CN114143952B - 盘片式3dB混流器及电子直线加速器 - Google Patents

盘片式3dB混流器及电子直线加速器 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种盘片式3dB混流器及电子直线加速器，盘片式3dB混流器设置于第一加速管和第二加速管之间，其中，盘片式3dB混流器包括：盘片本体，盘片本体设置有输入端和输出端；设置在盘片本体上的3dB耦合器，用于将输入的微波功率分为两路微波功率以及将加速管产生的两路反射功率进行功率合成并输出至输出端；设置在盘片本体上的第一耦合孔和第二耦合孔，第一耦合孔与第一加速管耦合连接，第二耦合孔与第二加速管耦合连接，用于将微波功率分别馈入加速管以及将加速管产生的反射功率返回至3dB耦合器。本申请实施例直接连接两根级联的加速管，级联加速管间的微波相位同步由3dB混流器盘片的厚度控制，结构紧凑，成本较低。

Description

盘片式3dB混流器及电子直线加速器
技术领域
本申请涉及电子直线加速器技术领域，特别涉及一种盘片式3dB混流器及电子直线加速器。
背景技术
电子直线加速器是一种荷电粒子加速器，它利用高功率微波在加速结构中建立的电磁场对电子束进行加速和控制，从而获得更高能量的电子束。目前，电子直线加速器按电子束能量大小可分为低能电子直线加速器、中能电子直线加速器和高能电子直线加速器三档。其中高能电子直线加速器主要应用于基础科学研究、高亮度光源、粒子对撞机等大型科学装置上。而中低能电子直线加速器的应用范围涵盖了医疗(放射治疗、消毒灭菌)、工业(工业探伤、无损检测)、农业(良种培育)、食品(灭菌、保鲜)、材料(辐照变性)、国防(集装箱安检)等众多领域。
为了获得更高的电子束能量，中低能电子直线加速器系统中经常会把多个直线加速器级联工作。已两个直线加速器级联为例，目前加速器系统中常用的布局方法如图1和图2所示。
图1中两根加速管由两个独立的微波功率源(通常为速调管)提供微波能量，加速管与功率源之间需要接入一个四端环流器来保护功率源。功率源产生的微波功率进入四端环流器，定向流入加速管中；加速管反射的功率经过四端环流器定向进入图1中远离功率源的负载；大部分反射功率均被该负载吸收，极小的反射功率会经过四端环流器进入靠近功率源的负载，从而保护了微波功率源。为了保证两根加速管的微波功率与电子束互作用的相位均正确，通常使用的方法为：分别调节调制器给两个微波功率源的触发信号的相位。
图2中两根加速管由单个微波功率源(通常为速调管或磁控管)提供微波能量，加速管与功率源之间接入了一个3dB混流器。微波功率源产生的微波功率从3dB混流器的3-1端口输入，功率平均分为两路从端口3-2和3-3进入两根加速管。两根加速管产生的反射功率则在端口3-4输出并被负载吸收，从而保护了微波功率源。为了保证两根加速管的微波功率与电子束互作用的相位均正确，通常使用的方法为：1、固定系统中的波导长度使得从功率源到两根加速管的微波传输相位差保持最优值，调节调制器给微波功率源的触发信号的相位；2、在其中一路中加入移相器使得功率源到两根加速管的微波传输相位差可调，调节调制器给微波功率源的触发信号的相位。
如图3所示，目前中低能电子加速管多为盘片式结构，即加速管由多个盘片堆叠焊接而成。目前已有的采用3dB混流器的加速器级联系统(如图2)，均将3dB混流器作为一个独立于加速管与微波源之外的器件。
因此，目前的加速器级联系统体积庞大，布局复杂。图1所示的系统引入了四端环流器，通常会产生10％左右的功率损耗，且成本较高。图2所示的系统则需要固定波导布局或者引入移相器，难以移动和更改，若引入移相器也会增加系统的整体成本。
发明内容
本申请提供一种盘片式3dB混流器及电子直线加速器，以解决相关技术中的电子直线加速器级联的系统体积庞大，布局复杂且不灵活，成本较高等问题。
本申请第一方面实施例提供一种盘片式3dB混流器，盘片式3dB混流器设置于第一加速管和第二加速管之间，其中，盘片式3dB混流器包括：
盘片本体，所述盘片本体设置有输入端和输出端，所述输入端用于输入微波功率，所述输出端用于输出所述第一加速管和所述第二加速管产生的反射功率；
设置在所述盘片本体上的3dB耦合器，包括与所述第一加速管连接的第一流入/返回支路和与所述第二加速管连接的第二流入/返回支路，用于将输入的所述微波功率分为两路微波功率以及将所述第一加速管和所述第二加速管产生的两路反射功率进行功率合成并输出至所述输出端；
