，提高了采用本实施例中的能量调节组件的失谐效果。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一平面”和“第二平面”为两个不同的平面。
在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种驻波加速管，包括沿电子束流方向依次设置的至少两个主加速腔单元(1)，及与所述主加速腔单元(1)耦接的边耦合腔单元(2)，所述主加速腔单元(1)和所述边耦合腔单元(2)上分别设有主加速腔(11)和边耦合腔(21)，所述主加速腔单元(1)上设有能够连通所述主加速腔(11)和所述边耦合腔(21)的耦合调节孔(13)，其特征在于，所述耦合调节孔(13)内壁的曲率连续变化；
至少一个所述主加速腔单元(1)上与所述耦合调节孔(13)对应的位置设有第一平面(12)；所述边耦合腔单元(2)上设有第二平面(22)，所述加速腔单元(1)和所述边耦合腔单元(2)通过所述第一平面(12)与第二平面(22)耦接。
2.根据权利要求1所述的驻波加速管，其特征在于，所述主加速腔单元(1)的外壁设有凹陷，所述凹陷与所述耦合调节孔(13)的位置对应，所述边耦合腔单元(2)耦接于所述凹陷内。
3.根据权利要求1所述的驻波加速管，其特征在于，所述第一平面(12)与所述主加速腔单元(1)的中轴线平行和/或所述第二平面(22)与所述边耦合腔单元(2)的径向垂直。
4.根据权利要求1所述的驻波加速管，其特征在于，所述耦合调节孔(13)为腰型孔或椭圆孔。
5.根据权利要求1所述的驻波加速管，其特征在于，所述耦合调节孔(13)与所述主加速腔单元(1)上的所述第一平面(12)的相交位置设有倒角或圆角。
6.根据权利要求1所述的驻波加速管，其特征在于，所述耦合调节孔(13)的中轴线与所述主加速腔单元(1)中轴线的夹角为30°-60°，或90°。
7.根据权利要求1至6任一所述的驻波加速管，其特征在于，还包括能量调节组件，所述能量调节组件包括谐振元件(31)，所述谐振元件(31)的一端插入所述边耦合腔(21)内且能够在所述边耦合腔(21)内往复运动。
8.根据权利要求7所述的驻波加速管，其特征在于，所述谐振元件(31)能够沿垂直于所述第一平面(12)的方向往复运动，并能抵接于所述主加速腔单元(1)上的所述第一平面(12)。
9.根据权利要求7所述的驻波加速管，其特征在于，所述谐振元件(31)伸入所述第一平面(12)和所述第二平面(22)之间，并能够沿所述第一平面(12)往复运动以封闭或打开所述耦合调节孔(13)。
10.根据权利要求9所述的驻波加速管，其特征在于，所述谐振元件(31)的最大移动距离大于等于所述耦合调节孔(13)沿所述谐振元件(31)移动方向的长度。
11.根据权利要求9所述的驻波加速管，其特征在于，所述谐振元件(31)能够完全封闭所述耦合调节孔(13)以实现位于所述谐振元件(31)下游的主加速腔(11)的电场强度为零。
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