CN1482844A - 一种驻波电子直线加速器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种驻波电子直线加速器，包括加速腔、耦合腔、电子枪、微波耦合器、鼻锥、钛泵、恒温水套及钨靶。本发明的特点是将鼻锥从加速腔中取消而设置在耦合腔中，每个耦合腔设置两个鼻锥，分别位于耦合腔的前后端面上，鼻锥为圆柱形，鼻锥头部为半圆弧；本发明的加速器降低了加速腔中径向电场强度，增加了加速腔中电场自身的聚焦力，而显著减小加速器出口处电子束的横向尺寸，同时使电子束达到一定的能量和强度，既能满足高能工业CT成像对X射线源的要求，又缩短了加速器的整体长度，且输出剂量率大。

Description

一种驻波电子直线加速器
1.技术领域：本发明属于线性加速器领域，具体涉及一种驻波电子直线加速器。
2.背景技术
计算机断层扫描(Computerized Tomography简称CT)技术是核技术中发展较快的一个重要领域，是核物理、电子学、精密机械以及计算机技术等多学科相结合的产物。工业CT(ICT)则是CT技术在工业生产检测中的应用，而且正进入工业生产过程控制领域，是目前快速发展的一项高新技术。高能工业CT是指系统中X射线源的光子能量超过1MeV，这种高能量的X射线只能通过加速器产生。X射线能量越高，穿透能力就越强，因此X射线的能量的高低决定了被检测工件厚度的尺寸大小。
小型高能X射线源是整个高能工业CT系统的基础。要产生能量超过1MeV的高能X射线，必须通过电子加速器加速电子，高能电子束打到靶材料上从而产生高能X射线。为了保证CT成像的空间分辨率，对电子束流的焦斑尺寸有严格要求。这是因为：(1)电子束与靶相互作用产生X射线，X射线源的强度空间分布与电子束电流密度空间分布是近似一致的，因此电子束有效击靶半径可用靶上的X光束的半径来表示。一旦给出了电子束流强度分布的半高宽值也就确定了X射线源的焦斑尺寸。(2)由于X射线源具有一定的横向尺寸，因此引起图像的几何模糊ΔG。利用几何关系可得出ΔG＝Mφ。M是成像系统的几何放大倍数，φ是X射线源的几何尺寸。射线源尺寸越小就越接近理想成像光源(φ＝0)，就能获得越高的分辨率。对于低能X射线源，其尺寸在亚毫米甚至微米量级。通过加速器产生的X射线源尺寸一般在毫米量级。例如早期英国阿尔特玛斯顿的核武器研究中心高功率加速器闪光照相系统的X射线源尺寸是7毫米；近期美国Los Alamos实验室DARHT闪光机X射线焦斑尺寸达2毫米。总之减小电子束的横向尺寸即可减小X射线源的尺寸，这是提高成像分辨率的主要措施之一。
在缩短电子束横向尺寸的前提下还要保证电子束达到一定的能量，较好的能谱，尽量大的束流强度，即要求打靶产生的X射线照射量和能谱满足CT成像的要求。
加速器产生这样的电子束有两种途径：一是在现有加速器的基础上外加束流聚焦系统。二是为高能工业CT系统设计新型加速器，最好不外加聚焦系统，通过加速腔电磁场的聚焦力，使得加速器出口处的束流保持小束斑；例如：清华大学设计了16MeV返波型直线加速器，采用外聚焦系统使加速器出口处的束流保持小束斑。
设计高能工业CT用加速器的关键技术就在于：使加速器出口处的电子束斑尺寸较小。
射频加速器有两种加速方式，由其微波溃入方式不同而分为驻波加速和行波加速，其基本结构包括有加速管和鼻锥。
1980年清华大学冯嘉年在其硕士学位论文“轴耦合驻波加速结构的物理设计”中，论述了一种驻波加速器的结构，其鼻锥设计在加速管的加速腔中。
在1999年的“高能物理与核物理”第23卷第5期发表的“返波型行波电子直线加速结构的理论研究”的文章中，也记载了鼻锥设计在加速管的加速腔中的结构，该加速器用于工业CT成像。在以上现有技术中，鼻锥都设在加速腔中，且鼻锥有一定倾角。
在加速腔中设置了鼻锥，不利于电子束聚焦；由于存在鼻锥结构，加速腔中的电场强度不能设计的很大，否则容易产生击穿；加速腔中有鼻锥结构，机械加工困难。
这种结构不能使加速器出口处的电子束横向尺寸显著减小，不能更有效的满足工业CT成像对X射线源的要求。
3.发明内容
本发明的目的是提供一种驻波电子直线加速器，本发明的一种驻波电子直线加速器不需加外聚焦系统，通过加速场自身的聚焦力，而显著减小加速器出口处电子束的横向尺寸，同时保证电子束达到一定的能量和强度，既满足高能工业CT成像对X射线源的要求，又缩短了加速器的整体长度，且输出剂量率大。
本发明一种驻波电子直线加速器，包括在主轴线上对称排列的多个加速腔和耦合腔，还包括电子枪、微波耦合器、鼻锥、钛泵、恒温水套及与其配套的加速器电源部分及钨靶；由多个加速腔和耦合腔组成一加速管；第一个加速腔设有电子束入射孔，加速腔和耦合腔的中心由沿主轴线的电子束流孔贯通；其特点是改变了已有技术的加速器中加速腔和耦合腔的结构，取消了已有技术的加速腔中设置的鼻锥，在耦合腔中增设了鼻锥，鼻锥位于耦合腔束流孔的外缘，并与加速器主轴线对称。每个耦合腔内设置两个鼻锥，分别位于耦合腔的前后端面上。耦合腔中的鼻锥为一圆柱形鼻锥，鼻锥孔径与以主轴线为中心的束流孔径相匹配，鼻锥与耦合腔端面以90度过渡圆弧连接，鼻锥头部为半圆形。耦合腔的鼻锥和与其相邻的加速器前后端面以90度圆弧连接。第一个加速腔电子束入射孔尺寸大于束流孔尺寸。
