CN1157104C - 利用射频加速电子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用射频加速电子的方法，它包括以下步骤：在电子回旋加速器中，用四块分离的磁铁设置电子轨道的导向，每块磁铁侧边加有校正场用的蛇形垫铁，并使四块分离磁铁的设置满足：磁铁束流偏转角之和为360°；电子回旋运动的中心轨道的周长是加速电压射频波长的整倍数的条件，再用射频单腔加速节纵向加速电子，并重复多次进行，使电子做回旋运动，电子回旋5-10周，在加速过程中，加速相位在±60°内滑动。本发明用在电子加速器中，是一种更加经济，更便于推广的辐照用加速器，有望在辐照技术领域内成为一种适用的装置。

Description

利用射频加速电子的方法

技术领域：

本发明涉及加速器技术，具体地说是一种利用射频加速电子的方法。

背景技术：

电子回旋加速器(MICROTRON)作为一种辐照源，是电子直线加速器的有力竞争对手。但由于轨道校正困难，不适于批量生产。後来研制成功的跑道型电子回旋加速器，将微波单谐振腔改为一段电子直线加速器的加速管，并将主导磁铁分成两块，留出了电子轨道的漂移段，使轨道校正情况略有好转。然而成本也随之大幅度增加，减弱了竞争优势。有人设想将电子轨道进一步分离，把磁铁分成很多块，按花瓣形摆放，并采用射频同轴腔横向加速，降低了成本，方便了调束，此种加速器被称为RHODOTRON，意为‘玫瑰花形加速器’，但它结构复杂，加速效率低。

发明内容：

本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种利用射频加速电子的方法，此种方法用在电子加速器中，它兼有跑道型电子回旋加速器和玫瑰花形加速器的优点，而在技术结构，加速原理方而则有很大的不同，是一种更加经济，更便于推广的辐照用加速器，有望在辐照技术领域内成为一种适用的装置。

利用射频加速电子的方法，它包括以下步骤：

a、在电子回旋加速器中，用四块分离的磁铁M1、M2、M3、M4设置电子轨道的导向，每块磁铁侧边加有校正场用的蛇形垫铁，并使四块分离磁铁的设置满足以下条件：

i、磁铁M1、M2、M3、M4束流偏转角之和为360°；

ii、电子回旋运动的中心轨道的周长是加速电压射频波长的整倍数；

b、用射频单腔加速节纵向加速电子，并重复多次进行，使电子做回旋运动，电子回旋5-10周，在加速过程中，加速相位在±60°内滑动。

本发明作为辐照技术可应用在很多方面：

(1)消毒，防霉，杀虫，杀菌

·粮食，蔬菜，水果的防霉，防虫；

·瓜果的保鲜；

·袋装食品的防腐；

·牛奶，饮料的消毒；

·图书、档案的消毒、防霉防蛀。

(2)医疗卫生的消毒灭菌

·药材的消毒；

·医疗器械的消毒。

(3)工业应用

·辐照改性，辐照损伤；

·高分子辐照交联；

·探伤。

(4)科研应用

·辐照育种。

采用本发明得到的加速器，有以下特点：

(1)生产成本低。所用射频处于广播电视频段，发射机易于取得国内的工业支持。射频波段腔体和发射机加工成本也较微波设备低。整个加工过程中不需要大型机床设备和特殊工艺。和现有其它品种电子加速器比，从生产角度看，有明显优势。

(2)调束容易，适于批量生产。

(3)运行、维护简单，一般机电人员就可以胜任，有利于推广。

(4)投资少，工期短，需要几台做几台，不需大型的厂房场地。

附图说明：

图1为本发明中电子在加速过程相位变化示意图

图2为本发明中的加速器总体结构示意图

参阅图1、2，采用100-300兆赫芝高频机，藕合至同轴腔纵向加速。轨道导向磁铁分为四块。加速轨道成跑道形，在漂移区可以对轨道进行校正。偏转区磁铁的分离，为电子束的注入提供了空间。电子枪使用等离子体阴极，以提高寿命。由于射频波长较长，电子在加速过程中相对论性质量增长引起的轨道长度变化和轨道总长度相比是一个小量，整个加速过程中加速相位在正相区内滑动，并不像传统电子回旋加速器那样要求电子质量按整倍数增长，因而加速器可以变轨道加速，能很方便地改变引出束流的能量。加速腔电压可在500仟伏至2兆伏之间调整，磁场也相应地从数百至数千高斯之间调整。只要加速相位不滑出正相区，可以定轨道加速，也可以采用不定轨加速技术，加速过程有很大的灵活性。

参阅图2，电子枪EG，提供50仟电子伏的电子束流，注入射频加速腔RF.K，加速后，经主导磁铁M1、M2、M3、M4偏转，再次进入腔体加速，直至达到预定能量后引出。BM为引出电子束流，可以引出用于电子束辐照应用，也可以打靶产生X射线，用于射线辐照。腔体由一台高频机激励，高频机用大功率陶瓷管自激振荡，具体功率由不同机型决定，效率可达80％，可以从10仟瓦到几百仟瓦之间选配。高频机可能在脉冲状态下工作，需配脉冲电源。整个加速过程是在高真空状态下工作的，真空泵安装在M1、M2和M3、M4的漂移段下面，VK表示真空区域界限。

