CN113906627B

CN113906627B - 射频窗口

Info

Publication number: CN113906627B
Application number: CN202080040173.XA
Authority: CN
Inventors: 伊恩·辛顿; 艾玛·伍尔德里奇
Original assignee: Elekta Ltd
Current assignee: Elekta Ltd
Priority date: 2019-05-31
Filing date: 2020-05-29
Publication date: 2024-02-20
Anticipated expiration: 2040-05-29
Also published as: GB2584349B; CN113906627A; EP3977555A1; WO2020239989A1; GB2584349A; GB201907809D0; US20220231421A1

Abstract

公开了一种RF窗口。该RF窗口包括第一腔和第二腔以及定位于第一腔与第二腔之间的电介质材料的板。第一腔和第二腔中的至少一者包括开始于板处的锥形，使得第一腔和第二腔中的至少一者的直径在远离板的方向上减小。

Description

射频窗口

技术领域

本公开涉及电磁辐射的传播和传输，具体地涉及用于高功率射频(Radiofrequency，RF)系统的RF窗口设计。

背景技术

射频(RF)窗口用于RF系统和设备中，并且具有在用于医疗、国防和研究目的的加速器中的应用。为了在RF系统中将RF从一个位置引导到另一位置，通常使用RF传输线和/或波导的适当布置。RF窗口可以用作压力屏障，以在不同的压力下分开RF系统的不同部分(例如波导腔)。

图1中示出了根据现有设计的RF窗口。该设计可以描述为传统的“药盒式”(pill-box)RF窗口设计。如本领域中常见的，该图示出了RF传播所穿过的RF腔或多个RF腔。所示的腔可以由适当成形和配置的(多个)波导结构形成。图1示出RF窗口112，其形成了处于特定真空压力下的第一腔102与处于不同真空压力下的第二腔110之间的接口(interface)。在图中，系统中的不同压力使用不同程度的阴影来表示。该RF窗口由第一圆柱形腔104、第二圆柱形腔108和定位于它们之间的陶瓷板或圆盘106形成。腔102、110具有大体矩形的横截面，并且可以由标准矩形波导结构形成。

如本领域所知的，只有特定频率和形式的电磁辐射将以最优方式传播穿过波导。形成电磁辐射的电场和磁场可以根据波导所施加的条件而采用多种不同形式或配置中的任何一种。这些形式或配置被称为模态。波导腔的形状和配置影响可以在腔中形成的模态的“类型”。在图1所示的设计中，模态的传播是从第一腔102中的矩形模态配置到RF窗口112中的圆柱形模态配置，并且回到第二腔110中的矩形模态配置。图2a和图2b示出了RF窗口112中的高阶圆柱形模态，其中两个阶都在基本阶之上。

设计RF窗口时的一般目的是使RF穿过屏障的功率传输对于期望的频率范围最大化，同时使损耗(诸如由于在陶瓷板106处生成的反射和热量而导致的损耗)最小化。因此，期望设计一种RF窗口，其不具有任何具有在穿过该RF窗口传输的RF的频率处或附近的谐振频率的更高阶模态。这样的模态被称为陷波模态。在RF传输频率(也称为工作频率)处或附近的陷波模态不仅导致RF功率的低效传输，而且潜在地导致热量的积累以及由于陶瓷板106中的裂缝和真空泄漏而导致的RF窗口的随后的击穿。

传统上，使陷波模态移动(即调节其频率)以便充分远离期望的RF传输频率的机制是改变RF窗口腔的长度或半径。换言之，参考图1，使陷波模态移动的传统机制将是调节第一圆柱形腔104和第二圆柱形腔106中的一者或两者的长度或半径。然而，在RF系统中空间可能是有限的，特别是对于医疗应用，并且创建更长和更大的RF窗口并不总是可行的。还存在与增大RF窗口的尺寸相关联的缺点，诸如增加材料成本和制造复杂性。在本领域中长期以来一直接受的是这些缺点是在优化RF窗口设计时“要付出的代价”。

虽然图1所示的RF窗口设计工作良好，并且其设计可以调节成以传统方式移动陷波模态的频率，但是已经发现，这种设计仍可以进一步改进，并且本发明通过提供改进的RF窗口来寻求解决现有技术中遇到的上述和其它缺点。

发明内容

本发明的方面和特征在权利要求中阐述。

根据第一方面，提供了一种RF窗口，包括第一腔和第二腔以及定位于第一腔与第二腔之间的电介质材料的板。第一腔和第二腔中的至少一者包括锥形，使得第一腔和第二腔中的至少一者的直径在远离板的方向上减小。锥形开始于板处。

通过提供其中锥形开始于电介质板处的RF窗口，当RF行进穿过RF窗口时形成球形模态。

可选地，第一腔和第二腔中的至少一者是大致截头圆锥形的。

可选地，第一腔和第二腔中的至少一者是第一腔，锥形是第一锥形，并且方向是第一方向。第二腔包括第二锥形，使得第二腔的直径在远离陶瓷板的第二方向上减小。第二锥形也可以以与第一锥形类似的方式开始于板处。第一方向和第二方向可以彼此反向平行。

通过提供具有两个锥形或两个锥形腔的RF窗口，其中两个锥形都开始于板处，不能在电介质板的附近形成圆柱形模态。相反，形成球形模态。这产生了将在本文中详细讨论的优点。

可选地，RF窗口包括方向所沿着的中心轴线。可选地，第一方向和第二方向都沿着该中心轴线，但第一方向和第二方向彼此相反。中心轴线可以限定RF窗口的旋转对称轴线。

可选地，锥形可以在腔的内部与中心轴线形成角度θ，其中，优选地35°＜θ＜55°，甚至更优选地40°＜θ＜47°，并且甚至更优选地θ可以大致为43°。第一腔和第二腔可以采用大致相同的形状。在第一腔和第二腔的内部，第一锥形和第二锥形可以与中心轴线形成相同的角度θ。