本发明的一种驻波电子直线加速器的第一个加速腔还与电子枪连接，电子枪向加速管提供电子束；加速器的末腔(即最后一个腔)与末腔盖板连接，末腔盖板中心即为加速器电子束流出口，束流出口处设置有钨靶；加速器中间部位的加速腔与微波耦合器连接，且通过微波耦合器与设在外部的电源部分的四端环形器连接；钛泵设在微波耦合器与加速管之间；恒温水套包裹于加速管的周围，使加速管在工作时温度保持稳定。
本发明的一种驻波电子直线加速器的电源包括调制器、速调管、固态微波源、大功率四端环形器等。
本发明的加速器中加速腔的鼻锥去掉后，降低了加速腔中径向电场的强度，从而增强了加速腔中加速场自身的聚焦力，使得加速器对电子束的聚焦效果显著，电子束能量达到8MeV以上。由于把鼻锥从加速腔中移走，使得加速腔有效加速电子的距离增大，从而缩短了加速器的整体长度。在耦合腔中设置鼻锥，还可以抑制耦合腔中的电磁场，即降低加速腔与其相邻的耦合腔间的耦合系数，满足了高能工业CT对X射线源尺寸的要求。
4 附图说明
图1是本发明一种驻波电子直线加速器的实施例的结构示意图。
图2是本发明的实施例的加速管的剖面结构示意图。
图3是本发明的实施例的局部剖面结构示意图。
图中
1、主轴线  2、加速腔  3、耦合腔  5、鼻锥  7、电子束入射孔  8、
束流孔  9、电子枪  10、微波耦合器  11、钛泵  12、恒温水套  13、
钨靶  15、末腔盖板  16、过渡圆弧I  17、过渡圆弧II  18、过渡半
圆弧
5、具体实施方式
下面结合附图对发明的一种驻波电子直线加速器作进一步描述。
在图1中可以看出，本发明的实施例，含有加速管、电子枪9、微波耦合器10、鼻锥5、钛泵11、恒温水套12以及与其配套的加速器电源部分和钨靶13。
图2为由多个加速腔2和耦合腔3组成的加速管，A1～A11为加速腔，C1～C10为耦合腔，每个耦合腔内设置两个鼻锥5。
图3是设置有鼻锥5的一个耦合腔3及其相邻的一个加速腔2的剖面结构示意图。
本发明的一种驻波电子直线加速器，包括加速管、电子枪9、微波耦合器10、鼻锥5、钛泵11、恒温水套12以及与其配套的加速器电源部分和钨靶13，第一个加速腔设有电子束入射孔7，加速腔2和耦合腔3的中心由沿主轴线1的电子束流孔8贯通。由11个加速腔2和10个耦合腔3组成一加速管，加速腔2和耦合腔3沿着加速管的主轴线1交替排列，即每一个加速腔2旁边各一个耦合腔3，而每一个耦合腔3旁边各有一个加速腔2；加速管的第一个腔为加速腔2，末腔(即第11个加速腔)亦为加速腔2，各腔通过焊接紧密连接。加速管中各腔束流孔8的孔径相同，第一个加速腔电子束入射孔7的孔径大于束流孔8径的孔径；在加速管中的10个耦合腔3的前后两个端面上，分别设置两个位于耦合腔3中束流孔8的外缘的鼻锥5，鼻锥5为一圆柱形，鼻锥5的孔径与束流孔8的孔径相匹配，鼻锥5与耦合腔3端面以90度的过渡圆弧II 17连接，鼻锥5的头部为过渡半圆弧18；耦合腔3的鼻锥5和与其相邻的加速腔2前后端面以90度的过渡圆弧I 16连接；第一个加速腔2和与其相邻的第一个耦合腔3均较其它加速腔2和耦合腔3的长度小；本加速器的第一个加速腔2还通过焊接与电子枪9连接；加速器的末腔(即第11个加速腔)与末腔盖板15连接，末腔盖板15中心即为加速器束流出口，束流出口处设置有钨靶13；加速器中第6个加速腔2与微波耦合器10连接，并通过微波耦合器10与设在外部的电源部分的四端环形器相连。钛泵11设置在微波耦合器10中陶瓷窗与加速管之间，钛泵11与微波耦合器10通过焊接相连接；恒温水套12包裹于整个加速管的周围。
本发明的一种驻波电子直线加速器的电源包括调制器、速调管、固态微波源、大功率四端环形器等。速调管产生微波，微波经四端环形器溃入加速器，加速器因此建立电磁场，以加速电子，电子经过加速后与钨靶相互作用产生X射线。
本发明的加速器与美国瓦里安公司生产的高能ICT用加速器主要参数对比参见表1，该公司生产的加速器是边耦合驻波直线加速器。
表1本发明的加速器与美国Varian公司Linatron 3000A加速器主参数对比
性能参数   美国Varian公司Linatron 3000A   本发明的一种驻波电子直线加速器
能量E(MeV)   9   9
1米处强度(Rad/min)   3000   3400
焦斑(mm)   2   1.4
半价层(Fe)HVL(mm)   30   30
本发明的加速器与清华大学研制的高能CT用加速器主要参数的对比参见表2。
表2本发明的加速器与清华大学的加速器主要参数的对比
结构与性能参数 清华大学的加速器   本发明的加速器
加速结构 返波型行波加速结构   磁轴耦合驻波加速结构
加速管长度 160cm   55cm
输出电子束能量 12MeV  16MeV   9MeV
电子束脉冲流强 80mA  115mA   150mA
是否有外聚焦系统     有(2)个   无
输出电子束尺寸     小于2mm   小于1.4mm

