CN112867221B - 加速结构以及具有该加速结构的直线加速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加速结构以及具有该加速结构的直线加速器。加速结构用于对进入其中的粒子进行加速，其具有沿轴向排列并相对轴线径向对称的多个加速腔体，每个加速腔体的腔壁上均设有两个沿轴向延伸以供粒子通过的束流孔，其中多个加速腔体中的至少两个加速腔体分别开设有一个用于将射频功率直接馈入其中的通孔。本发明的技术方案能够有效地解决现有技术中加速结构的加速梯度低的问题。

Description

加速结构以及具有该加速结构的直线加速器

技术领域

本发明涉及直线加速器技术领域，具体涉及一种加速结构以及具有该加速结构的直线加速器。

背景技术

射频直线加速结构，是直线加速器的核心部件，其利用射频电磁场在加速结构中建立相应模式的加速场，使带电粒子与加速场保持一定关系以持续加速。目前射频直线加速结构的综合性能一般，存在调谐复杂、功率损耗大且加速梯度较低的缺陷，难以进行高梯度、小型化以及低能耗应用。

发明内容

本发明第一方面的一个目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种新的加速结构，以提高直线加速结构的加速梯度。

本发明第一方面的一个进一步的目的是降低加速结构中的射频功率损耗。

本发明第二方面的一个目的是针对现有技术存在的缺陷，提供一种加速梯度高的直线加速器。

本发明第二方面的一个进一步目的是降低直线加速器的射频功率损耗。

本发明第二方面的另一个进一步目的是要降低直线加速器调谐的复杂度。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种加速结构，用于对进入其中的粒子进行加速，加速结构具有沿轴向排列并相对轴线径向对称的多个加速腔体，每个加速腔体的腔壁上均设有两个沿轴向延伸以供粒子通过的束流孔，其中

多个加速腔体中的至少两个加速腔体分别开设有一个用于将射频功率直接馈入其中的通孔。

进一步地，每个加速腔体均设置一个通孔，以使每个加速腔体均可直接馈入射频功率。

进一步地，相邻的两个加速腔体之间仅通过束流孔连通，且加速腔体被设置成使得直接馈入其中的射频功率仅在其内部传输。

进一步地，相邻的两个加速腔体的束流孔直接连通，束流孔的长度被设置成使得直接馈入加速腔体中的射频功率仅在其内部传输。

进一步地，加速腔体在位于每个束流孔上下两侧的轴向腔壁分别向内突伸形成鼻锥，鼻锥的轴向长度构成束流孔的一部分。

进一步地，通孔的中央轴线处于加速腔体的径向竖直中央平面内。

进一步地，相邻的两个加速腔体，其中一个加速腔体的通孔设置于加速腔体的顶部，另一个加速腔体的通孔设置于加速腔体的底部。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种直线加速器，包括上述任一种加速结构。