可选地，RF窗口被优化用于与处于传输频率的RF一起使用，以及以下一者或两者：第一腔沿着第一方向的长度小于处于传输频率的RF的波长；并且第二腔沿着第二方向的长度小于处于传输频率的RF的波长。

这与现有设计完全相反，并且由于提供了更紧凑的设计而是有利的。

可选地，第一腔沿着第一方向的长度小于板的半径，和/或第二腔沿着第二方向的长度小于板的半径。

可选地，板在其边缘周围斜切，使得其借助于第一锥形和第二锥形保持在第一腔与第二腔之间的适当位置。

可选地，第一腔包括第一内侧面(inner face)和第一外侧面(outer face)；和/或第二腔包括第二内侧面和第二外侧面。第一方向可以是从第一内侧面到第一外侧面；和/或第二方向可以是从第二内侧面到第二外侧面。电介质板可以限定或位于第一内侧面和第二内侧面处。可选地，第一锥形将第一内侧面接合到第一外侧面，使得第一腔是大致截头圆锥形的；和/或第二锥形将第二内侧面接合到第二外侧面，使得第二腔是大致截头圆锥形的。可选地，第一内侧面的直径大于第一外侧面的直径；和/或第二内侧面的直径大于第二外侧面的直径。

RF窗口可以包括至少一个波导结构，该至少一个波导结构包括第一腔和第二腔。至少一个波导结构可以包括第一波导结构和第二波导结构；第一波导结构包括第一腔，并且第二波导结构包括第二腔。

可选地，第一波导结构包括第一孔口，以允许RF进入第一腔；和/或可选地，第二波导结构包括第二孔口，以允许RF离开第二腔。第一孔口可以限定第一腔的第一外侧面；和/或第二孔口可以限定第二腔的第二外侧面。

可选地，电介质材料可以是陶瓷。板可以是圆盘。

可选地，RF窗口被配置成使得当RF传播穿过RF窗口时，在RF窗口中形成球形RF模态。

可选地，第一腔和第二腔都不是圆柱形的。

可选地，RF窗口被配置为与第一连接腔和第二连接腔联接，使得当这样联接时，RF窗口定位于第一连接腔与第二连接腔之间。可选地，RF窗口被配置为使得当这样联接时，在第一连接腔与RF窗口会合处形成接口(interface)，并且在接口处，第一连接腔的直径小于第一腔的直径。

根据另一方面，提供了一种包括本文所述的RF窗口的RF系统。RF系统包括：第一连接腔，其联接到第一腔；和第二连接腔，其联接到第二腔。

可选地，RF系统包括在第一连接腔与第一腔会合处的接口，并且其中，在接口处，第一连接腔的直径小于第一腔的直径。

附图说明

现在参考附图仅以示例的方式描述具体实施例，附图中：

图1描述了根据现有技术的包括RF窗口的RF系统；

图2a和图2b描述了图1的RF窗口中的圆柱形陷波模态；

图3a描述了根据本公开的包括RF窗口的RF系统；

图3b描述了穿过根据本公开的包括RF窗口的RF系统的横截面；

图4a和图4b描述了图3的RF窗口中的球形陷波模态；

图5描述了示出VSWR对RF的工作/传输频率的曲线图；

图6描述了根据本公开的包括RF窗口的替代实现方式的RF系统；以及

图7描述了根据本公开的包括RF窗口的替代实现方式的RF系统的横截面。

具体实施方式

概括地说，而非限制，本公开涉及一种RF窗口，包括直接定位在两个锥形的截头圆锥形腔之间的陶瓷板。已经发现，行进穿过具有本文所述的配置的RF窗口的RF形成球形模态。传统上，RF窗口包括大体圆柱形的中心部分，以便引入公知且良好理解的圆柱形模态。迄今为止，认为优化以这种方式利用球形模态的RF窗口设计太复杂，因此，去除圆柱形中心部分并有意地将球形模态引入RF窗口中将违背本领域的偏见。本RF窗口设计还产生了若干优点，包括提供了更紧凑的RF窗口、以及具有由更大频率间隙分开的陷波模态的RF窗口，因此简化了针对特定RF传输频率范围的RF窗口的设计和优化。这些和其它优点将在本文中描述。

图3a描述了根据本公开的包括RF窗口312的RF系统。与图1一样，图3a描述了腔的形状，这些腔可以由一个或多个适当成形和配置的波导结构形成。在腔被描述为具有面、锥形、孔口等的情况下，应当理解，RF窗口包括限定或包括腔的一个或多个波导结构，并且一个或多个波导结构被配置成使得腔包括本文所述的特征。图3b描述了穿过RF窗口312的横截面，并且示出了一个或多个波导结构的示例，波导结构可以用于形成图3a所示的RF腔。相似的附图标记在适当的情况下用于相似的部分。

RF窗口312包括第一腔304和第二腔308。RF窗口312可以包括包括腔的一个或多个波导结构，例如包括第一腔304的第一波导结构和包括第二波导腔308的第二波导结构。第一腔304和第二腔308可以被描述为RF窗口腔。第一腔304和第二腔308由陶瓷板306分开。陶瓷板306可以是圆盘或圆盘形的。换言之，陶瓷板306可为大致圆形。

当RF窗口312形成RF系统的一部分时，第一腔304与第一连接腔302联接，并且第二腔308与第二连接腔310联接。连接腔302、310之所以这样命名是因为它们连接到RF窗口腔304、308和/或与窗口腔304、308联接。连接腔302、310形成RF系统的不同区域的一部分，并且这些区域可以保持在不同的压力下。RF窗口312的目的是将RF系统中的这两个不同压力的区域分开。如此，RF窗口被配置成承受高的压力和非常低的压力(强真空)。例如，在医疗加速器中，RF系统可以在包括RF源的第一区域中保持在2-6巴的压力下，这取决于填充系统的该区域的气体的类型。例如，该区域可以填充有诸如SF6的气体或者干燥空气。结合有粒子加速器的系统的第二区域可以保持在非常低的压力(高真空)下，例如在10^-5帕至10^-8帕之间。本RF窗口可以承受这种大小的压差。

