CN109618484B - 一种箱式谐振腔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种箱式谐振腔，可用于螺旋加速器或蛇形多腔电子加速器等加速器。该谐振腔的腔体分隔部件将真空腔体分隔为箱盖和箱体两部分，箱盖的体积小，箱体的体积大，其目的是缩小螺旋运动所包围的真空腔体积，使得相邻两次加速的粒子传输路程小于或等于腔体谐振频率的波长。

Description

一种箱式谐振腔

技术领域

本发明涉及一种带电粒子加速器，更特别地涉及一种加速器中的谐振腔。

背景技术

加速器是一种复杂的高新技术装置，被广泛应用于科学研究、工农业生产、医疗卫生、国防军事、环境保护、公共安全等领域。电子加速器的种类很多，包括静电高压加速器、电子直线加速器、电子感应加速器等。

现有技术中的谐振腔采用圆柱腔内插两个电极板，在腔内形成H₁₁₀模式的电磁场。该模式电磁场在两个电极板的间隙内形成谐振电场，用于加速电子，电子运动轨迹穿过电磁场中线圆柱轴线。然而这种方法在工程实施上存在一定问题，即存在机械布局的困难。例如对于100MHz的谐振腔，圆柱的直径约为1米，而100MHz的波长为3米，电子的螺旋运动需要绕半个腔体旋转运动，如果运动轨迹为近似矩形，则电子相邻两次的加速需要运动3个腔体半径，即为3米左右。因此在空间机械布局上较为困难，甚至难以完成，因为在工程上，管道的转弯需要一定的回转半径和机械空间。

理论上，粒子在腔体外的运动轨迹如果是半圆弧，其路程长度肯定小于腔体的谐振频率的波长，但这在工程上很难实现，因为粒子的能量随着螺旋运动而增加，不可能制作一个大磁铁实现粒子的等半径螺旋运动，而采用分立磁铁，磁铁的数量又太多，束流光路的设计与束流的调试难度增加很大，哪怕是采用五边形的螺旋运动。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种新型的谐振腔。

根据本发明的一种箱式谐振腔，其特征在于，其包括真空腔体、腔体分隔部件、以及束流管道；其中腔体分隔部件将真空腔体内侧空间分割为上下两个体积不同的部分，使得相邻两次加速的粒子传输路程小于或等于腔体谐振频率的波长；真空腔体内输入射频场时，磁场围绕腔体分隔部件建立H₁₁₀模式的电磁场。

优选地，所述腔体分隔部件设置为穿插在真空腔体中的两个厚板电极，其中厚板电极中设置有对应于束流管道形成有贯穿的束流孔道；相对束流孔道的中心轴重合，以利于束流传输；两个厚板电极之间形成电极加速间隙。

优选地，所述腔体分隔部件为延伸穿插入真空腔体中的两排相对放置的束流管道，相对束流管道的中心轴重合，以利于束流传输；两排束流管道之间形成电极加速间隙。

优选地，所述腔体分隔部件为穿插在真空腔体中两个厚板电极组合件，所述厚板电极组合件由穿设在厚板电极中的成排束流管道组成，其中相对束流管道的中心轴重合，以利于束流传输；厚板电极组合件之间形成电极加速间隙。

优选地，所述上部空间小于所述下部空间，且上部为箱盖，下部为箱体。

优选地，带电粒子束流围绕和穿过真空腔体做偏离腔体轴心的螺旋运动。

优选地，所述真空腔体为圆柱腔。

优选地，所述箱盖其截面形状为半圆柱，所述箱体其截面形状为长方形。根据本发明的谐振腔采用上下不对称的腔体结构，腔体内所建立的电磁场谐振模式仍然是H₁₁₀模式，且这基本上不会影响到电场的分布问题，因为电场集中分布在两个电极板的间隙内，受上下空间大小的影响很小。

根据本发明的箱式谐振腔不仅用于螺旋加速器，也可用于蛇形多腔电子加速器等其它加速器。

附图说明

图1为根据本发明第一实施方式的圆柱形非对称谐振腔的示意图。

图2为根据本发明的第一实施方式的圆柱形非对称谐振腔的侧视图。

图3为根据本发明第二实施方式的非对称谐振腔的示意图。

需要说明的是，附图并不一定按比例来绘制，而是仅以不影响读者理解的示意性方式示出。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

为了解决上述电子运动路径的长度相对于腔体直径小的问题，需要缩小腔体的直径。但是如果缩小直径，腔体的谐振频率随之升高，射频的波长就缩短，其总的效果是，缩短腔体直径后两次相邻加速的电子运动路径的长度仍然与腔体的3倍直径的长度相当，因而不能通过直接减小腔体直径来解决上述问题。

在保持腔体谐振频率不变的情况下，为了缩小电子螺旋运动所包围的腔体空间，可以考虑将一部分腔体的体积移到被螺旋运动所包围的空间之外。当然，这个方法只能适应于弹簧螺旋模式，而不适合8字螺旋运动模式，因为8字螺旋运动模式将整个腔体都包围在其螺旋运动的空间内。