进一步地，直线加速器还包括：至少一条波导，每个开设有通孔的加速腔体通过各自的通孔与一条波导连接，以使波导内的射频功率经由通孔直接馈入加速腔体。

进一步地，波导的数量为两条。

进一步地，当每个加速腔体均设置一个通孔时，相邻的两个加速腔体的通孔分别与不同的波导相连。

进一步地，直线加速器还包括：移相器，配置成对两条波导中的射频功率之间的相位差进行调节。

进一步地，当相邻的两个加速腔体中的一个加速腔体的通孔设于加速腔体的顶部，另一个加速腔体的通孔设于加速腔体的底部时，

两条波导分别在加速腔体的上下两侧沿与加速腔体的轴线平行的方向布置。

进一步地，直线加速器还包括：射频功率源，用于提供射频功率，

每条波导与射频功率源直接地或间接地连接，以将射频功率源输出的射频功率馈入每个开设有通孔的加速腔体。

进一步地，波导的数量为两条以上，

直线加速器还包括：功率分配器，其连接在射频功率源和波导之间，配置成将射频功率源的射频功率按照预设比例分配给每条波导。

进一步地，射频功率源为微波功率源。

进一步地，直线加速器还包括：

粒子注入装置，其与加速结构的首个加速腔体的束流孔连通，以将其产生的粒子束输送至加速结构；和

真空系统，配置成使波导以及加速腔体内处于真空环境。

在现有技术中，直线加速结构均是采用单一功率馈入口的功率馈入方式(即在一个独立的加速结构中，仅设置一个用于馈入射频功率的功率馈入口，该馈入方式在下文中简称为串行馈入方式)。现有技术中的直线加速器由于采用串行馈入方式馈入射频功率，功率损耗很大，加速梯度低，且由于加速腔体间有射频传输关系，调谐过程相互影响，调谐复杂。本领域技术人员通常认为，增加加速结构的功率馈入口，对于降低功率损耗没有实质作用，甚至可能会额外增加功率损耗；并且可能会导致加速腔体内的调谐过程更加复杂。基于这样的技术偏见，本领域技术人员在面对现有技术中直线加速器存在的上述问题时，通常会针对加速结构本身做出调整，例如在加速腔体附近额外设置边耦合腔，在加速腔体之间设置耦合腔或漂移管等。

本申请的发明人创造性地在一个独立的加速结构中设置多个功率馈入口(即本申请中的通孔，该馈入方式可简称为并行馈入方式)，使射频功率经由波导直接馈入多个加速腔体中，大大提高直线加速结构的加速梯度，有利于缩短加速结构的长度。进一步地，本申请的发明人将射频功率由波导直接馈入每个加速腔体，且对加速腔体结构进行设计使射频功率仅在加速腔体内部传输，大大降低射频功率在传统串行传输时的功率损耗，节约能源。同时，由于各加速腔体之间无射频功率传输，因此各加速腔体能够独立调节馈入射频功率，大大降低了调谐的复杂度。经过设计计算，在同等输入条件下，本申请的直线加速器能够将损耗降低50％以上、加速梯度提高50％以上。

此外，由于目前直线加速器均采用串行馈入方式，使得驻波加速结构中加速场的建立通常需要花费较长的建成时间。本申请中由于射频功率仅在单个加速腔体内建立加速场，可大幅缩短建场时间，并且相比于现有技术，本申请中建成的加速场具有更好的稳定性。

本申请提供了一种功率损耗小、加速梯度高的射频直线加速结构，为加速结构在高梯度、小型化及高能量利用率的应用提供了一种新的解决方案。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1是现有技术中射频功率馈入行波加速结构的方式。

图2是现有技术中射频功率馈入驻波加速结构的方式。

图3是根据本发明的实施例一的加速结构的结构示意图；

图4是图3所示的加速结构的轴向剖视示意图；

图5是根据本发明的实施例二的加速结构的轴向剖视示意图；

图6是根据本发明实施例的直线加速器的原理示意图；

图7是图6所示的直线加速器的部分结构示意图；

图8是图7所示的直线加速器的轴向剖视示意图；以及

图9是图7所示的直线加速器的径向剖视示意图。

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。

附图标记说明：

10、加速结构；11、加速腔体；12、束流孔；13、通孔；14、鼻锥；15、腔壁；16、加速腔体的径向竖直中央平面；100、直线加速器；20、波导；30、射频功率源；40、连接线；50、真空系统；60、粒子注入装置；70、移相器；80、功率分配器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，除非另外定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”等，仅用来描述如图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系，应当理解为也包含除了图中所示的方位之外的在使用或操作中的不同方位。

一般射频直线加速结构分为行波加速结构和驻波加速结构。射频功率馈入行波加速结构的方式如图1所示。在加速结构的某个腔体(图1为首个腔体)接入波导，使射频功率由波导进入该腔体，然后射频功率由该腔体传输至相邻腔体，再由相邻腔体进入下一个腔体，如此继续，直到最后一个腔体，然后经与最后一个腔体连接的波导将剩余功率传输出去。在行波加速结构中，一部分射频功率输送至粒子束，一部分射频功率由于损耗而失去，其余的射频功率转储到匹配负载。射频功率馈入驻波加速结构的方式如图2所示。与行波加速结构相比，驻波加速结构中没有设置将剩余功率传输出去的波导，而是使射频功率反射回前一个腔体，来回往复后形成驻波场。在驻波加速结构中，一部分射频功率输送至粒子束，剩余的射频功率由于损耗等而失去。