图3b描述了穿过图3a所描述的RF窗口312的横截面。尽管图3a仅描述了腔，但图3b描述了可以用于形成腔的波导结构的适当布置。

图3b示出了RF系统，该RF系统包括：第一连接波导结构330，其包括第一连接腔302；第一RF窗口波导结构340，其包括第一RF窗口腔304；第二RF窗口波导结构350，其包括第二RF窗口腔308；以及第二连接波导结构360，其包括第二连接腔310。应该理解，尽管参考了分开的第一波导结构340和第二波导结构350，但是当构造RF窗口312时，这些波导结构很可能联接在一起、连接并且在大多数设计中永久地钎焊在一起。因此，第一波导结构340和第二波导结构350可以被描述为单个RF窗口波导结构。

在使用中，RF从第一连接腔302行进到第一RF窗口腔304中。RF穿过陶瓷板306行进到第二RF窗口腔308中。RF然后行进到第二连接腔308中。本说明书限定了RF行进的方向。RF窗口可以限定RF传播路径，即，从第一波导结构的第一RF腔304穿过陶瓷板306并且到第二RF窗口腔中。

第一连接腔302形成将RF例如从诸如磁控管或速调管的RF源引导到RF窗口的波导的布置的一部分。第二连接腔310形成将RF引导远离RF窗口的波导的布置的一部分。换言之，第二连接腔310将穿过RF窗口的RF引导到RF系统中的别处，诸如到粒子加速器。通常，粒子加速器内部的压力必须保持非常低，即必须有强真空。在该示例中，RF窗口用于将RF系统的包括RF源的区域与RF系统的包括粒子加速器的另一区域分开，使得这些不同区域可以保持在用于其工作的适当压力。可以以已知的方式使用真空泵在RF系统的各个区域中维持压力，并且在本文中将不详细讨论这一点。

在图3a和图3b中，连接腔302、310具有矩形横截面，然而这些腔可以具有诸如圆形横截面的其它横截面形状。腔302、310由适当配置和成形的波导(诸如WG-10波导)形成。矩形连接腔302、310的宽度是其高度的两倍。连接腔302的高度在图3b中经由箭头374描述。

包括第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔308的第一波导结构340和第二波导结构350被配置成使得第一腔304和第二腔308是截头圆锥形的(即具有截头圆锥的形状)。如此，第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔308中的每一者包括两个面：内侧面和外侧面。这些面都是圆形的。内圆面与陶瓷板306联接和/或接触和/或由陶瓷板306限定。陶瓷板306位于每个RF窗口腔304、308的内圆面处。板306可被描述为定位在第一内侧面与第二内侧面之间。第一腔304的内侧面的直径在图3b中经由箭头376指示，并且第一腔304的外侧面的直径经由箭头372指示。外侧面可以与RF系统的不同区域联接。当RF窗口312不与连接腔302、310联接时，即当不存在图3b所描述的连接波导结构330、360时，RF窗口腔的外侧面可以被描述为RF窗口波导结构中的外孔口。

第一腔304和第二腔308中的至少一者并且优选地第一腔304和第二腔308两者包括锥形，使得腔的直径在远离板306的方向上减小。在一种实现方式中，第一腔304包括第一锥形，并且第二腔308包括第二锥形。如从图3b可以看到的，腔锥形由适当配置的波导结构的锥形壁形成。第一腔和第二腔在它们各自的内侧面与外侧面之间的锥形化形成每个腔304、308的截头圆锥形的形状。换言之，第一锥形将第一内侧面接合到第一外侧面，使得第一腔是大致截头圆锥形的；并且第二锥形将第二内侧面接合到第二外侧面，使得第二腔是大致截头圆锥形的。锥形开始于板处，或者等同地开始于每个腔的内侧面处。锥形可以被描述为在陶瓷板306处或从陶瓷板306立即开始和/或在腔的内侧面处或从腔的内侧面立即开始。这样，应当理解，在RF窗口周围或附近没有圆柱形腔。部分地，正是RF窗口的这个特征意味着在RF窗口中不形成圆柱形模态。

参考图3b中描述的实现方式，第一波导结构340限定了第一RF窗口腔304的形状，并且第二波导结构350限定了第二RF窗口腔308的形状。第一波导结构340和第二波导结构350被成形和/或配置成使得第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔310各自具有直径小于其内圆面的直径的外圆面。这可以通过查看图3b中的箭头372、376看到。第一波导结构340被配置成使得第一RF腔304的外圆面经由第一环形锥形壁与第一RF窗口腔304的内侧面接合，该第一环形锥形壁限定第一RF窗口腔304的截头圆锥形的形状。类似地，第二波导结构被配置成使得第二RF腔304的外圆面经由第二环形锥形壁与第二RF窗口腔304的内侧面接合，该第二环形锥形壁限定第二RF窗口腔304的截头圆锥形的形状。

第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔310中的至少一者的直径在远离陶瓷板306的方向上减小。在图3a中描述的实现方式中，第一腔304的直径在远离陶瓷板的第一方向上减小，并且第二腔308的直径在远离陶瓷板的第二方向上减小。第一方向和第二方向彼此相反。第一方向和第二方向平行但彼此相反，由此彼此反向平行。

RF窗口312具有中心轴线315。中心轴线315穿过陶瓷板306的中心，并且中心轴线总体限定陶瓷板306、第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔308以及RF窗口312的旋转对称轴线。第一方向和第二方向沿着中心轴线315。第一方向与RF行进方向同轴但相反，并且第二方向与RF行进方向同轴且平行。

在参考“直径”时，应当理解，这是指在垂直于中心轴线的方向上的尺寸或范围。换言之，第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔310中的至少一者的第一尺寸在远离陶瓷板306的方向上减小，其中，第一尺寸垂直于中心轴线315。在参考连接腔的直径的情况下，应当理解，这些腔可以采用任何横截面形状；例如，这些腔可以是矩形的。在此，直径简单地意味着在垂直于中心轴线315的方向上延伸穿过腔中心的直线，并且该直线限定腔在该方向上的尺寸或范围。因此，矩形横截面的腔具有两个直径：高度和宽度。

