CN202019491U - 能量连续可变驻波辐照加速器 - Google Patents
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Abstract
能量连续可变的驻波辐照加速器，包括加速腔段、电子枪和外围系统，加速腔段包括通过束管相连设有功率耦合器的低速加速腔段和高速加速腔段；外围系统包括依次相连的功率放大器、第一环路器、第一方向耦合器和第一功分器，第一功分器与第二环路器和第二功分器相接；第二功分器与第三环路器和高频负载相接；第三环路器与第三方向耦合器相接，第三方向耦合器与加速器相接；第二环路器与第二方向耦合器相连；功率放大器、第一方向耦合器、第一功分器、第二功分器、第二方向耦合器、第三方向耦合器和加速器分别与低电平控制系统相接；第二方向耦合器与加速器相连。本实用新型驻波辐照加速器结构紧凑简单，束流品质高，能够大范围连续调节能量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种能量连续可变驻波辐照加速器。
背景技术
辐照加速器同钴源辐照一样具有常温、无损伤、无残毒、环保、低能耗、运行操作简便、自动化程度高、适宜于大规模工业化生产等特点。与钴源相比，其最大优点是辐照束流集中定向，能源利用充分，辐照效率高，不产生放射性废物。随着钴源售价的飞涨、废源处理费用的上升，电子加速器辐照器具有明显的价格和经济优势。
不同的辐照对象需要不同能量的电子束。而目前通用的辐照加速器的输出能量要么不能改变；要么变化范围很小且不能连续变化。最重要的是，能量变化操作过程非常繁琐，非专业人员不能操作，而且有安全隐患。因此，多用途用户迫切需要一种能够提供输出能量连续变化的辐照加速器。
实用新型内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本实用新型的目的是提供一种能量连续可变驻波辐照加速器，可输出大范围能量连续变化的电子束，且能量变化操作过程简单，解决了现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是，能量连续可变驻波辐照加速器，包括加速腔段24、电子枪13和加速腔段外围系统，加速腔段24包括通过束管20相连的低速加速腔段8和高速加速腔段10；低速加速腔段8和高速加速腔段10上分别设有功率耦合器；加速器外围系统包括依次相连接的功率放大器1、第一环路器2、第一方向耦合器3和第一功分器4，第一功分器4分别与第二环路器22和第二功分器21相连接；第二功分器21分别与第三环路器23和高频负载5相连接；第三环路器23与第三方向耦合器15相连接，第三方向耦合器15与加速腔段24相接；第二环路器22与第二方向耦合器14相连接；功率放大器1、第一方向耦合器3、第一功分器4、第二功分器21、第二方向耦合器14、第三方向耦合器15和加速腔段24分别与低电平控制系统12相连接；第二方向耦合器14还与加速腔段24相连接。
第一功分器4采用计算机可控连续可调功分器。
第二功分器21采用计算机可控连续可调功分器。
低速加速腔段8采用边耦合腔加速腔。
高速加速腔段10采用边耦合腔加速腔。
本实用新型驻波辐照加速器具有如下优点：
1）高的分路阻抗和高的加速效率。
2）束流品质高（低能散度）。
3）结构紧凑、简单。
4）不需要手动调节，变能量可以做到自动化控制，能够连续调节能量。
5）变能量操作简单安全，非专业人员就可以进行连续变能量操作。
6）大的能量变化范围。
附图说明
图1是电子能量与电子相对论速度β的关系曲线图。
图2是本实用新型辐照加速器的结构示意图。
图3是本实用新型辐照加速器中加速腔段的结构示意图。
图4是图3的后视图。
图5是图3的右视图。
图中：1.功率放大器，2.第一环路器，3.第一方向耦合器，4.第一功分器，5.高频负载，6.高速加速腔段功率耦合器，7.低速加速腔段功率耦合器，8.低速加速腔段，9.第一场探针，10.高速加速腔段，11.第二场探针，12.低电平控制系统，13.电子枪，14.第二方向耦合器，15.第三方向耦合器，16.加速腔，17.耦合腔，18.低速加速腔段功率耦合孔，19.高速加速腔段功率耦合孔，20.束管，21.第二功分器，22.第二环路器，23.第三环路器，24.加速腔段。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。
辐照加速器电子枪出来的束流的速度低于光速，需要低速加速段对该束流进行加速，增加其能量，使该束流的速度接近光速（约1.0兆电子伏的能量），如图1所示，图中的β＝v/c，式中v是电子速度；c是光速。然后通过高速加速段进行再加速，最终使束流达到设计的能量。最简单的变能量办法就是通过控制输入功率的大小来改变加速器的加速梯度，从而达到改变能量增益的目的，这种方法的缺点是能散增大导致束流品质变坏，甚至不能有效加速电子。而通用的辐照加速器是对特定能量的电子束优化设计的，降低了输入功率后，整个加速器的加速梯度降低了，这样电子在低能段得不到有效加速，后续的加速段不能很好加速，并对束流进行纵向聚焦。最终导致能散很大。
