CN1102829C - 轴耦合驻波加速管的能量开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轴耦合驻波加速管的能量开关，包括步进电机、蜗轮蜗杆变速机构、滚珠丝杠、波纹软管、能量调变杆和腔壁隔板。其中的腔壁隔板的中心部分为突起鼻锥，外圈及中心设有冷却水路，圆周上设有轴向呈90°交错排列的肾形耦合孔，能量调变杆插入肾形耦合孔中。本发明的轴耦合能量开关能按设计要求调变主加速段场强分布，并保证聚束段场分布不变。将在研制的可调变能量的高能医用轴耦合驻波加速管上投入应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴耦合驻波加速管的能量开关，属高能物理技术领域。
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束，使之提高能量的设备；最终可输出电子射线或由高能电子束打重金属靶而产生的X射线。通常医用电子直线加速器可分为低能(4-6MeV)、中能(8-12MeV)和高能(15-25MeV)三种类型；一台加速器提供一种能量的射线，限定了放射治疗的范围。现国际上已发展有能量多档(E线、X线)可调的高能医用电子直线加速器，可一机多用，能满足临床据患者不同的体征和肿瘤特点，制定最佳治疗方案的需要。
驻波电子直线加速器的核心部件是驻波加速管，工作于(π/2)模的驻波加速管是一种双周期的耦合谐振腔链，即由加速腔链和耦合腔链交互耦合而成。已发展有各种不同类型的双周期结构；如边耦合、轴耦合、同轴耦合及环耦合等。各种结构的耦合腔均处于驻波加速场分布的波节点，对电子加速没有贡献，但由于耦合腔链通带的耦合作用，保证了(π/2)模双周期结构微波传输的稳定性。
按加速腔中微波场对电子束的作用，加速管可分为聚束段和主加速段两部分。由电子枪注入的电子束流，首先经聚束段完成在微波场中的相聚过程，同时能量被加速到约1-2MeV，速度接近光速后再进入主加速段；其后束流相对加速场的相位基本不变，进一步加速的过程中能谱变，而能量增长。因此聚束过程的优化设计直接影响了最终的能谱及加速器输出射线的品质。调节加速管的输入参数，如微波功率、频率或束流负载等，可改变加速管中的场分布，得以调变加速器输出射线的能量；但由于聚束段场分布同时也被改变，导致聚束条件变化，因而将影响加速器的束流品质。因此各种调变技术围绕着寻求调变加速能量而不致影响束流能谱的课题展开。
近二十年来国际上已开发了适用于边耦合驻波加速管的“能量开关”技术，美国Varian和日本NEC等公司申报了多个发明专利，有的已在能量多档可调的现代高能医用电子直线加速器商品机上获得应用。如美国专利US.4286192公开的一种高能开关，其结构如图1所示，其工作原理就是在加速管主加速段中选定的某个称为开关腔的边耦合腔(1)中插入金属活塞调节机构(2)，人为的改变该耦合腔的场分布，从而改变了该耦合腔的工作模式，引起失谐、相位变化或使(1)与其前后相邻的加速腔(3)及(4)的耦合系数变为不相等；按照耦合谐振回路理论可知，上列各种效应均可实现调变主加速段(4)腔及以后各加速腔的场强，同时保持前面包括聚速段在内的各加速腔的场分布不变，从而达到调变束流能量且不改变能谱的目的。
由于边耦合结构的耦合腔均远离轴线分布在加速管的边壁上，对于能量开关装置的安装和调变都较为方便，目前国外的专利技术，都是应用于边耦合结构的。但对于几何空间有限的轴耦合结构，已有的能量开关装置则均不适用。
发明内容
本发明的目的是设计一种轴耦合驻波加速管的能量开关，考虑到轴耦合驻波加速管具有横向尺度较边耦合小，整管结构紧凑，轴对称便于焊接及冷却等优点，以及已有研制低能及中能轴耦合驻波加速管的成套工艺及经验，因此在研制能量多档可调的高能医用电子直线加速器的项目中，采用轴耦合驻波加速结构。能量开关技术在国内尚属空白，国外已有的能量开关技术也不适用。轴耦合驻波加速管的耦合腔链与加速腔链的中心轴均在束流通道的轴线上，耦合腔与加速腔分别通过腔间隔板上的两对肾形孔实现相互耦合，肾形孔和在辐向呈90°交错排列。对于工作频率约3GHz的加速管，耦合腔很薄，轴向尺寸约3mm。由于耦合腔本身的尺寸和位置的局限，类似边耦合的方式在开关耦合腔中插入稳定的调变机构是很困难的。已有的能量调变方案、调节机构以及操作方式都无法直接使用。本发明的目的则在于针对轴耦合驻波加速结构的特点，研制出适用的能量调变装置。