本申请提供了一种加速结构，该加速结构为驻波直线加速结构，利用射频电磁场在其内部建立相应模式的加速场(或减速场)，对进入其中的粒子进行加速(或减速)。

如图3和图4所示，实施例一的加速结构10具有沿轴向(即图中Z方向)排列并相对轴线径向对称的5个加速腔体11。5个加速腔体11可通过焊接的形式组合在一起，形成一个独立的加速结构10。当然，加速腔体11的数量不限于此，在其他实施例中，加速腔体11的数量可以根据实际需要设置，例如可以为2个，3个，4个，6个，7个，10个等。

每个加速腔体11的腔壁15上均设有两个束流孔12和一个通孔13。束流孔12在加速腔体11上沿轴向延伸，从而允许粒子进入加速结构10，并依次通过各加速腔体11。加速腔体11的通孔13用于与波导连通，以使波导中的射频功率通过通孔13直接馈入加速腔体11内部。

应用本实施例的加速结构10，使射频功率经由波导直接馈入每个加速腔体11，大大提高直线加速结构10的加速梯度。

需要说明的是，本文中“直接馈入”是指馈入加速腔体11的射频功率不经过其他加速腔体11，而是直接由波导馈入。也就是说，经由通孔13进入该加速腔体11的射频功率未经过其他加速腔体11。另外，本文提到的“轴向”如图4中Z方向所示。本领域技术人员可以理解，加速腔体11的径向是与轴向垂直的方向。

如图4所示，在实施例一的加速结构10中，相邻的两个加速腔体11之间仅通过束流孔12连通。本领域技术人员可以理解，这意味着两个加速腔体11内部无其他连通结构(如磁耦合孔)。也就是说，前一个加速腔体11内的粒子或射频功率仅可通过束流孔12进入后一个加速腔体11。

进一步地，在实施例一中，加速腔体11被设置成使得直接馈入其中的射频功率仅在其内部传输。也就是说，加速腔体11内的射频功率仅在该加速腔体11内传输，加速腔体11内仅有粒子可通过束流孔12进入下一个加速腔体11，各加速腔体11之间无射频功率传输。这意味着相邻加速腔体11之间没有设置磁耦合孔或耦合腔等允许射频功率传输的腔体或器件。应用本实施例的加速结构10，可大幅提高加速梯度，大大降低射频功率在传统串行传输时的功率损耗，同时由于各加速腔体11能够独立调节馈入射频功率，大大降低了调谐的复杂度。

如图4所示，在实施例一的加速结构10中，相邻的两个加速腔体11的束流孔12直接连通，束流孔12的长度被设置成使得直接馈入加速腔体11中的射频功率仅在其内部传输。这里的“直接连通”是指相邻的两个加速腔体11，从前一个加速腔体11的束流孔12输出的粒子不经过任何结构直接进入后一个加速腔体11的束流孔12。

本领域技术人员所熟知的，射频功率在管道中能否传输，与射频功率的截止波长相关。当管道的长度大于射频功率的截止波长时，射频功率不能在管道中传输。而射频功率的截止波长，则与加速腔体11中传输的射频模式及频率以及管道的直径相关。因此，在本实施例中，可以通过设计束流孔12的长度，使相邻两个束流孔12的长度之和大于射频功率的截止波长，实现将各加速腔体11之间无射频功率传输的目的。在本实施例中，束流孔12只起供粒子通过的束流通道的作用，而不起功率耦合作用。

参见图4，加速腔体11在位于每个束流孔12上下两侧的轴向腔壁15分别向内突伸形成鼻锥14，鼻锥14的轴向长度构成束流孔12的一部分。通过设置鼻锥14结构，相当于在轴向延长了束流孔12的长度，从而使相邻两个束流孔12的长度之和大于射频功率的截止波长易于实现。