为了克服辐照加速器能散变大的问题，美国专利U. S. Pat. No. 2920228和U. S. Pat. No. 3070726公开了一种辐照加速器。该辐照加速器用两段行波加速器对电子束进行加速，第一段行波加速器将电子束加速到接近光速，第二段行波加速器通过改变加速器高频相位达到改变能量增益的目的。由于该加速器采用了行波加速结构，输入功率如果不能被束流吸收，就必须浪费掉。另外，行波加速结构的分路阻抗低于驻波边耦合腔，功率损耗大；使得该加速器的加速效率低下。
为了解决上述行波变功率加速器效率低的问题，美国专利U. S. Pat. No. 4118653公开了另一种辐照加速器，该加速器采用行波和驻波相结合的结构，提高了加速器的效率。但该加速器需要两种加速结构，导致结构分散，外围电路复杂。为了获得紧凑的加速结构，美国专利U. S. Pat. No. 4024426提出一种间边耦合驻波加速器，通过改变加速器之间相位差达到改变能量增益的目的。但该驻波加速器的结构复杂，工艺难度大，目前无人采用。
为了得到简单的加速结构和高的加速效率，美国专利U. S. Pat. No. 4286192公开了一种加速器，该加速器在边耦合直线加速器的边耦合腔上增加了一根可调相位微扰棒（微扰棒和边耦合腔之间用波纹管密封），通过改变微扰棒的插入深浅来调节高加速段加速腔的相位，改变能量增益。由于微扰棒相位调节有限，使得该加速器的能量增益变化范围不能很大；而且每次都需要手动调节，程序复杂，非专业人员不易操作。
为了增加上述加速器中微扰棒相位调节的效果，美国专利U. S. Pat. No. 4382208对上述加速器进行了改进，在边耦合直线加速器的边耦合腔的两边分别设置一根可调相位微扰棒。但该加速器的能量增益变化范围仍然不能很大；每次都需要手动调节，程序复杂，非专业人员不易操作。
为了解决上述现有变能量辐照加速器结构复杂、能量变化范围小，操作程序复杂的问题，本实用新型提供了一种由相连的低速边耦合腔组（从电子枪出来的电子束加速到1.0 MeV）和高速边耦合腔组组成的驻波辐照加速器，低速边耦合腔组与高速边耦合腔组之间无耦合，该驻波辐照加速器的结构，如图2所示，包括依次相连接的功率放大器1、第一环路器2、第一方向耦合器3和第一功分器4；第一功分器4分别与第二环路器22和第二功分器21相连接；第二功分器21分别与第三环路器23和高频负载5相连接；第三环路器23与第三方向耦合器15相连接，第三方向耦合器15与加速腔段24相接。第二环路器22与第二方向耦合器14相连接。功率放大器1、第一方向耦合器3、第一功分器4、第二功分器21、第二方向耦合器14、第三方向耦合器15和加速器24分别与低电平控制系统12相连接；第二方向耦合器14还与加速腔段24相连接。
第一功分器4和第二功分器21均采用计算机可控连续可调功分器。
如图3、图4和图5所示，本实用新型驻波辐照加速器中加速腔段24的结构，包括相连的低速加速腔段8和高速加速腔段10，低速加速腔段8和高速加速腔段10均设置有相互耦合的耦合腔17；低速加速腔段8的另一端设置有电子枪13，电子枪13与低速加速腔段8内的加速腔16相通；高速加速腔段10中的加速腔16通过束管20与低速加速腔段8中的加速腔16相连；低速加速腔段8中与高速加速腔段10相邻的加速腔16上分别设置有低速加速腔段功率耦合孔18和第一场探针9，低速加速腔段功率耦合孔18与低速加速腔段功率耦合器7相接。高速加速腔段10中与低速加速腔段8相邻的加速腔16设置有高速加速腔段功率耦合孔19，高速加速腔段功率耦合孔19与高速加速腔段功率耦合器6相接；高速加速腔段10远离低速加速腔段8的一端设置的加速腔16上安装有第二场探针11。
高速加速腔段功率耦合器6与第三方向耦合器15相接；低速加速腔段功率耦合器7与第二方向耦合器14相接。第一场探针9和第二场探针11分别与低电平控制系统12相连接。
由于驻波加速腔的加速梯度Ea与输入功率Pin的关系为：Ea=K(Pin)1/2（这里K为一与加速腔特性有关的常量），因此，通过改变高能加速腔段输入功率的大小，能够改变高能加速腔段的加速梯度，从而达到改变能量增益的目的。
本实用新型辐照加速器的加速腔段24由高速加速腔段10和低速加速腔段8组成，高速加速腔段10和低速加速腔段8均采用边耦合腔加速器，使得加速腔段24具有高分路阻抗和高加速效率。高速加速腔段10和低速加速腔段8之间通过小孔径的束管20连接。由于束管20的截止频率远高于腔TM010模的工作频率，使得高速加速腔段10和低速加速腔段8之间无相互耦合，两个加速腔段可以单独改变加速梯度。加速腔段功率耦合器6和低速加速腔段功率耦合器7分别供给高速高速加速腔段10和低速加速腔段8高频功率，能够分别控制该两个加速腔段的加速梯度。