设置在所述盘片本体上的第一耦合孔和第二耦合孔，所述第一耦合孔与所述第一加速管耦合连接，所述第二耦合孔与所述第二加速管耦合连接，用于将所述两路微波功率分别馈入所述第一加速管和所述第二加速管以及将所述第一加速管和所述第二加速管产生的反射功率返回至所述3dB耦合器。
根据本申请的实施例，所述第一流入/返回支路和所述第二流入/返回支路之间的相位差为90度。
根据本申请的实施例，所述盘片本体的厚度根据所述第一流入/返回支路和所述第二流入/返回支路之间的相位差确定。
根据本申请的实施例，所述第一流入/返回支路和所述第二流入/返回支路进一步用于将输入的所述微波功率平均分为两路。
根据本申请的实施例，所述盘片式3dB混流器与所述第一加速管和第二加速管的耦合于波导长边或者波导短边。
根据本申请的实施例，所述盘片本体与所述第一加速管和所述第二加速管焊接设置。
根据本申请的实施例，所述盘片本体与所述第一加速管的混流侧的最后一个盘片联合加工后焊接设置，或者与所述第二加速管的混流侧的第一个盘片焊接设置。
本申请第二方面实施例提供一种电子直线加速器，包括上述实施例所述的盘片式3dB混流器。
本申请实施例的盘片式3dB混流器，直接连接两根级联的加速管，级联加速管间的微波相位同步由3dB混流器盘片的厚度控制，结构紧凑，成本较低。并且由于3dB混流器具有均分输入功率且两个输出口功率相位差为90度的特性，两个加速管的反射功率互相隔离且不会返回功率输入口，不需要在系统中引入四端换流器即可实现对微波功率源的保护。
本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为相关技术中的一种电子直线加速器系统结构示意图；
图2为相关技术中的另一种电子直线加速器系统结构示意图；
图3为由多个盘片堆叠焊接而成的加速管结构示意图；
图4根据本申请实施例提供的一种盘片式3dB混流器结构示意图；
图5根据本申请实施例提供的一种盘片式3dB混流器安装位置示意图。
附图标记：1-1：调制器；1-2：微波功率源；1-3：四端环流器；1-4：第一加速管；1-5：第二加速管；1-6：电子枪；1-7：负载；1-8：连接管道；2-1：调制器；2-2：微波功率源；2-3：3dB混流器(四个端口：3-1、3-2、3-3、3-4)；2-4：第一加速管；2-5：第二加速管；2-6：电子枪；2-7：负载；2-8：连接管道；2-9：移相器；1：第一加速管；2：第二加速管；3：盘片式3dB混流器；a：输入端；b：第一流入/返回支路；c：第二流入/返回支路；d：输出端；1’：第一耦合孔；2’：第二耦合孔；3’：电子束流孔。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
下面参照附图描述根据本申请实施例提出的盘片式3dB混流器。
具体而言，图4根据本申请实施例提供的一种盘片式3dB混流器结构示意图。图5根据本申请实施例提供的一种盘片式3dB混流器安装位置示意图。
如图4和图5所示，盘片式3dB混流器3设置于第一加速管1真空部分和第二加速管2真空部分之间。
具体地，盘片式3dB混流器3包括：
盘片本体，盘片本体设置有输入端a和输出端d，输入端a用于输入微波功率，输出端d用于输出第一加速管1和第二加速管2产生的反射功率。
设置在盘片本体上的3dB耦合器，包括第一流入/返回支路b和第二流入/返回支路c，用于将输入的微波功率分为两路微波功率以及将第一加速管1和第二加速管2产生的两路反射功率进行功率合成并输出至输出端d。
设置在盘片本体上的第一耦合孔1’和第二耦合孔2’，第一耦合孔1’与第一加速管1耦合连接，第二耦合孔2’与第二加速管2耦合连接，用于将两路微波功率分别馈入第一加速管1和第二加速管2以及将第一加速管1和第二加速管2产生的反射功率返回至3dB耦合器。
在图4中，3’为电子束流孔，短划线为输入功率路线图，点线为反射功率路线图。本申请将3dB混流器做在一个盘片里，作为两根加速管之间的连接结构，如图5所示。其盘片内部真空部分的结构如图4所示。其输入功率的流向由图4中短划线所示：功率源产生的微波功率由图中输入端a输入，在3dB混流器内一分为二分别进入第一流入/返回支路b和第二流入/返回支路c，然后分别通过3dB混流器与第一加速管的耦合孔1’和3dB混流器与第二加速管的耦合孔2’馈入第一加速管1与第二加速管2。由于第一加速管1与第二加速管2为驻波加速管，其在输入功率的上升沿阶段存在功率反射的情况。反射功率的流向由图4中点线所示：第一加速管1与第二加速管2的反射功率从3dB混流器与第一加速管的耦合孔1’和3dB混流器与第二加速管的耦合孔2’返回3dB混流器的第一流入/返回支路b和第二流入/返回支路c，反射的功率在3dB耦合器内合成后在输出端d输出，不会进入输入端a，从而保护了输入端a侧的功率源。