在图3a和图3b所示的实现方式中，RF窗口腔304、308的第一锥形和第二锥形、以及等同地波导结构340、350的第一环形锥形壁和第二环形锥形壁相对于RF窗口312的中心轴线315成角度。第一锥形环形壁与中心轴线315形成角度θ₁，并且第二锥形环形壁与中心轴线形成角度θ₂。在优选实现方式中，RF窗口腔304、308在尺寸和形状上相等。在该实现方式中，θ₁＝θ₂，使得第一环形锥形壁和第二环形锥形壁相对于RF窗口中心轴线处于相同角度。发现当θ₁、θ₂大致相等(即至少在彼此的1-5°内)时，可以实现良好的性能。发现当35°＜θ₁、θ₂＜55°时，可以实现良好的性能。当40°＜θ₁、θ₂＜47°时，可以实现进一步提高的性能。θ₁、θ₂的最优值大致为42°。θ₁和θ₂都可以被描述为锥角。该角度以图3b所指示的方式在腔内部测量。因此，该角度可以被描述为内腔锥角或内腔角。

RF窗口312被优化用于与处于RF传输频率的RF一起使用。传输频率可以是传输窗口或频率范围的“中心”频率。例如，传输频率可以是例如2.998GHz(参见下面的具体实现方式和尺寸)，但是RF窗口可以设计成利用2.998Ghz+/-10MHz的RF来工作并且最优地使该RF通过。下面描述的具体尺寸产生本设计的实现方式，该实现方式被优化，使得在该传输频率范围内在RF窗口中不存在陷波模态。更一般地，本公开的RF窗口可以被优化，使得在任何特定传输频率处或附近没有陷波模态。因为形成于RF窗口312中的球形模态与通常使用的圆柱形模态相比被更大的频率间隙分开，所以简化了该设计优化。

在现有设计中，陶瓷必须中心地放置在窗口中，并且几乎精确地位于RF系统中的RF驻波的零点位置。任何轻微的变化都有使陷波模态的频率更接近工作频率的风险。然而，因为陷波模态在本设计中被更大的频率间隙分开，所以对于在RF窗口和RF系统两者中的陶瓷的放置存在更大的容差。另外，建模和测试表明本设计对于连接腔中的弯曲角在很大程度上是不变的。

本RF窗口设计是紧凑的，并且实现RF系统中的可用空间的最优使用。在优选实现方式中，RF窗口312的长度小于处于传输频率的RF的波长。RF窗口的长度可以被描述为第一RF窗口腔304的外侧面与第二RF窗口腔308的外侧面之间沿着中心轴线315的距离。这意味着第一腔304沿着第一方向的长度小于处于传输频率的RF的波长，并且实际上，第一腔的长度小于处于传输频率的RF的波长的一半。类似地，第二腔308沿着第二方向的长度小于处于传输频率的RF的波长，并且实际上，第二腔308的长度小于处于传输频率的RF的波长的一半。该设计的这个方面提供了比现有设计显著更紧凑且更空间高效的RF窗口的设计。

另外，第一腔304沿着第一方向的长度且特别是沿着中心轴线315的长度小于陶瓷板306的半径。类似地，第二腔308沿着第二方向的长度且特别是沿着中心轴线315的长度小于陶瓷板的半径。在优选实现方式中，RF窗口312的长度小于陶瓷板306的半径。

图3a和图3b示出了RF窗口312，其与连接腔302、310联接，以形成RF系统或RF系统的一部分。RF窗口腔304、308的外侧面与连接腔302、310会合。等同地，第一波导结构340与第一连接波导结构330会合并联接，并且第二波导结构350与第二连接波导结构360会合并联接。

RF窗口312被配置成与连接腔302、310联接或联接到连接腔302、310。如上所述，当RF窗口312与RF系统隔离时，第一腔304和第二腔308的外侧面可以被描述为RF窗口312和/或RF波导结构340、350中的孔口。当RF窗口312不与连接腔302、310联接时，即当不存在图3b所描述的连接波导结构330、360时，因此应当理解，第一波导结构340包括第一外孔口。类似地，第二波导结构350包括第二外孔口。正是该第二外孔口限定了第二RF窗口腔308的外侧面。第一腔304被配置成经由第一孔口与第一连接腔302联接，并且第二腔308被配置成经由第二孔口与第二连接腔310联接。当这样联接时，RF窗口312定位于第一连接腔302与第二连接腔310之间，以形成图3b中可以看到的实现方式。

第一外孔口的直径在图3b中经由箭头372指示。第一外孔口允许RF窗口312联接到第一连接波导结构330，使得RF可以从第一连接波导结构330传播到第一波导结构340中。第一内侧面的直径经由箭头376指示。第一外孔口的直径372小于第一RF窗口腔304的第一内侧面的直径376。

类似地，第二波导结构350包括第二外孔口，其限定第二RF窗口腔308的外侧面。第二外孔口允许RF窗口312联接到第二连接结构360，使得RF可以从第二波导结构350传播到第二连接波导结构360中。第二波导结构350还包括第二内侧面，其限定了第二RF窗口腔308的内侧面。第二外孔口的直径小于第二内侧面的直径。

总结图3a和图3b中描述的特定实现方式，则RF窗口312包括第一RF窗口腔304和第二RF窗口腔308。这些腔是截头圆锥形的形状，并且腔304、308各自具有内圆面和外圆面。RF窗口312包括适当的波导结构(例如第一波导结构340和第二波导结构350)，其限定了截头圆锥形腔304、308。第一波导结构340和第二波导结构350各自具有限定每个腔304、308的外侧面的外孔口。RF窗口312被配置成经由第一外孔口与第一连接波导330联接，并且RF窗口312被配置成经由第二外孔口与第二连接波导360联接。当这样联接时，RF窗口形成RF系统或RF系统的一部分。

