CN117998721A - 基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及真空电子器件中的微波源技术领域，特别涉及一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，包括：多个磁控管、多个环流器和多个加速管，其中，磁控管包括主动磁控管和至少一个从动磁控管，主动磁控管与至少一个从动磁控管并联，且主动磁控管与从动磁控管之间均设置有移相件；主动磁控管利用移相件驱动至少一个从动磁控管完成锁相动作后，主动磁控管和至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；环流器、磁控管和加速管均对应设置，环流器用于将对应磁控管的微波功率馈入每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。由此，实现了加速器阵列和级联系统的快速照射角度切换和快速电子束能量调节。
Description
技术领域
本申请涉及真空电子器件中的微波源技术领域，特别涉及一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统。
背景技术
磁控管是低能直线加速器系统中常用的微波功率源之一。磁控管内部电子在相互垂直的恒定磁场和恒定电场的控制下，与自激产生的高频电磁场发生相互作用，把从恒定电场中获得能量转变成微波能量输出。目前，磁控管以其效率高、体积小、价格低的优势，在低能直线加速器等领域中广泛使用。近年来，为了获得更高的峰值功率，科研人员正在发展基于磁控管锁相理论的功率合成技术，并且已被验证为一种有效的方法。磁控管锁相技术主要分为主从锁相和互锁两类，两者最大的区别在于：主从锁相中用于锁相的微波功率由主动磁控管到从动磁控管单向传输，仅影响从动磁控管的工作状态；而互锁中用于锁相的微波功率双向传输，影响所有磁控管的工作状态。
相关技术中，常见的低能直线加速器系统通常包含微波功率源(如磁控管、速调管)、环流器、加速管等主要部件，系统布局如图1所示，其基本工作原理为：微波功率源产生高功率微波，通过波导、环流器馈入加速管，形成射频电磁场，实现对电子束的加速。
然而，上述的低能直线加速器系统不能精准地操控不同加速结构所产生的电子束相位，无法实现加速器阵列的输出或级联，导致低能直线加速器系统无法实现快速照射角度切换和快速电子束能量调节，亟待解决。
发明内容
本申请提供一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，以解决相关技术中低能直线加速器系统不能精准地操控不同加速结构所产生的电子束相位，无法实现加速器阵列的输出或级联，导致低能直线加速器系统无法实现快速照射角度切换和快速电子束能量调节的问题。
本申请实施例提供一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，包括：多个磁控管、多个环流器和多个加速管，其中，
所述多个磁控管包括主动磁控管和至少一个从动磁控管，所述主动磁控管与所述至少一个从动磁控管并联，且所述主动磁控管与每个从动磁控管之间均设置有移相件；所述主动磁控管利用所述移相件驱动所述至少一个从动磁控管完成锁相动作后，所述主动磁控管和所述至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；
所述多个环流器、所述多个磁控管和所述多个加速管均一一对应设置，所述多个环流器用于分别将对应磁控管的微波功率馈入所述每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。
根据本申请的一个实施例，所述多个加速管之间级联布置。
根据本申请的一个实施例，上述基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，还包括：
功率合成器，所述功率合成器的输入端分别与所述主动磁控管和所述至少一个从动磁控管相连，所述功率合成器的输出端与所述多个环流器分别相连。
根据本申请的一个实施例，所述多个加速管之间独立设置。
根据本申请的一个实施例，所述功率合成器为H型3dB耦合器。
根据本申请的一个实施例，所述功率合成器的输入端口与所述多个磁控管的个数对应。
根据本申请的一个实施例，所述功率合成器的输出端口与所述多个环流器的个数对应。
根据本申请的一个实施例，所述功率合成器的合成功率输出端口由输入至所述功率合成器的微波相位确定。
根据本申请的一个实施例，所述主动磁控管和所述至少一个从动磁控管均为双口磁控管。
根据本申请的一个实施例，所述移相件为移相器。
根据本申请实施例的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，主动磁控管与至少一个从动磁控管并联，且主动磁控管与从动磁控管之间均设置有移相件；主动磁控管利用移相件驱动至少一个从动磁控管完成锁相动作后，主动磁控管和至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；环流器、磁控管和加速管均对应设置，环流器用于将对应磁控管的微波功率馈入每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。由此，通过精确控制不同加速结构的输出电子束相位，实现了加速器的阵列输出或级联，从而实现了加速器阵列和级联系统的快速照射角度切换和快速电子束能量调节。