在本申请的一个实施例中，第一流入/返回支路和第二流入/返回支路之间的相位差为90度。
在本申请的一个实施例中，第一流入/返回支路和第二流入/返回支路进一步用于将输入的微波功率平均分为两路。
本申请对3dB耦合器的设计没有特殊要求，只需保证对输入功率平均一分为二且相位差为90度即可。
在本申请的一个实施例中，盘片式3dB混流器与第一加速管和第二加速管的耦合于波导长边或者波导短边。
加速管与3dB耦合之间的耦合可以在3dB耦合器的波导长边或者短边，因此3dB耦合器的设计包括但不限于图4的设计。
在本申请的一个实施例中，盘片本体的厚度根据第一流入/返回支路和第二流入/返回支路之间的相位差确定。
由于3dB耦合器的第一流入/返回支路b和第二流入/返回支路c的相位差90度为固定值，为了保证两根加速管的微波功率与电子束互作用的相位正确，只需选择合适的3dB耦合器盘片厚度即可实现。因此，本申请无需在系统中引入移相器，对3dB耦合器与微波功率源以及负载之间的微波连接系统的布局也没有要求，使得整个系统的布局更紧凑且灵活。
在本申请的一个实施例中，盘片本体与第一加速管和第二加速管焊接设置。
在本申请的一个实施例中，盘片本体与第一加速管的混流侧的最后一个盘片联合加工后焊接设置，或者与第二加速管的混流侧的第一个盘片焊接设置。
本申请对3dB耦合器盘片的设计与划分没有特殊的要求，3dB耦合器的盘片可以单独加工再与第一加速管和第二加速管焊接，也可以与第一加速器的最后一个盘片或者与第二加速器的第一个盘片联合加工后焊接，因此盘片的设计包括但不限于图5的设计。
根据本申请实施例提出的盘片式3dB混流器，直接连接两根级联的加速管，级联加速管间的微波相位同步由3dB混流器盘片的厚度控制，结构紧凑，成本较低。并且由于3dB混流器具有均分输入功率且两个输出口功率相位差为90度的特性，两个加速管的反射功率互相隔离且不会返回功率输入口，不需要在系统中引入四端换流器即可实现对微波功率源的保护。
本实施例还提供一种电子直线加速器，包括上述实施例的盘片式3dB混流器。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (6)

1.一种盘片式3dB混流器，其特征在于，盘片式3dB混流器设置于第一加速管和第二加速管之间，其中，盘片式3dB混流器包括：
盘片本体，所述盘片本体设置有输入端和输出端，所述输入端用于输入微波功率，所述输出端用于输出所述第一加速管和所述第二加速管产生的反射功率；
设置在所述盘片本体上的3dB耦合器，包括与所述第一加速管连接的第一流入/返回支路和与所述第二加速管连接的第二流入/返回支路，用于将输入的所述微波功率分为两路微波功率以及将所述第一加速管和所述第二加速管产生的两路反射功率进行功率合成并输出至所述输出端；
设置在所述盘片本体上的第一耦合孔和第二耦合孔，所述第一耦合孔与所述第一加速管耦合连接，所述第二耦合孔与所述第二加速管耦合连接，用于将所述两路微波功率分别馈入所述第一加速管和所述第二加速管以及将所述第一加速管和所述第二加速管产生的反射功率返回至所述3dB耦合器；
所述第一流入/返回支路和所述第二流入/返回支路之间的相位差为90度；
所述盘片本体的厚度根据所述第一流入/返回支路和所述第二流入/返回支路之间的相位差确定。
2.根据权利要求1所述的盘片式3dB混流器，其特征在于，所述第一流入/返回支路和所述第二流入/返回支路进一步用于将输入的所述微波功率平均分为两路。
3.根据权利要求1所述的盘片式3dB混流器，其特征在于，所述盘片式3dB混流器与所述第一加速管和第二加速管的耦合于波导长边或者波导短边。
4.根据权利要求1所述的盘片式3dB混流器，其特征在于，所述盘片本体与所述第一加速管和所述第二加速管焊接设置。
5.根据权利要求1所述的盘片式3dB混流器，其特征在于，所述盘片本体与所述第一加速管的混流侧的最后一个盘片联合加工后焊接设置，或者与所述第二加速管的混流侧的第一个盘片焊接设置。
6.一种电子直线加速器，其特征在于，包括：如权利要求1-5任一项所述的盘片式3dB混流器。
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