在包括上述RF窗口312以及第一连接腔302和第二连接腔310的RF系统中，RF经由第一连接腔302进入RF窗口，并经由第二连接腔310离开RF窗口。第一连接腔302的直径374小于第一外侧面的直径372，或者等同地小于第一外孔口的直径372。类似地，第二连接腔308的直径小于第二外侧面的直径，或者等同地小于第二外孔口的直径372。连接腔可以采用多种不同的横截面形状(诸如圆形或矩形)中的任何横截面形状。虽然参考了连接腔的“直径”，但是在腔的横截面是矩形的实现方式中，则RF窗口312的外侧面/孔口的直径大于连接腔的高度和宽度两者。

在优选实现方式中，RF系统设计成使得在连接腔302、310与RF窗口腔304、308之间的腔的尺寸和/或直径存在阶跃变化(step change)。在查看图3a时可以理解这种阶跃变化，并且在图3b中由箭头370指示。该阶跃变化相对突然，并且在连接腔302、310与RF窗口腔304、308之间存在很小的锥度或没有锥度。部分地，正是这种异常突然的阶跃变化(特别是在不同横截面形状的腔之间)导致在RF窗口中形成球形模态。特别地，正是第一连接腔302与第一RF窗口腔304之间的阶跃变化使得RF在其行进穿过RF窗口312时形成球形模态。在所公开的实现方式中，在第一连接腔与RF窗口312之间的该接口处仅需要阶跃变化。

因此，RF系统可以包括连接腔302，其与RF窗口312联接或连接到RF窗口，以形成接口。RF在该接口处进入RF窗口312。连接腔302在接口处的直径374小于RF窗口腔312在该接口处的直径372。换言之，在RF进入RF窗口312的接口处的腔尺寸有突然的变化，并且该阶跃变化连同一个或多个RF窗口腔的形状一起有助于向RF窗口312中的球形模态的形成。在一个或多个连接腔是矩形的情况下，应当理解，在接口处，连接腔304的最大直径(通常为宽度)小于第一RF窗口腔304的直径。因此，矩形横截面的腔具有两个直径：高度和宽度。

在使用中，RF窗口很可能形成RF系统的一部分。RF通过波导的布置从RF源引导穿过RF系统，该波导的布置经由第一连接波导结构330连接到RF窗口。当RF行进穿过包括具有矩形横截面的腔(例如图3a和图3b中描述的第一连接腔302)的波导时，RF形成处于矩形模态配置的模态。在第一连接腔302与第一RF窗口腔304之间的接口处，RF突然改变其模态配置。当RF行进穿过RF窗口(即穿过第一腔304、陶瓷板306和第二腔308)时，RF形成处于球形配置的模态。这些球形模态配置在图4a和图4b中示出。图4a和图4b示出了RF窗口312中的高阶球形模态，其中两个阶都在基本阶之上。当RF行进离开RF窗口312并回到具有矩形横截面的腔中时，RF恢复到形成处于矩形配置的模态。

应当理解，本RF窗口被配置成使得RF在其穿过RF窗口时形成球形模态。本领域技术人员能够通过检查或测试RF窗口来确定当RF穿过RF窗口时形成什么模态。本领域技术人员可使用多种工具来使他们能够执行该检查，例如在David M.Pozar的教科书“MicrowaveEngineering”中阐述的解释和等式或通过利用Slater的微扰理论。当RF行进穿过引导件或RF窗口时RF形成的模态配置的类型(例如圆柱形、矩形、球形)可以使用建模软件(诸如SUPERFISH CST微波工作室或高频结构模拟器(High-frequency Structure Simulator，HFSS))或通过实验来确定。

在特定的、设计用于与具有2.998GHz工作频率的磁控管一起使用的具体RF窗口实现方式中：如图3b中的箭头376指示的陶瓷圆盘的半径可以是58.00mm；第一RF窗口腔和第二RF窗口腔沿着RF窗口中心轴线的长度可以为18.00mm；并且经由图3b中的箭头374指示的每个RF窗口腔外侧面的直径可以是41.25mm。在该示例中，锥形环形壁与中心轴线形成的角度(θ₁和θ₂)近似相等，并且具有近似42-43°的值。

在具有这些尺寸的RF窗口中，最近的陷波模态的频率近似为3.200GHz。通常接受的是，最近的陷波模态的频率应该至少与传输/工作频率相差+/-10MHz，并且陷波模态频率中的实现的差显著远离2.998GHz的工作频率。

图5示出了对于特定RF窗口设计的电压驻波比(Voltage Standing Wave Ratio，VSWR)对工作频率的曲线图。RF源的工作频率可能随着其工作而“漂移”和变化，因此期望提供一种RF窗口设计，其可以在RF传输频率的“窗口”或范围内最优地传输RF。沿着传输线的阻抗的任何变化都将引起反射。反射的测量被称为VSWR(电压驻波比)。因此，VSWR可被描述为RF窗口设计允许RF传播穿过其有多良好的量度。对于最优RF窗口设计，VSWR的值应在感兴趣的频率范围上尽可能接近1。VSWR轨迹中的尖峰或突然的不连续可指示陷波模态(只有本征模态分析将明确地识别陷波模态而不是VSWR曲线)，该陷波模态可导致陶瓷变热且失效。具有上述特定尺寸的RF窗口展示了图5所述的行为(表示参数扫描，以便优化RF窗口)，并且应当理解，该设计在感兴趣的频率范围(工作频率2.998GHz+/-10MHz)上具有低(平坦)VSWR。

如本领域技术人员将理解的，包括RF窗口的各种特征根据RF窗口设计为最优传输的RF频率或RF频率的窗口/范围而被适当地设定尺寸。虽然本文公开了用于2.998GHz的磁控管工作频率的具有特定尺寸的特定示例，但是给出本公开的本领域技术人员将能够设计被优化用于与任何RF传输频率一起使用的根据本公开的RF窗口。对于较大的RF传输频率值，成比例地增大RF窗口的尺寸，并且反过来随着RF传输频率降低也一样。