根据用户需要确定所需加速器的最高输出能量E(MeV)和束流强度Ib(mA)。根据加速器所需功率P(kW)来选择功率源。一般来说，常温加速器的高频损耗是束流功率的1.2倍。束流功率Pb(kW)=E(MeV)×Ib(mA)。这样，加速器所需功率源输出功率应该为P(kW)≈2.5×Pb(kW)。然后根据P(kW)选择市场上可以获得的功率放大器，从而确定加速器运行频率f 和工作模式（脉冲或连续）。根据加速器输出能量E(MeV)、束流强度Ib(mA)、运行频率f 和运行模式，分别优化设计低速加速腔段8和高速加速腔段10的高频和束流动力学参数，并确定其功率耦合系数β1（低速加速腔段功率耦合器7的耦合系数）和β2（高速加速腔段功率耦合器6的耦合系数）。根据功率耦合系数β1和β2，设计功率耦合孔径。最终完成加速器腔形设计。根据腔形设计，进行机械力学分析，确定腔壁厚度。根据腔形高频参数，确定加速腔的功率损耗Pd(kW)＝Vc2/[(R/Q)×Qo]。式中，Vc是加速腔段的总加速电压，对于低速加速腔段8：Vc1≈1.0 MV，对于高速加速腔10：Vc2≈(E-1.0) MV。R/Q是加速腔段的几何分路阻抗，该参数从腔形优化设计得到。Qo是加速腔的品质因子，对于无氧铜腔，其一般约为40000。根据Pd(kW)设计出加速腔段的水冷回路，最终完成机械设计。
本辐照加速器由一台功率源供给功率。通过第一功分器4，实现两段加速腔段具有不同的功率输入。通过第二功分器21，实现对高速加速腔段10输入功率的控制。由于第一功分器4和第二功分器21连续可调，可以使高速加速腔段10的加速梯度连续变化，从而实现束流能量增益的连续变化。本辐照加速器由低电平控制系统12进行控制，实现束流能量输出的自动化控制，不再需要专业人士设置加速器的相位。
高速加速腔段10的加速梯度随着输入功率的连续变化，可以实现对电子束能量增益的连续变化。从而实现了束流能量的大范围连续变化，不再需要通过调节加速器谐振腔的相位来改变束流能量增益。低速加速腔段8将电子束加速到接近光速（1.0MeV）。由于低速加速腔段8输出的电子束速度为光速，能散小；高速加速腔段10的加速梯度对电子束的束流品质影响不大，保证了好的电子束流品质。
第一场探针9和第二场探针11分别用于探测低速加速腔段8和高速加速腔段10的高频频率和加速梯度。低电平控制系统12根据第一场探针9和第二场探针11的信号，对加速器的谐振频率、功率源的相位和输出功率以及第一功分器4和第二功分器21的功分比例进行调整。最终使输出能量达到要求，同时达到高加速效率的目的。
本实用新型辐照加速器结构紧凑简单，束流品质高，能够大范围连续调节能量。
连续可变能量驻波加速器的结构设计。不论低速加速段是一个或者多个驻波腔，高速加速段不论一个或多个驻波加速腔，只要两个加速段之间通过束管相连，都认为是属于本加速器中加速腔段的结构。
Claims (5)
1. 能量连续可变驻波辐照加速器，包括加速腔段（24）、电子枪（13）和加速腔段外围系统，其特征在于，所述加速腔段（24）包括通过束管（20）相连的低速加速腔段（8）和高速加速腔段（10）；低速加速腔段（8）和高速加速腔段（10）上分别设有功率耦合器；所述加速腔段外围系统包括依次相连接的功率放大器（1）、第一环路器（2）、第一方向耦合器（3）和第一功分器（4），第一功分器（4）分别与第二环路器（22）和第二功分器（21）相连接；第二功分器（21）分别与第三环路器（23）和高频负载（5）相连接；第三环路器（23）与第三方向耦合器（15）相连接，第三方向耦合器（15）与加速腔段（24）相接；第二环路器（22）与第二方向耦合器（14）相连接；功率放大器（1）、第一方向耦合器（3）、第一功分器（4）、第二功分器（21）、第二方向耦合器（14）、第三方向耦合器（15）和加速腔段（24）分别与低电平控制系统（12）相连接；第二方向耦合器（14）还与加速腔段（24）相连接。
2. 根据权利要求1所述的驻波辐照加速器，其特征在于，所述第一功分器（4）采用计算机可控连续可调功分器。
3. 根据权利要求1所述的驻波辐照加速器，其特征在于，所述第二功分器（21）采用计算机可控连续可调功分器。
4. 根据权利要求1所述的驻波辐照加速器，其特征在于，所述低速加速腔段（8）采用边耦合腔加速器。
5. 根据权利要求1所述的驻波辐照加速器，其特征在于，所述高速加速腔段（10）采用边耦合腔加速腔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Free format text: FORMER OWNER: LANZHOU WANQIAO INTELLIGENT TECHNOLOGY CO., LTD. Effective date: 20130510 |
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| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 730000 LANZHOU, GANSU PROVINCE TO: 212000 ZHENJIANG, JIANGSU PROVINCE |
|
