CN113840442B - 一种小型电子加速器用电子束偏移装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型电子加速器用电子束偏移装置及其控制方法，主要涉及电子加速器技术领域；包括直流高压电源、二极管、缓冲电感1、电容组C、缓冲电感2、上磁轭线圈、下磁轭线圈、续流二极管1、续流二极管2、大功率开关器件1、大功率开关器件2、驱动器1、驱动器2；本发明操作灵活，可随时控制电子束产生偏移，选择偏向内靶或外靶，能够有效解决现有电子感应加速器电子束偏移时刻固定和只能偏向内靶的技术缺点，很好的适用于小型电子感应加速器。

Description

一种小型电子加速器用电子束偏移装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电子加速器技术领域，具体是一种小型电子加速器用电子束偏移装置及其控制方法。
背景技术
电子加速器产生的X射线能量比普通管电压式X射线管产生的X射线能量高很多，因此电子加速器产生的X射线能够穿透厚度更大的物体。由于电子加速器能够产生高能量的X射线，电子加速器在无损检测、海关货柜安检系统、工业X射线成像检测装置和医学癌症治疗中得到广泛的应用，而小型电子感应加速器在体积尺寸、操作简单、成本低廉等方面比其他类型的电子加速器具有很好的优势。
电子感应加速器基本技术原理是根据麦克斯韦方程，变化的磁场可以产生感生涡旋电场，然后利用感生涡旋电场加速电子，同时利用磁场将电子约束在恒定半径轨道(称为平衡轨道)上，随着磁场的增大，电子的获得能量也跟着增大，当电子被电场加速到一定能量时，使电子束从平衡轨道上发生偏移打在靶上发生韧致辐射从而产生X射线，电子被加速的能量越高，产生的X射线能量也越高。
根据上述基本原理可知，要使电子在恒定的轨道上加速运动，需要产生一个强度随时间变化的磁场，并且该磁场随半径的分布要符合2：1的条件，即平衡轨道上的磁感应强度等于平衡轨道内磁感应强度平均值的一半，当磁场的2：1条件被破坏时，电子束就会发生偏移。目前在电子感应加速器中，电子束在平衡轨道上发生偏移的技术方法是随着主磁场增大，当增大到某个时刻时中央铁芯饱和使平衡轨道内的中心磁通产生饱和而不再增大，破坏磁场2：1的分布条件，使电子束从平衡轨道发生偏移打在靶上，但该方法只能是在中心磁通饱和时刻使电子束发生偏移，电子束的偏移发生在固定时刻。如果使用该方法，要调节电子束偏移时刻，就需要改变中央铁芯的填充系数，达到改变饱和的时间。然而，这种调节方法在加速器运行过程中是很难实现的，限制了电子加速时间的调节，无法平滑的调节被加速电子的能量，产生的X射线能量也只能是固定值，并且该方法只能使电子束往内靶偏移，不能向外偏移。因此现有的技术方法存在着无法灵活的调节电子能量和X射线能量的问题，及电子束偏移方向选择问题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的缺陷问题，提供一种小型电子加速器用电子束偏移装置及其控制方法，操作灵活，可随时控制电子束产生偏移，偏移内靶和外靶可选，能够有效解决现有电子感应加速器电子束偏移时刻固定和只能偏向内靶的技术缺点，很好的适用于小型电子感应加速器。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种小型电子加速器用电子束偏移装置，包括直流高压电源、二极管、缓冲电感1、电容组C、缓冲电感2、上磁轭线圈、下磁轭线圈、续流二极管1、续流二极管2、大功率开关器件1、大功率开关器件2、驱动器1、驱动器2；