RF窗口可以使用本领域技术人员公知的已知方法和技术(包括钎焊技术)来制造。陶瓷圆盘或板可以由任何适当的陶瓷材料组成。实际上，虽然通常使用陶瓷来形成RF窗口中的气体屏障，但是可以使用任何适当的电介质材料。

虽然参考射频(RF)，但是本领域技术人员应当理解，RF窗口可以设计用于电磁辐射的其它频率，特别是诸如微波的其它高频。

当前公开的RF窗口由于若干原因而是有利的。

由诸如磁控管和速调管的RF源产生的RF的频率可能随着RF源工作而“漂移”。例如，对于磁控管，这种漂移的原因包括磁控管的阳极的波动温度，该波动温度可能受到供应给磁控管的功率量、磁控管谐振腔内变化的空气温度或压力、以及冷却剂流速或温度的波动的影响。因此，有益的是不仅确保在特定传输/工作频率下不存在陷波模态，而且确保在特定工作频率附近不存在陷波模态。

通常，RF窗口包括其中形成圆柱形RF模态的中心圆柱形部分。这些模态是容易理解的，并且能够调节圆柱形部分的长度，以便调节陷波模态所形成的频率，因此能够通过调节窗口的中心区域的长度来优化用于特定RF频率的现有RF窗口。

然而，相反地，本RF窗口包括至少一个腔，其直径在远离陶瓷板的方向上减小。这种直径的减小(即腔的锥形)开始于陶瓷处。因此，如现有设计那样，在陶瓷附近或周围没有圆柱形波导结构。这一点的效果是行进穿过RF窗口的RF形成球形模态，而不是传统使用的圆柱形模态。通过这样使用球形模态，与在RF传输频率与最近的陷波模态频率之间提供相同或类似频率差的传统圆柱形成形的RF窗口相比，在长度(沿着中心轴线的尺寸)和直径(垂直于中心轴线的尺寸)方面都可以实现更紧凑尺寸的RF窗口。观察到RF窗口腔的特别高效的形状是图3a和图3b所述的截头圆锥形的形状。

球形模态在数学上显著比圆柱形模态复杂，如此，在本领域中对于设计利用球形模态的RF窗口存在强烈的偏见。迄今为止，广泛地接受了设计RF窗口的方式是具有中心圆柱形区域，然后调节其长度或直径，以便针对特定传输频率优化RF窗口。然而，出乎意料地，在当前公开的RF窗口中形成的陷波球形模态在频率上比在圆柱形RF窗口中形成的陷波圆柱形模态散布得进一步分开。这允许在优化用于特定传输频率的RF窗口时的更大的设计自由度，因为更容易适合在陷波模态频率之间的期望工作频率范围。

本RF窗口设计用于与诸如放射治疗设备的医疗装置一起使用。具体地，RF窗口设计用于与包括线性加速器(linac)的放射治疗设备一起使用。然而，RF窗口对于许多其它领域和在存在空间限制的特定实现方式中是有用的。

现存的、现有的RF窗口的长度通常是处于传输频率的RF波长的两倍。陶瓷放置在长度等于该“传输波长”的两个腔之间，其中陶瓷放置在当RF传播穿过窗口时形成的零点处。虽然可能仍然期望将本RF窗口定位在RF系统中使得陶瓷定位于零点处，但是RF窗口腔的长度不需要与“传输波长”一样长。实际上，本设计中的每个腔的长度可以显著短于传输波长，因此本RF窗口可以针对特定RF传输频率进行最优设计，同时比先前的RF窗口设计显著更短且更紧凑。

陶瓷圆盘306可以设定尺寸为使得其精确地配合在第一腔304与第二腔308之间。换言之，陶瓷圆盘可以具有与第一腔304和第二腔308中的每一者的内侧面相同的直径。陶瓷圆盘306可以被斜切，以允许其完美地配合在两个腔之间(斜切在图中未示出)。这样，第一波导结构340和第二波导结构350可以钎焊在一起，其中陶瓷以去除对陶瓷保持器或框架的需要的方式定位于它们之间。这是重要的，因为现有技术设备使用圆柱形陶瓷框架，并且这些框架将圆柱形模态引入到RF窗口中。这些现有设计与本RF窗口形成直接对比，在本RF窗口中，第一腔与第二腔中的至少一者包括直接或立即开始于陶瓷板306处的锥形。通过在陶瓷306处开始锥形，并且通过陶瓷圆盘直接放置在其间的两个截头圆锥形腔的存在，可以去除现有设计中存在的圆柱形腔，因此在设计中可以不形成圆柱形模态。而且，通过去除中心“陶瓷保持器”或框架，RF窗口可以被制造得更紧凑，因此该设计比现有设计更好地利用空间。

由于涉及紧密公差，先前难以制造更小、更紧凑的RF窗口。因此，设计者使用更长的窗口来缓解这个问题，并且允许更容易地定位陶瓷的设计，例如波导结构中用于保持陶瓷的凸缘。本RF窗口腔的截头圆锥形的形状且特别是锥形开始于陶瓷处使得定位陶瓷更加容易。例如，陶瓷可以经由陶瓷圆盘的简单斜切或截成斜角而保持在适当位置，这意味着仅腔的形状就足以将陶瓷保持在适当位置。因此，减轻或完全去除生产中对凸缘或复杂夹具的需要。如果需要小的凸缘，例如如果需要低得多的频率窗口，则这可以在设计中适应，因为球形模态被进一步分隔开，并且凸缘体积的小变化不应将这些模态移动得显著更近。