本发明的基本思想是用射频单腔取代电子回旋加速器中的微波加速腔，从而将昂贵的微波系统改换为廉价的射频系统，降低了加速器的制造成本，同时保留了跑道型电子回旋加速器轨道易于校正，结构紧凑的优点。我们将它称为‘射频电子回旋加速器’，英文命名为‘RADIO FRFQUENCEELECTRON CYCLOTRON’，缩写为‘RFEC’，中文简称‘射频电子’。每kGy辐照产额所需设备投资远小于其它机型。

具体实施方式：

以120仟瓦中型设备，RFEC-120为例，其设计参数如下：

电子能量                12MeV(初调为6MeV)；

流强                    10mA(初调为5mA)；

束流功率                120kW(初调为30kW)；

射线转换效率(钨靶)总30％，前峰19％。(初调总19％，前峰11％)；

供电功率                200kW.

RFEC-120由电子枪，高频加速系统，磁铁三大部份组成，辅助系统有真空系统和自动控制系统，供电水冷等常规服务性设备。电子枪要求轴向引出成圆束，与大多数电子束设备的技术要求没有什么两样，此项技术在我国已经成熟，只需套用一种标准设计即可。电子束的引出能量为50仟伏，流强为数十毫安，在国内算是中等技术水平。加速腔采用和单腔加速器中单腔加速节类似的设计，国内已有充分技术储备。射频机和大功率电视发射机要求雷同，射频机可采用国产陶瓷管，性能稳定，价格较进口货要便宜得多。总的技术要求是：振荡功率达到150仟瓦，加速效率为0.8。功耗为200仟瓦，高频转化效率为0.75。加速器总效率60％左右。加速缝隙电压是2兆伏。具体做法是：在高频加速系统中设置电子轨道的导向，四块磁铁两两对称组成。其设计参数如下：

磁极间隙           4厘米；

磁场强度           0.2特斯拉；

激磁安匝           1×10⁴安匝。

并使其满足四块磁铁束流偏转角之和为360°，每块磁铁均使轨道偏转90°，四块磁铁的摆放要满足：电子回旋运动的中心轨道周长是加速电压射频波长的整倍数(本实施例为3倍)。每块磁铁侧边都加有校正场形用的蛇形垫铁，然后用射频(200kHz)单腔加速节纵向加速电子，这种加速是重复多次进行的，加速过程中加速相位在±60°相区内滑动。反转点设定在电子跨越中心轨道渡越加速缝隙时，也就是电子回旋过程中中间的那一次或两次越隙(视总回旋次数为奇数还是偶数而定)，本实施例越隙6次。随着电子能量的增长，电子的质量也相应增加。射频频率和电子回转频率之间的谐振条件不能精确满足，靠正相区内的合理相移分配来实现全程加速。越隙6次，加速相位分别是：+20°0°，-20°-20°0°，+20°图1中1、2、3、4、5、6各点所示。

考虑到磁铁的边缘效应，设计时边角做了修正。样机在边角加补铁，以便对场形进行精确修正。轨道校正时，可在偏转磁铁轭部加一些平板线圈，对各条轨道分别进行校正。由于磁场数值较低，场形离散较小，所以通过改变磁场强度和高频电压的数值，就可以改变束流的能量。

磁铁系统采用分离多块结构，这样做不仅使轨道校正变得容易，也使得磁铁小型化，便于加工，使总成本降低。磁铁分离后，真空室的结构简化，承压性能好转，加工成本也相应减低。磁铁的布局，主要考虑到束流动力学的要求和轨道调整的需要，各条轨道漂移段上可加校正线圈，用以提高束流传输效率，由于射频单腔横向尺寸较大，两端的偏转磁铁按45度分为两块，中间拉开，也给电子注入提供了空间。

真空度要求为5×10^-6托，可选用国产1500升/秒油扩散泵两台，分别安装在磁铁左右两侧。

自控系统由一台PC工控机实施，除对加速器进行操作外，还对辐照系统进行监控。

电子束引出後，加一扫描磁铁，可用电子束直接辐照目标物，也可以装一重金属靶，产生X射线用以辐照。这要根据用户的需求设计，为加速器辅助设备。

Claims (1)

1、一种利用射频加速电子的方法，其特征在于它包括以下步骤：

a、在电子回旋加速器中，用四块分离的磁铁M1、M2、M3、M4设置电子轨道的导向，每块磁铁侧边加有校正场用的蛇形垫铁，并使四块分离磁铁的设置满足以下条件：

i、磁铁M1、M2、M3、M4束流偏转角之和为360°；

ii、电子回旋运动的中心轨道的周长是加速电压射频波长的整倍数；

b、用射频单腔加速节纵向加速电子，并重复多次进行，使电子做回旋运动，电子回旋5-10周，在加速过程中，加速相位在±60°内滑动。

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