需要说明的是，各加速腔体11之间无射频功率传输的实现方式不限于此，在图中未示出的其他实施例中，还可在束流孔12的孔壁上贴上铁氧体等射频功率吸收材料，来阻断射频功率在相邻加速腔体11之间的传输。相邻加速腔体11之间无射频功率传输的技术方案是本领域比较容易实现的设计，此处不再赘述。

在实施例一中，通孔13的中央轴线处于加速腔体11的径向竖直中央平面16内。本领域技术人员容易理解，此处的“径向竖直中央平面”是指垂直于加速腔体11的轴向，且将加速腔体11平均分成两半的沿竖直方向延伸的平面。加速腔体11相对于其径向竖直中央平面16是对称的。通孔13设置在加速腔体11的对称面上，从而经由通孔13进入加速腔体11的射频功率在建立加速场时有利于缩短建场时长。此外，通孔13设置在加速腔体11的对称面上，也有利于加速结构10的加工。

在图4中，相邻的两个加速腔体11，其中一个加速腔体11的通孔13设置于加速腔体11的顶部，另一个加速腔体11的通孔13设置于加速腔体11的底部。这样设计是为了在将加速结构10应用于直线加速器中时，在加速结构10上下两侧分别布置一条波导，相邻的两个加速腔体11的通孔13与不同的波导相连。

需要说明的是，通孔13的位置不限于此，在图中未示出的其他实施例中，通孔13也可设置在偏离径向竖直中央平面16的除束流孔12以外的其他任意位置。

在图3和图4所示的实施例一中，每个加速腔体11的腔壁15上仅开设三个开口，其中一个开口为通孔13，另外两个开口沿轴线设置以形成束流孔12。加速腔体11的除两个束流孔12和一个通孔13以外的其他腔壁15完整无开口。

如图5所示，实施例二的加速结构10与实施例一的主要区别在于加速结构10中有些加速腔体11未设置通孔13。在实施例二中，五个加速腔体11中的两个加速腔体11设置有通孔13，剩余三个加速腔体11未设置通孔13。由此，设置通孔13的两个加速腔体11可直接馈入射频功率，其他加速腔体11不能由波导直接馈入射频功率。在这样的实施例中，为了在全部加速腔体11中均能建立加速场，须使具有通孔13的加速腔体11中的至少一个被设置成将射频功率传输出去。

具体地，在实施例二中，每个加速腔体11均设计成可将其内的射频功率传输至相邻加速腔体11。在加速结构10中，相邻两个束流孔12的长度之和应小于射频功率的截止波长。由此，分别经由两个通孔13进入加速结构10的射频功率，可在五个加速腔体11来回传输，从而在整个加速结构10中建立加速场。

需要说明的是，在加速腔体11未全部设置通孔13的其他未示出的实施例中，当加速结构10的第一个加速腔体11(或称为首个加速腔体11，简称“首腔”)或加速结构10的最后一个加速腔体11(简称“尾腔”)设有通孔13时，也可使首腔或尾腔设置成使得直接馈入其中的射频功率仅在其内部传输，剩余的设有通孔13的加速腔体11被设置成允许射频功率传输出去。

本领域技术人员容易理解，设置通孔13的加速腔体11的数量不限于此，在图中未示出的其他实施例中，可以根据需要设置具有通孔13的加速腔体11的数量。例如，当加速结构10有5个加速腔体11时，也可在其中的3个或4个加速腔体11上设置通孔13。

本申请还提供了一种应用上述加速结构10的直线加速器。如图6至图9所示，本实施例的直线加速器100还包括：粒子注入装置60和真空系统50。粒子注入装置60与加速结构10的首腔的束流孔12连通或者说耦接，以将其产生的粒子束输送至加速结构10。粒子注入装置60可以产生电子束，例如热阴极电子枪。当然，粒子注入装置60也可以产生质子束。