RF窗口设计成使得当其形成RF系统的一部分时，在连接腔的直径与RF窗口的直径之间存在“阶跃变化”。上面描述了这种阶跃变化，并且可以在查看图3b中的第一连接腔的直径374与第一RF窗口腔的外侧面的直径372之间的过渡时理解。这种阶跃变化结合锥形腔与本领域的现有教导形成直接对比。先前认为，如果采用锥形(例如根据现有设计的朝向RF窗口的圆柱形中心部分的锥形)，则连接腔的直径与中心部分的直径之间的变化应该是缓慢的、渐进的，并且当然不是突然的。这是因为先前认为确保阻抗缓慢变化以便最小化陶瓷处的反射将是有益的。然而，通过以所述和附图所示的方式结合相对突然的变化，并且通过在RF窗口中使用球形模态，令人惊讶地发现实际上在陶瓷处存在最小的反射损耗。这是相对反直觉的，并且不是迄今为止在现有技术中考虑的方法。

以上实现方式仅以示例的方式进行了描述，并且所描述的实现方式和布置在所有方面都应被认为仅是例示性的而非限制性的。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实现方式和布置进行变化。

图6描述了根据本公开的包括RF窗口712的替代实现方式的RF系统。以类似于图1和图3a的方式，图6描述了RF系统中的腔。该RF系统包括：第一连接波导结构，其包括第一连接腔602；第一RF窗口波导结构，其包括第一RF窗口腔604；第二RF窗口波导结构，其包括第二RF窗口腔608；以及第二连接波导结构，其包括第二连接腔610。

除了第一腔604和第二腔608中的至少一者的直径的减小经由一系列台阶(例如直径渐变的一系列台阶)来完成之外，RF窗口612和RF系统与上述RF窗口与RF系统相同。RF窗口612包括第一腔604和第二腔608以及定位于它们之间的电介质材料的板606，并且第一腔和第二腔中的至少一者包括锥形，使得第一腔和第二腔中的至少一者的直径在远离板的方向上减小，其中，锥形开始于板606处。在该实现方式中，锥形由直径连续减小的多个台阶组成。等同地，(多个)波导结构的环形锥形壁包括直径连续减小的多个台阶。每个台阶是环形的并且沿其长度具有恒定的直径。图6所描述的第一RF窗口腔604和第二RF窗口腔608是大致截头圆锥形的，并且包括如上所述的内侧面和外侧面。应当理解，给定足够数量的台阶，腔的形状近似于截头圆锥形的形状。台阶的数量越多，越近似截头圆锥形的形状。发现适当的台阶数量为5个或更多，甚至更优选为7个或更多。

在图3b所示的实现方式中，第一腔304和第二腔308在形状和尺寸上相等。陶瓷被斜切并借助于锥形和/或借助于第一RF腔和第二RF腔的截头圆锥形的形状(图3a、图3b中未示出陶瓷的斜切)而保持在适当位置。然而，腔不需要具有相同的尺寸或形状，并且RF窗口可包括凸缘以便于陶瓷的放置。

图7描述了根据本公开的包括RF窗口的替代实现方式的RF系统的横截面。除了在说明书和图7中指示的以外，RF窗口712和RF系统与上述RF窗口和RF系统相同。相似的附图标记用于相似的特征，以帮助理解。以与上面关于图3b描述的大致相同方式，图7所描述的RF窗口712包括第一腔704，其包括第一内侧面和第一外侧面。第一内侧面具有直径376，并且第一外侧面具有直径372。

RF窗口712还包括第二腔708，其包括第二内侧面和第二外侧面。第二外侧面具有直径772，并且第二内侧面具有直径777。然而，在图7所描述的实现方式中，第一腔和第二腔的相应的内侧面在尺寸上不同。在图7中，第二内侧面的直径777大于第一内侧面的直径376。这产生了环形凹部或凸缘，陶瓷777可以定位在该环形凹部或凸缘。该凹部的深度(即其在RF窗口712的中心轴线315方向上的尺寸)可以为约1mm，使得环形凹部可以用于将陶瓷定位在RF窗口712中。换言之，第一波导结构712包括环形凹部，陶瓷306位于该环形凹部中，这便于将陶瓷定位在第一腔704与第二腔708之间。反过来，这便于RF窗口712的制造，因为将波导结构740、750钎焊在一起更简单。

相对于第一内侧面增大第二内侧面的尺寸导致相对于图3b的若干可能的几何变化。例如，第二腔708沿着中心轴线315的长度可以比第一腔704沿着中心轴线315的长度更长，其中锥角θ₂等于θ₁。替代性地，腔的长度可以相等，并且锥角不同，使得外侧面(372、772)的相应尺寸相等。角度θ₂和θ₁可以例如相差近似3°。这些和其它实现方式已经被考虑并且形成本公开的一部分。

虽然凹部在图7中被示出为形成第一波导结构740的一部分，但是凹部可以替代地形成第二波导结构750的一部分。在替代实施例中，第一波导结构740和第二波导结构750都包括凹部。这些凹部可以例如具有大致是陶瓷圆盘的深度的一半的深度，使得当组装RF窗口时，陶瓷圆盘位于两个凹部中并且位于第一腔与第二腔之间。换言之，每个波导结构可以包括如上所述的唇缘、凸缘或凹部，其中，唇缘、凸缘或凹部被设定尺寸成使得当波导结构在一起以形成RF窗口时，凸缘一起限定陶瓷装配到其中的环形或圆柱形凹部。

可以以下面阐述的方式描述当前公开的RF窗口的特定实现方式。

一种RF窗口，包括第一腔和第二腔，具有电介质材料的板直接定位于第一腔与第二腔之间，其中，第一腔和第二腔中的至少一者的直径在远离电介质材料的板的方向上减小，其中，直径的减小开始于板处。

一种RF窗口，包括第一波导结构和第二波导结构，第一波导结构包括第一腔，并且第二波导结构包括第二腔，RF窗口包括定位于第一腔与第二腔之间的电介质材料的板，其中，第一波导结构和第二波导结构中的至少一者被配置成使得第一腔或第二腔包括锥形，使得第一腔或第二腔的直径在远离板的方向上减小，其中，锥形开始于板处。

一种RF窗口，包括第一腔和第二腔，具有电介质材料的板定位在第一腔与第二腔之间，其中，第一腔和第二腔中的至少一者包括内侧面和外侧面，其中，板限定内侧面，并且第一腔和第二腔中的至少一者的直径在内侧面与外侧面之间减小，使得第一腔和第二腔中的至少一者是大致截头圆锥形的。