Claims (5)

1.一种驻波电子直线加速器，包括在主轴线(1)上对称排列的多个加速腔(2)和耦合腔(3)，还包括电子枪(9)、微波耦合器(10)、鼻锥(5)及钨靶(13)；第一个加速腔设有电子束入射孔(7)；加速腔(2)和耦合腔(3)的中心由沿主轴线(1)的电子束流孔(8)相贯通；其特征在于：在每个耦合腔(3)内设置鼻锥(5)，鼻锥(5)位于耦合腔(3)的束流孔(8)的外缘，并与加速器主轴线(1)对称。
2.根据权利要求1所述的一种驻波电子直线加速器，其特征在于：每个耦合腔(3)内设置两个鼻锥(5)，分别位于耦合腔(3)的前后端面上。
3.根据权利要求1或2所述的一种驻波电子直线加速器，其特征在于：耦合腔(3)中的鼻锥(5)为一圆柱形鼻锥(5)，鼻锥(5)的孔径与束流孔(8)的孔径相匹配，鼻锥(5)与耦合腔(3)端面以90度的过渡圆弧II(17)连接，鼻锥(5)头部为过渡半圆弧(18)。
4.根据权利要求1或2所述的一种驻波电子直线加速器，其特征在于：耦合腔(3)的鼻锥(5)和与其相邻的加速腔前后端面以90度的过渡圆弧I(16)连接。
5.根据权利要求1所述的一种驻波电子直线加速器，其特征在于：第一个加速腔电子束入射孔(7)的孔径大于束流孔(8)的孔径。
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Effective date of registration: 20101105

Address after: Mianyang City, Sichuan Province, 621900 Mountain Road No. 64

Patentee after: Sichuan Zhong Yi Instrument Co.,Ltd.

Address before: Mianyang City, Sichuan Province, 621900 Mountain Road No. 64

Patentee before: Sichuan Science City Jiuli Technology Industrial Co.,Ltd.

Effective date of registration: 20101105

Address after: Mianyang City, Sichuan Province, 621900 Mountain Road No. 64

Patentee after: Sichuan Science City Jiuli Technology Industrial Co.,Ltd.

Address before: 919 box 1014, box 000000, Mianyang City, Sichuan Province

Patentee before: INSTITUTE OF APPLIED ELECTRONICS, CAEP

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Owner name: SICHUAN JIUJIU RUIDI DIGITAL IMAGING TECHNOLOGY CO

Free format text: FORMER NAME: SICHUAN ZHONGWU INSTRUMENTS CO., LTD.

CP01 Change in the name or title of a patent holder

Address after: Mianyang City, Sichuan Province, 621900 Mountain Road No. 64

Patentee after: SICHUAN DNDR DIGITAL RADIOGRAPHY TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Address before: Mianyang City, Sichuan Province, 621900 Mountain Road No. 64

Patentee before: Sichuan Zhong Yi Instrument Co.,Ltd.

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Granted publication date: 20050921

Termination date: 20150726

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