真空系统50配置成对波导以及加速腔体11抽真空，以使每条波导以及加速腔体11内处于真空环境，从而有效加速粒子。

如图6至图9所示，在本实施例的直线加速器100中，应用实施例一的加速结构10。即每个加速腔体11均设置一个通孔13，相邻的两个加速腔体11中的一个加速腔体11的通孔13设于顶部，另一个加速腔体11的通孔13设于底部。在本实施例中，直线加速器100还包括射频功率源30和两条波导20。

射频功率源30用于提供射频功率，从而利用射频功率在加速结构10中建立加速场。射频功率源30可为微波功率源，如磁控管。

两条波导20分别在加速腔体11的上下两侧沿与加速腔体11的轴线平行的方向布置。每个加速腔体11的通孔13与一条波导20连接。相邻的两个加速腔体11的通孔13分别与不同的波导20相连。位于上方的波导20具有一个功率输入端和两个功率输出端；位于下方的波导20具有一个功率输入端和三个功率输出端。波导20的每个功率输出端分别与加速腔体11的一个通孔13连通，波导20的功率输入端直接或间接地连接射频功率源30，以将射频功率源30输出的射频功率经由通孔13直接馈入每个加速腔体11。

需要说明的是，波导20的布置方式不限于此。在其他的实施例中，波导20也可以沿与加速腔体11的轴线有一定夹角的方向布置。

需要说明的是，波导20的数量不限于此，在未示出的其他实施例中，波导20的数量可以根据实际需要设置，例如可以为1条，3条，甚至可以为每个加速腔体11单独配置一条波导20。本领域技术人员容易理解的是，当波导20的数量为一条时，每个加速腔体11的通孔13均与该波导20连通。

如图6至图9所示，直线加速器100还包括连接线40，其一端与射频功率源30连接，另一端同时与两个波导20的功率输入端连接，以将来自射频功率源30的射频功率输送至每条波导20。在一些实施例中，连接线40可以与两个波导20一体成型。

如图6所示，本实施例的直线加速器100还包括：移相器70，配置成对两条波导20中的射频功率之间的相位差进行调节，以使射频功率在相邻两加速腔体11内建立的加速场的相位差满足粒子加速条件，从而使得粒子束沿束流方向被持续加速。移相器70可设置在一条波导20上，对其内射频功率的相位进行调节，使该波导20内的射频功率与另一条波导20内射频功率的相位差满足粒子加速条件。

需要说明的是，在其他未示出的实施例中，直线加速器100也可不设置移相器70。在这样的实施例中，可以根据每条波导20从各自的功率输入端至各功率输入端的连接长度来设计两条波导20中的射频功率相位差。具体设计方法为本领域技术人员所熟知的，在此不予赘述。

如图6所示，直线加速器100还可包括：功率分配器80，其设置在连接线40上，配置成将射频功率源30的射频功率按照预设比例分配给每条波导20。在该实施例中，可按不同需求分配两条波导20中的射频功率，从而在相邻加速腔体11内以不同的射频功率对粒子进行加速。

需要说明的是，在其他未示出的实施例中，直线加速器100也可不设置功率分配器80。在这样的实施例中，每条波导20中传输的射频功率相同。在另一些未示出的实施例中，直线加速器100也可以不设置功率分配器80，而是设置多个射频功率源30，每个波导20分别与不同的射频功率源30相连。在这样的实施例中，无需设置移相器70，可通过调节两个射频功率源30，实现对两条波导20中射频功率的相位和/或功率大小进行调节。

下面结合图6简单说明本发明的直线加速器100的工作过程。如图6所示，本发明的直线加速器100工作时，射频功率源30输出射频功率，经过功率分配器80分为两路，一路功率直接通过图中上方的波导20馈入加速结构10，另一路功率经由下方的波导20再通过移相器70使得相位按预设相位发生相应的相移量后馈入加速结构10(即改变相邻加速腔体11之间的相位差)；加速结构10的每个加速腔体11经过极短时间建立起加速场；此时向粒子注入装置60供能，后者发出粒子束；粒子束依次经过加速结构10的各加速腔体11被依次加速。经过加速的粒子束团从加速结构10尾腔的束流孔12射出。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