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为根据本申请的一个实施例的低能直线加速器系统的示意图；
图2为根据本申请实施例提供的一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统的方框示意图；
图3为根据本申请的一个实施例的H型3dB耦合器的结构示意图；
图4为根据本申请的一个实施例的磁控管锁相并结合四端口功率合成器实现磁控管功率合成的结构示意图；
图5为根据本申请的一个实施例的磁控管锁相并结合功率合成器实现多磁控管的功率合成的结构示意图；
图6为根据本申请的一个实施例的磁控管锁相和功率合成驱动级联加速管的结构示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，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的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，针对上述背景技术中提到的低能直线加速器系统不能精准地操控不同加速结构所产生的电子束相位，无法实现加速器阵列的输出或级联，导致低能直线加速器系统无法实现快速照射角度切换和快速电子束能量调节的问题，本申请提供了一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，主动磁控管与至少一个从动磁控管并联，且主动磁控管与从动磁控管之间均设置有移相件；主动磁控管利用移相件驱动至少一个从动磁控管完成锁相动作后，主动磁控管和至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；环流器、磁控管和加速管均对应设置，环流器用于将对应磁控管的微波功率馈入每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。由此，通过精确控制不同加速结构的输出电子束相位，实现了加速器的阵列输出或级联，从而实现了加速器阵列和级联系统的快速照射角度切换和快速电子束能量调节。
具体而言，图2为本申请实施例提供的一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统的方框示意图。
如图2所示，该基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统10包括：多个磁控管100、多个环流器200和多个加速管300。
其中，多个磁控管100包括主动磁控管和至少一个从动磁控管，主动磁控管与至少一个从动磁控管并联，且主动磁控管与每个从动磁控管之间均设置有移相件400；主动磁控管利用移相件400驱动至少一个从动磁控管完成锁相动作后，主动磁控管和至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；多个环流器200、多个磁控管100和多个加速管300均一一对应设置，多个环流器200用于分别将对应磁控管的微波功率馈入每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。
具体地，将多个磁控管100通过锁相系统联系起来，将其中一个磁控管作为主动磁控管，驱动剩余从动磁控管完成锁相，并在连接波导中加入移相件400，实现微波相位调节，再将输出微波功率通过波导传递给加速结构，实现不同加速结构输出不同相位的电子的能力。
进一步地，在一些实施例中，主动磁控管和至少一个从动磁控管均为双口磁控管。
具体地，双口磁控管的设计使得用户可以精确地调整和控制磁场强度和方向，通过改变输入信号，可以实现对输出磁场的精确控制，从而满足不同的应用需求，并且双口磁控管的能耗相对较低、工作寿命较长。
进一步地，在一些实施例中，移相件400为移相器。
具体地，移相器可以通过改变传输线路上的电气长度或延迟时间，从而实现对微波信号的相位调节，同时移相器通常由导电材料制成，能够有效地引导和调整电磁波的传播方向，从而减少电磁干扰和电磁感应的影响。
进一步地，在一些实施例中，多个加速管300之间级联布置。
具体地，采取多个加速管300级联排布的方式，可以在单个磁控管功率有限的情况下提高加速管出口束流能量。
进一步地，在一些实施例中，上述基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，还包括：功率合成器500，功率合成器500的输入端分别与主动磁控管和至少一个从动磁控管相连，功率合成器500的输出端与多个环流器200分别相连。
进一步地，在一些实施例中，功率合成器500为H型3dB耦合器。
进一步地，在一些实施例中，功率合成器500的合成功率输出端口由输入至功率合成器500的微波相位确定。
具体地，如图3所示，若从端口1和端口2输入同相位微波，则合成后的功率从端口3输出；若从端口1和端口2输入的微波相位相差90°，则合成后的功率从端口4输出。
进一步地，在一些实施例中，功率合成器500的输入端口与多个磁控管100的个数对应。
进一步地，在一些实施例中，功率合成器500的输出端口与多个环流器200的个数对应。