所述直流高压电源的输出端与二极管的输入端连接；
所述二极管的输出端与缓冲电感1的输入端连接；
所述缓冲电感1、续流二极管2、大功率开关器件2的输出端均与电容组C的输入端连接；
所述电容组C的输出端与缓冲电感2的输入端连接；
所述缓冲电感2的输出端同时与续流二极管1、大功率开关器件1的输入端连接；
所述续流二极管1、大功率开关器件1的输出端均与上磁轭线圈的输入端连接；
所述上磁轭线圈的输出端与下磁轭线圈的输入端连接；
所述下磁轭线圈的输出端同时与续流二极管2、大功率开关器件2的输入端连接；
所述上磁轭线圈安装在电子感应加速器上磁轭的表面，所述下磁轭线圈安装在电子感应加速器的下磁轭表面；
所述驱动器1的输出端与大功率开关器件1的输入端连接；
所述驱动器2的输出端与大功率开关器件2的输入端连接；
所述驱动器1、驱动器2的输入端均与同步控制信号连接。
优选的，所述大功率开关器件1和大功率开关器件2均可采用IGBT或晶闸管。
优选的，所述直流高压电源的输入工作电压为+48V，输出电压为0～+800V可调。
优选的，所述电容组C使用的电容为无感电容。
一种小型电子加速器用电子束偏移装置的控制方法，包括：
步骤1，驱动器1和驱动器2实时监测同步控制信号，当监测到同步控制信号到达时，进入步骤2；
步骤2，驱动器1打开大功率开关器件1，驱动器2打开大功率开关器件2，电容组C的能量经过缓冲电感2通过大功率开关器件1向上磁轭线圈和下磁轭线圈流动，再通过大功率开关器件2回到电容组C，上磁轭线圈和下磁轭线圈电流开始持续增长，并产生磁场叠加在电子感应加速器的主磁场上，进入步骤3；
步骤3，驱动器1和驱动器1实时监测同步控制信号，当监测同步控制信号未撤销时，保持在步骤3，当监测同步控制信号撤销时，进入步骤4；
步骤4，驱动器1关闭大功率开关器件1，驱动器2关闭大功率开关器件2，上磁轭线圈和下磁轭线圈、缓冲电感2开始续流，线圈电流开始减小到0，进入步骤1。
优选的，上述同步控制信号由外部输入或由CPU根据主磁场需要同步控制产生，控制信号的频率和占空比根据实际需要由CPU进行设置。
对比现有技术，本发明的有益效果在于：
1、本发明利用电容组向线圈放电产生一个瞬时脉冲磁场，该脉冲磁场叠加在主磁场上，从而破坏主磁场2:1的分布使电子束发生偏移，只需根据同步控制信号控制脉冲磁场产生的时刻，就能随时使电子束偏移，灵活的调节电子能量和X射线能量，本发明可以有效解决现有电子感应加速器电子束偏移时刻固定的技术缺点，很好的适用于小型电子感应加速器；
2、本发明的小型电子加速器用电子束偏移装置可以控制电容组向上磁轭线圈和下磁轭线圈放电电流的方向，使瞬时脉冲磁场的方向可变，当方向和主磁场同向时电子束偏向外靶，当方向和主磁场异向时电子束偏向内靶。本发明可以解决现有技术方法只能使电子束偏向内靶的技术缺陷。
附图说明
附图1为本发明的系统结构示意图；
附图2为本发明的控制流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
实施例1：如附图1所示，本发明所述是一种小型电子加速器用电子束偏移装置，包括直流高压电源、二极管、缓冲电感1、电容组C、缓冲电感2、上磁轭线圈、下磁轭线圈、续流二极管1、续流二极管2、大功率开关器件1、大功率开关器件2、驱动器1、驱动器2。
所述直流高压电源的输出端与二极管的输入端连接；所述二极管的输出端与缓冲电感1的输入端连接；所述缓冲电感1、续流二极管2、大功率开关器件2的输出端均与电容组C的输入端连接；所述电容组C的输出端与缓冲电感2的输入端连接。