如果将谐振腔内的两个电极板直接上移，可以实现上述目的，但是其机械加工和安装的难度较大。

基于此，根据本发明的箱式谐振腔包括真空腔体3、腔体分隔部件以及束流管道1。

腔体分隔部件成对设置，且两个腔体分割部件之间形成电极加速间隙。

如图1，2所示，腔体分隔部件为两个穿插在真空腔体3中的厚板电极，厚板电极中对应于束流管道1形成有贯穿的束流孔道1′。两个厚板电极之间形成电极间隙4。束流管道1从一个厚板电极2的外侧的束流孔道1′连接至另一个厚板电极2的外侧的束流孔道1′。其中厚板电极2将真空腔体3内侧空间分割为上下两个部分，其中上部体积小于下部体积。且上部为箱盖5，下部为箱体6。束流在真空腔体3内做偏心螺旋运动。本发明中所指偏心螺旋运动是指厚板电极2或带电粒子束流的运动轨迹不通过圆柱腔的轴线，由此可以使得腔体内所建立的磁场仍然是H₁₁₀模式，同时也保证电场的分布不受影响。

优选地，腔体分隔部件，可以为如图1所示的厚板电极，也可以为图3所示的厚板电极组件，该厚板电极组件由穿设在厚板电极中的成排束流管道组成，其中相对束流管道的中心轴重合。该腔体分隔部件也可以由束流管道组成(附图中未示出)。延伸穿插入真空腔体中的两排相对放置的束流管道也可以形成本发明中的腔体分隔部件，在这种情况下，相对束流管道的中心轴重合，以利于束流传输。

在该实施方式中，箱式谐振腔的真空腔体3为圆柱腔。图1的示意图未显示圆柱腔两端的密封大法兰，实际工程中需要采用大法兰将圆柱腔内密闭形成封闭空间，以便利用真空泵将其抽取为粒子运动所必须的真空环境。

根据图1-3所示的箱式谐振腔，带电粒子形成的束流其螺旋传输和加速的过程是：首先从一个厚板电极2的束流孔道1′进入谐振腔，在电极间隙4处获得加速，再穿过另一个厚板电极2的束流孔道1′进入束流管道1，如此反复，直至从谐振腔出射。需要说明的是，束流在束流管道1中的运动轨迹需要配合偏转磁铁进行控制，具体偏转磁铁的设置方式本领域技术人员可以根据所需运动轨迹来设置其数量，偏转角度以及位置。

进一步地，本发明对真空腔体的结构进行了进一步地优化，如图3所示，根据本发明的又一实施方式，箱式谐振腔的真空腔体3可以为异形。其中，上半部分，也即箱盖5，其截面形状为半圆柱型；下半部分，也即箱体，其截面形状为长方体。

更进一步地，本发明中真空腔体的箱盖和箱体可具有其他不同形式，只需要保证箱盖空间小于箱体空间即可。

更进一步地，本发明中厚板电极可以替换为束流管道。也即将束流管道1在箱体内延长，两端束流管道之间形成所需电极间隙4即可。

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。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种箱式谐振腔，其特征在于，其包括真空腔体、腔体分隔部件、以及束流管道；其中腔体分隔部件将真空腔体内侧空间分割为上部空间和下部空间两个体积不同的部分，使得相邻两次加速的粒子传输路程小于或等于腔体谐振频率的波长；真空腔体内输入射频场时，磁场围绕腔体分隔部件建立H₁₁₀模式的电磁场。

2.根据权利要求1的所述的箱式谐振腔，其特征在于，所述腔体分隔部件设置为穿插在真空腔体中的两个厚板电极，其中厚板电极中设置有对应于束流管道形成有贯穿的束流孔道；相对束流孔道的中心轴重合，以利于束流传输；两个厚板电极之间形成电极加速间隙。

3.根据权利要求1所述的箱式谐振腔，其特征在于，所述腔体分隔部件为延伸穿插入真空腔体中的两排相对放置的束流管道，相对束流管道的中心轴重合，以利于束流传输；两排束流管道之间形成电极加速间隙。

4.根据权利要求1的箱式谐振腔，其特征在于，所述腔体分隔部件为穿插在真空腔体中两个厚板电极组合件，所述厚板电极组合件由穿设在厚板电极中的成排束流管道组成，其中相对束流管道的中心轴重合，以利于束流传输；厚板电极组合件之间形成电极加速间隙。

5.根据权利要求1的所述的箱式谐振腔，其特征在于，所述上部空间小于所述下部空间，且上部为箱盖，下部为箱体。

6.根据权利要求1的所述的箱式谐振腔，其特征在于，带电粒子束流围绕和穿过真空腔体做偏离腔体轴心的螺旋运动。

7.根据权利要求3的所述的箱式谐振腔，其特征在于，所述真空腔体为圆柱腔。

8.根据权利要求5的所述的箱式谐振腔，其特征在于，所述箱盖其截面形状为半圆柱，所述箱体其截面形状为长方形。