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 (13)

1.一种加速结构，用于对进入其中的粒子进行加速，所述加速结构具有沿轴向排列并相对轴线径向对称的多个加速腔体(11)，每个所述加速腔体(11)的腔壁(15)上均设有两个沿轴向延伸以供粒子通过的束流孔(12)，其特征在于，

所述多个加速腔体(11)中的每个加速腔体(11)均开设有一个用于将射频功率直接馈入其中的通孔(13)，以使每个所述加速腔体(11)均可直接馈入射频功率；

相邻的两个所述加速腔体(11)，其中一个加速腔体(11)的通孔(13)设置于所述加速腔体(11)的顶部，另一个加速腔体(11)的通孔(13)设置于所述加速腔体(11)的底部；

相邻的两个所述加速腔体(11)之间仅通过束流孔(12)连通，且所述加速腔体(11)被设置成使得直接馈入其中的射频功率仅在其内部传输；

相邻的两个所述加速腔体(11)的束流孔(12)直接连通，所述束流孔(12)的长度被设置成使得直接馈入所述加速腔体(11)中的射频功率仅在其内部传输。

2.根据权利要求1所述的加速结构，其特征在于，所述加速腔体(11)在位于每个所述束流孔(12)上下两侧的轴向腔壁(15)分别向内突伸形成鼻锥(14)，所述鼻锥(14)的轴向长度构成所述束流孔(12)的一部分。

3.根据权利要求1所述的加速结构，其特征在于，所述通孔(13)的中央轴线处于所述加速腔体(11)的径向竖直中央平面内。

4.一种直线加速器，其特征在于，包括根据权利要求1-3中任一项所述的加速结构。

5.根据权利要求4所述的直线加速器，其特征在于，还包括：至少一条波导(20)，每个开设有所述通孔(13)的加速腔体(11)通过各自的通孔(13)与一条所述波导(20)连接，以使所述波导(20)内的射频功率经由所述通孔(13)直接馈入所述加速腔体(11)。

6.根据权利要求5所述的直线加速器，其特征在于，所述波导(20)的数量为两条。

7.根据权利要求6所述的直线加速器，其特征在于，当每个所述加速腔体(11)均设置一个所述通孔(13)时，相邻的两个加速腔体(11)的通孔(13)分别与不同的波导(20)相连。

8.根据权利要求7所述的直线加速器，其特征在于，还包括：移相器(70)，配置成对两条波导(20)中的射频功率之间的相位差进行调节。

9.根据权利要求8所述的直线加速器，其特征在于，当相邻的两个所述加速腔体(11)中的一个加速腔体(11)的通孔(13)设于所述加速腔体(11)的顶部，另一个加速腔体(11)的通孔(13)设于所述加速腔体(11)的底部时，

两条波导(20)分别在所述加速腔体(11)的上下两侧沿与所述加速腔体(11)的轴线平行的方向布置。

10.根据权利要求5所述的直线加速器，其特征在于，还包括：射频功率源(30)，用于提供射频功率，

每条所述波导(20)与所述射频功率源(30)直接地或间接地连接，以将所述射频功率源(30)输出的射频功率馈入每个开设有所述通孔(13)的加速腔体(11)。

11.根据权利要求10所述的直线加速器，其特征在于，所述波导(20)的数量为两条以上，

所述直线加速器还包括：功率分配器(80)，其连接在所述射频功率源(30)和所述波导(20)之间，配置成将所述射频功率源(30)的射频功率按照预设比例分配给每条波导(20)。

12.根据权利要求10所述的直线加速器，其特征在于，所述射频功率源(30)为微波功率源。

13.根据权利要求5所述的直线加速器，其特征在于，还包括：

粒子注入装置(60)，其与所述加速结构的首个加速腔体(11)的束流孔(12)连通，以将其产生的粒子束输送至所述加速结构；和

真空系统(50)，配置成使所述波导(20)以及所述加速腔体(11)内处于真空环境。

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