直流高压电源和二极管相连，二极管和缓冲电感1相连，缓冲电感1和电容组C相连。直流高压电源通过二极管和缓冲电感1向电容组C充电，使电容组C在每次放电前都储存一定的能量，缓冲电感2和电容组C相连，用于抑制放电电流过快，并控制放电电流幅度。
所述缓冲电感2的输出端同时与续流二极管1、大功率开关器件1的输入端连接；所述续流二极管1、大功率开关器件1的输出端均与上磁轭线圈的输入端连接；所述上磁轭线圈的输出端与下磁轭线圈的输入端连接；所述下磁轭线圈的输出端同时与续流二极管2、大功率开关器件2的输入端连接；大功率开关器件2和电容组C、下磁轭线圈相连，大功率开关器件1和缓冲电感2、上磁轭线圈相连；其中，所述上磁轭线圈安装在电子感应加速器上磁轭的表面，所述下磁轭线圈安装在电子感应加速器的下磁轭表面；续流二极管1和续流二极管2用于上磁轭线圈、下磁轭线圈、缓冲电感2的电流续流，其中续流二极管1和缓冲电感2、上磁轭线圈相连，续流二极管2和下磁轭线圈、电容组C相连。
所述驱动器1的输出端与大功率开关器件1的输入端连接；所述驱动器2的输出端与大功率开关器件2的输入端连接；所述驱动器1、驱动器2的输入端均与同步控制信号连接。
驱动器1和驱动器2在根据同步控制信号下，控制大功率开关器件1和大功率开关器件2工作，使电容组C通过缓冲电感2向上磁轭线圈和下磁轭线圈放电，产生瞬时脉冲磁场，该瞬时脉冲磁场叠加在主磁场上，破坏主磁场分布的2:1条件。
大功率开关器件1和大功率开关器件2可为IGBT、晶闸管等。
直流高压电源的输入工作电压为+48V，输出电压0～+800V可调。
电容组C使用的电容为无感电容。
本发明用电容组向线圈放电产生一个瞬时脉冲磁场，该脉冲磁场叠加在主磁场上，从而产生破坏主磁场2:1的分布使电子束发生偏移，只需由外部同步信号控制脉冲磁场产生的时刻，实现X射线能量的灵活调节。并且，通过控制上磁轭线圈和下磁轭线圈的放电电流方向改变瞬时脉冲磁场的方向，可以使电子束偏向内靶或外靶。本装置操作灵活简单，很好的适用于小型电子加速器。
实施例2：如附图2所示，本发明所述是一种小型电子加速器用电子束偏移装置的控制方法，包括：
步骤1，驱动器1和驱动器2实时监测同步控制信号，当监测到同步控制信号到达时，进入步骤2。
步骤2，驱动器1打开大功率开关器件1，驱动器2打开大功率开关器件2，电容组C的能量经过缓冲电感2通过大功率开关器件1向上磁轭线圈和下磁轭线圈流动，再通过大功率开关器件2回到电容组C，上磁轭线圈和下磁轭线圈电流开始持续增长，并产生磁场叠加在电子感应加速器的主磁场上，进入步骤3。
步骤3，驱动器1和驱动器1实时监测同步控制信号，当监测同步控制信号未撤销时，保持在步骤3，当监测同步控制信号撤销时，进入步骤4。
步骤4，驱动器1关闭大功率开关器件1，驱动器2关闭大功率开关器件2，上磁轭线圈和下磁轭线圈、缓冲电感2开始续流，线圈电流开始减小到0，进入步骤1。
进一步的，上述同步控制信号可由外部输入，也可由CPU(如MCU、DSP、FPGA/CPLD)根据主磁场需要同步控制产生，控制信号的频率和占空比根据实际需要由CPU进行设置。