进一步地，在一些实施例中，多个加速管300之间独立设置。
具体地，多个加速管300之间独立设置，即采取多个加速管300阵列排布的方式，可以实现多角度照射。
为了便于本领域技术人员更清晰直观地了解本申请实施例的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，下面结合具体实施例进行详细说明。
具体地，作为本申请的第一个实施例地，如图4所示，利用磁控管锁相并结合四端口功率合成器实现磁控管功率合成，其中，四端口功率合成器为一种H型3dB耦合器，并且由于其特性，可以通过改变输入功率合成器的微波相位将合成功率输出到不同端口，驱动两根不同的加速管。
作为本申请的第二个实施例地，如图5所示，利用磁控管锁相并结合功率合成器实现多磁控管的功率合成，图中最上方的磁控管为主动磁控管，通过移相器控制其余从动磁控管使其相位满足功率合成器需求，合成后的功率经过环流器馈入加速管，与3dB耦合器类似，通过改变磁控管输出功率的相对相位，功率合成器可将合成功率分配到不同端口输出，从而驱动不同加速管。
作为本申请的第三个实施例地，如图6所示，利用磁控管锁相和功率合成驱动级联加速管，实现出射电子能量倍增。具体地，主动磁控管将大部分功率通过波导和环流器输送给第一级加速管，少部分功率通过功率分配器后均匀分配给剩余从动磁控管，用于锁相，从动磁控管将功率传输给后续加速管，为保证电子束在经过不同加速管时能处在最佳的加速相位，需要在主从磁控管之间加入移相器实现相位控制。
根据本申请实施例的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，主动磁控管与至少一个从动磁控管并联，且主动磁控管与从动磁控管之间均设置有移相件；主动磁控管利用移相件驱动至少一个从动磁控管完成锁相动作后，主动磁控管和至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；环流器、磁控管和加速管均对应设置，环流器用于将对应磁控管的微波功率馈入每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。由此，通过精确控制不同加速结构的输出电子束相位，实现了加速器的阵列输出或级联，从而实现了加速器阵列和级联系统的快速照射角度切换和快速电子束能量调节。
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，“多个”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。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，包括：多个磁控管、多个环流器和多个加速管，其中，
所述多个磁控管包括主动磁控管和至少一个从动磁控管，所述主动磁控管与所述至少一个从动磁控管并联，且所述主动磁控管与每个从动磁控管之间均设置有移相件；所述主动磁控管利用所述移相件驱动所述至少一个从动磁控管完成锁相动作后，所述主动磁控管和所述至少一个从动磁控管分别输出对应的微波功率至对应的环流器；
所述多个环流器、所述多个磁控管和所述多个加速管均一一对应设置，所述多个环流器用于分别将对应磁控管的微波功率馈入所述每个环流器对应的加速管，以驱动不同加速管输出不同相位的电子束。
2.根据权利要求1所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述多个加速管之间级联布置。
3.根据权利要求1所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，还包括：
功率合成器，所述功率合成器的输入端分别与所述主动磁控管和所述至少一个从动磁控管相连，所述功率合成器的输出端与所述多个环流器分别相连。
4.根据权利要求3所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述多个加速管之间独立设置。
5.根据权利要求3所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述功率合成器为H型3dB耦合器。
6.根据权利要求3所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述功率合成器的输入端口与所述多个磁控管的个数对应。
7.根据权利要求3所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述功率合成器的输出端口与所述多个环流器的个数对应。
8.根据权利要求5所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述功率合成器的合成功率输出端口由输入至所述功率合成器的微波相位确定。
9.根据权利要求1所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述主动磁控管和所述至少一个从动磁控管均为双口磁控管。
10.根据权利要求1所述的基于多磁控管锁相的加速器阵列和级联系统，其特征在于，所述移相件为移相器。
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