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20130510 Address after: 212000 Jiangsu city of Zhenjiang province Zongze Road No. 98, park returned Jingkou District Patentee after: Sun An Address before: 730000 Gansu city of Lanzhou province Donggang West Road No. 382 building seven Institute of Geology Patentee before: Sun An Patentee before: Lanzhou Wanqiao Intelligent Technology Co., Ltd. |
|
| ASS | Succession or assignment of patent right |
Owner name: JIANGSU DEZUO ELECTRONIC TECHNOLOGY CO., LTD. Free format text: FORMER OWNER: SUN AN Effective date: 20140228 |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: ADDRESS; FROM: 212000 ZHENJIANG, JIANGSU PROVINCE TO: 210000 NANJING, JIANGSU PROVINCE |
|
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20140228 Address after: Qixia District of Nanjing City, Jiangsu province 210000 Street Xianlin Xianlin University City of Nanjing Xianlin University City Science and Technology Park Co. Ltd. project land office Room 309 room Patentee after: Jiangsu Dezuo Electronic Technology Co., Ltd. Address before: 212000 Jiangsu city of Zhenjiang province Zongze Road No. 98, park returned Jingkou District Patentee before: Sun An |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |
Assignee: Zhengzhou step Accelerator Technology Co., Ltd. Assignor: Jiangsu Dezuo Electronic Technology Co., Ltd. Contract record no.: 2015320000588 Denomination of utility model: Standing wave irradiation accelerator with continuously variable energy Granted publication date: 20111026 License type: Common License Record date: 20150911 |
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| LICC | Enforcement, change and cancellation of record of contracts on the licence for exploitation of a patent or utility model | ||
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Wan Qiao Information Technology Co., Ltd. Document name: Notification that Application Deemed not to be Proposed |
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| DD01 | Delivery of document by public notice | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20111026 Termination date: 20190120 |