本发明依据电容与线圈脉冲放电，产生瞬时脉冲磁场，叠加在主磁场上，破坏主磁场分布的2:1条件，使电子束从平衡轨道上发生偏移打靶产生X射线，脉冲磁场产生时刻受同步控制信号控制，可以灵活控制电子束偏移时刻，产生的不同能量的X射线，很好的应用于小型电子感应加速器控制电子束偏移。同时，可通过控制上磁轭线圈和下磁轭的放电电流方向改变瞬时脉冲磁场的方向，可以使电子束偏向内靶或外靶。传统的电子束偏移装置采用的是中心磁通饱和方法，该方法使电子束偏移时刻固定，无法灵活控制，并且只能使电子束偏向内靶。本发明可以根据同步控制信号控制电容组向线圈放电，产生瞬时脉冲磁场，可以利用同步控制信号灵活调节电子束偏移时刻，从而实现电子能量和X射线能量的平滑调节，可控制电子束偏向内靶或外靶，很好的适用于小型电子感应加速器上，这是本发明最大优势。

Claims (6)

1.一种小型电子加速器用电子束偏移装置，其特征是：包括直流高压电源、二极管、缓冲电感1、电容组C、缓冲电感2、上磁轭线圈、下磁轭线圈、续流二极管1、续流二极管2、大功率开关器件1、大功率开关器件2、驱动器1、驱动器2；
所述直流高压电源的输出端与二极管的输入端连接；
所述二极管的输出端与缓冲电感1的输入端连接；
所述缓冲电感1、续流二极管2、大功率开关器件2的输出端均与电容组C的输入端连接；
所述电容组C的输出端与缓冲电感2的输入端连接；
所述缓冲电感2的输出端同时与续流二极管1、大功率开关器件1的输入端连接；
所述续流二极管1、大功率开关器件1的输出端均与上磁轭线圈的输入端连接；
所述上磁轭线圈的输出端与下磁轭线圈的输入端连接；
所述下磁轭线圈的输出端同时与续流二极管2、大功率开关器件2的输入端连接；
所述上磁轭线圈安装在电子感应加速器上磁轭的表面，所述下磁轭线圈安装在电子感应加速器的下磁轭表面；
所述驱动器1的输出端与大功率开关器件1的输入端连接；
所述驱动器2的输出端与大功率开关器件2的输入端连接；
所述驱动器1、驱动器2的输入端均与同步控制信号连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型电子加速器用电子束偏移装置，其特征是：所述大功率开关器件1和大功率开关器件2均可采用IGBT或晶闸管。
3.根据权利要求1所述的一种小型电子加速器用电子束偏移装置，其特征是：所述直流高压电源的输入工作电压为+48V，输出电压为0～+800V可调。
4.根据权利要求1所述的一种小型电子加速器用电子束偏移装置，其特征是：所述电容组C使用的电容为无感电容。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种小型电子加速器用电子束偏移装置的控制方法，其特征在于，包括：
步骤1，驱动器1和驱动器2实时监测同步控制信号，当监测到同步控制信号到达时，进入步骤2；
步骤2，驱动器1打开大功率开关器件1，驱动器2打开大功率开关器件2，电容组C的能量经过缓冲电感2通过大功率开关器件1向上磁轭线圈和下磁轭线圈流动，再通过大功率开关器件2回到电容组C，上磁轭线圈和下磁轭线圈电流开始持续增长，并产生磁场叠加在电子感应加速器的主磁场上，进入步骤3；
步骤3，驱动器1和驱动器1实时监测同步控制信号，当监测同步控制信号未撤销时，保持在步骤3，当监测同步控制信号撤销时，进入步骤4；
步骤4，驱动器1关闭大功率开关器件1，驱动器2关闭大功率开关器件2，上磁轭线圈和下磁轭线圈、缓冲电感2开始续流，线圈电流开始减小到0，进入步骤1。
6.根据权利要求5所述的一种小型电子加速器用电子束偏移装置的控制方法，其特征在于：同步控制信号由外部输入或由CPU根据主磁场需要同步控制产生，控制信号的频率和占空比根据实际需要由CPU进行设置。
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