本发明设计的轴耦合驻波加速管的能量开关，包括步进电机、蜗轮蜗杆变速机构、滚珠丝杠、波纹软管、能量调变杆和腔壁隔板。蜗轮蜗杆变速机构、滚珠丝杠、波纹软管和能量调变杆同轴安装。腔壁隔板的中心部分为突起鼻锥，外圈及中心设有冷却水路，圆周上设有轴向呈90°交错排列的肾形耦合孔，能量调变杆插入肾形耦合孔中。
本发明研制的轴耦合能量开关的模型已通过微波参量的测量，证明开关运作确能按设计要求调变主加速段场强分布，并保证聚束段场分布不变。配有能量开关的全密封轴耦合驻波加速管已通过馈送高功率微波及加速电子束的试验，开关运作抗流结构未出现高频击穿放电现象，真空密封正常，并已初步观察到对束流能量调变的效应。本发明的能量开关将在研制的可调变能量的高能医用轴耦合驻波加速管上投入应用。
附图说明
图1是已有技术结构示意图。
图2是本发明设计的能量开关结构示意图。
图3和图4是能量开关中腔壁隔板的结构示意图。
具体实施方式
图1至图4中，1是边耦合腔，2是金属活塞能量调节机构，3和4是加速腔，5是开关耦合腔，6是能量调变杆，7是肾形耦合孔，8是腔壁隔板，9和10是加速腔，11是鼻锥，12是直角腔形，13是冷却水路，14是波纹软管，15是步进电机，16是蜗轮蜗杆变速机构，17是滚珠丝杠，18是肾形耦合孔。
如图2所示，本发明设计的轴耦合驻波加速管的能量开关，包括步进电机15、蜗轮蜗杆变速机构16、滚珠丝杠17、波纹软管14、能量调变杆6和腔壁隔板8。蜗轮蜗杆变速机构16、滚珠丝杠17、波纹软管14和能量调变杆6同轴安装。腔壁隔板8的中心部分为突起鼻锥11，外圈及中心设有冷却水路13，圆周上设有轴向呈90°交错排列的肾形耦合孔7和18，能量调变杆6插入肾形耦合孔7中。
本发明的能量开关工作过程是：由步进电机15驱动蜗轮蜗杆变速机构16及滚珠丝杠17，带动调变杆6实现插入或拔出的动作。当调变杆6拔出时，其下端与耦合孔7的上沿平齐，此时开关处于高能量状态；当调变杆6插入时，其下端插入耦合孔7的下沿，此时开关处于低能量状态。能量调变杆6的插入和拔出，改变了耦合孔7的尺度，因而改变了开关耦合腔5与前后相邻加速腔9和10的耦合系数比例，从而调变开关后段加速腔链的场强，但又不改变前段包括聚束段在内的场分布。
本发明的调变机构与已有技术的区别是不再在开关耦合腔5中运作，将能量调变杆6的活动空间设置到肾形耦合孔7中，开关耦合腔5与前后加速腔9及10改为分别通过隔板上的肾形孔耦合，各肾形孔的大小相同，辐向呈90°交错排列。图3和图4是相邻两腔壁隔板的结构示意图，图中肾形耦合孔7和18呈90°交错排列，13是冷却水路。
为了在隔板的耦合孔7中加入相应的能量调节机构，开关耦合腔5与前后加速腔9及10之间的腔壁隔板8必须有足够的厚度。因此，本发明开关段的两个加速腔9及10的腔型是重新特殊优化设计的，以适应调变装置的要求。为此9及10已改为轴向非对称腔，即保持一个半腔形状基本不变，将另一个与能量开关相邻的半腔的鼻锥11变矮，同时将腔壁弧形变平直，形成直角腔形12，以增大耦合孔处的腔壁厚，为调变杆的插入留下足够空间。另外能量开关段因为形状特殊，不便外加水套冷却，所以在腔体内设置了冷却水通路13。
能量开关的动作机构与腔体连接处有一套可靠的真空密封装置，调变杆6外配用耐高温烘烤的波纹软管14，保证能量开关焊到加速管上后，整管可密封烘烤去气，能量开关可在高真空全密封结构的驻波加速管上应用。
Claims (1)
1、一种轴耦合驻波加速管的能量开关，包括步进电机、蜗轮蜗杆变速机构、滚珠丝杠、波纹软管、能量调变杆和腔壁隔板，其特征在于所述的蜗轮蜗杆变速机构、滚珠丝杠、波纹软管和能量调变杆同轴安装；所述的腔壁隔板的中心部分为突起鼻锥，外圈及中心设有冷却水路，圆周上设有轴向呈90°交错排列的肾形耦合孔，能量调变杆插入肾形耦合孔中。
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