一种RF窗口，包括第一腔和第二腔，具有电介质材料的板定位在第一腔与第二腔之间，其中，第一腔和第二腔中的至少一者包括内侧面和外侧面并且包括锥形，使得第一腔和第二腔中的至少一者的直径在内侧面与外侧面之间减小，其中，板限定内侧面，并且锥形开始于板处。

本文公开的实现方式仅以示例的方式进行了描述，并且所描述的实现方式和布置在所有方面都应被认为仅是例示性的而非限制性的。应当理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所描述的实现方式和布置做出变化。

Claims

1.一种RF窗口，包括第一腔和第二腔以及定位于所述第一腔与所述第二腔之间的电介质材料的圆盘，其中，所述第一腔和所述第二腔中的至少一者包括锥形，使得所述第一腔和所述第二腔中的至少一者的直径在远离所述圆盘的方向上减小；

所述第一腔包括第一内侧面和第一外侧面，所述第二腔包括第二内侧面和第二外侧面，并且其中所述圆盘限定所述第一内侧面和所述第二内侧面，所述圆盘具有与所述第一内侧面和所述第二内侧面相同的直径，使得所述圆盘精确地配合在所述第一内侧面和所述第二内侧面之间；

其中，所述锥形开始于由所述圆盘定义的内侧面处。

2.根据权利要求1所述的RF窗口，其中，所述第一腔和所述第二腔中的至少一者是截头圆锥形的。

3.根据权利要求1所述的RF窗口，其中，所述第一腔和所述第二腔中的至少一者是所述第一腔，所述锥形是第一锥形，并且所述方向是第一方向；并且

所述第二腔包括第二锥形，使得所述第二腔的直径在远离所述圆盘的第二方向上减小。

4.根据权利要求3所述的RF窗口，其中，所述第一方向和所述第二方向彼此反向平行。

5.根据权利要求3所述的RF窗口，其中，所述RF窗口包括所述方向所沿着的中心轴线。

6.根据权利要求5所述的RF窗口，其中，所述中心轴线是所述RF窗口的旋转对称轴线。

7.根据权利要求5所述的RF窗口，其中，所述锥形在所述腔的内部与所述中心轴线形成角度θ，其中，35°＜θ＜55°。

8.根据权利要求7所述的RF窗口，其中，40°＜θ＜47°。

9.根据权利要求8所述的RF窗口，其中，θ为43°。

10.根据权利要求3所述的RF窗口，其中，所述RF窗口被优化用于与处于传输频率的RF一起使用，以及，以下一者或两者：

所述第一腔沿着所述第一方向的长度小于处于所述传输频率的RF的波长；并且

所述第二腔沿着所述第二方向的长度小于处于所述传输频率的RF的波长。

11.根据权利要求3所述的RF窗口，其中：

所述第一腔沿着所述第一方向的长度小于所述圆盘的半径，和/或

所述第二腔沿着所述第二方向的长度小于所述圆盘的半径。

12.根据权利要求3至11中任一项所述的RF窗口，其中，所述圆盘在其边缘周围斜切，使得其借助于所述第一锥形和所述第二锥形保持在所述第一腔与所述第二腔之间的适当位置。

13.根据权利要求3所述的RF窗口，其中：

所述第一方向是从所述第一内侧面到所述第一外侧面；和/或

所述第二方向是从所述第二内侧面到所述第二外侧面。

14.根据权利要求13所述的RF窗口，其中，所述第一锥形将所述第一内侧面接合到所述第一外侧面，使得所述第一腔是截头圆锥形的；和/或

其中，所述第二锥形将所述第二内侧面接合到所述第二外侧面，使得所述第二腔是截头圆锥形的。

15.根据权利要求13所述的RF窗口，其中，所述第一内侧面的直径大于所述第一外侧面的直径；和/或

所述第二内侧面的直径大于所述第二外侧面的直径。

16.根据权利要求1所述的RF窗口，还包括至少一个波导结构，该至少一个波导结构包括所述第一腔和所述第二腔。

17.根据权利要求16所述的RF窗口，其中，所述至少一个波导结构包括第一波导结构和第二波导结构；所述第一波导结构包括所述第一腔，并且所述第二波导结构包括所述第二腔。

18.根据权利要求17所述的RF窗口，其中，所述第一波导结构包括第一孔口，以允许RF进入所述第一腔；和/或

其中，所述第二波导结构包括第二孔口，以允许RF离开所述第二腔。

19.根据权利要求18所述的RF窗口，其中，所述第一孔口限定所述第一腔的第一外侧面；和/或

其中，所述第二孔口限定所述第二腔的第二外侧面。

20.根据权利要求1所述的RF窗口，其中，所述电介质材料是陶瓷。

21.根据权利要求1所述的RF窗口，其中，所述RF窗口被配置成使得当RF传播穿过所述RF窗口时，在所述RF窗口中形成球形RF模态。

22.根据权利要求1所述的RF窗口，其中，所述第一腔和所述第二腔都不是圆柱形的。

23.根据权利要求1所述的RF窗口，其中，所述RF窗口被配置为与第一连接腔和第二连接腔联接，使得当这样联接时，所述RF窗口定位于所述第一连接腔与所述第二连接腔之间。

24.根据权利要求23所述的RF窗口，其中，所述RF窗口被配置为使得当这样联接时，在所述第一连接腔与所述RF窗口会合处形成接口，并且在所述接口处，所述第一连接腔的直径小于所述第一腔的直径。

25.一种RF系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的RF窗口，所述RF系统还包括：

第一连接腔，其联接到所述第一腔；和

第二连接腔，其联接到所述第二腔。

26.根据权利要求25所述的RF系统，所述RF系统包括在所述第一连接腔与所述第一腔会合处的接口，并且其中，在所述接口处，所述第一连接腔的直径小于所述第一腔的直径。