轴耦合双周期电子加速管及加速器和腔体升频调节方法技术

本发明专利技术公开了一种轴耦合双周期电子加速管及加速器和腔体升频调节方法，其中，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。本发明专利技术所述的轴耦合双周期电子加速管通过在其腔体内设置可用于调节腔体本征频率的凸锥结构，为腔体本征频率的调节提供了一种新的方案，尤其在小型的高频加速器具有突出的优势。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在核技术及医疗领域中使用的电子加速器件和在对电子加速器件加工调试时的频率调节方法。更具体地说，本专利技术涉及一种用在核技术及医疗领域中的轴耦合双周期电子加速管、驻波电子直线加速器和腔体升频调节方法。
技术介绍
电子直线加速器是一种利用微波电磁场加速电子并且具有直线运动轨道的加速装置，其被广泛应用于医疗领域中，比如说常见的CT机(即计算机X线断层摄影机)，其中最关键的部件就是电子直线加速器，利用的则是加速器加速电子进而产生高能量X射线的基本原理。微波，又称为“超高频电磁波”，其通常用波导管(常用的是圆波导管)进行传播，但是其在波导管中传播的相速度(波的相位在空间中传递的速度，是相位移动速度的简称)远大于光速，即微波电磁场的相速度传播过快，并不能实现对电子的加速，因此需要设法将波导管中微波传播的相速度降下来。为解决这一问题，现有技术教会我们通过在圆波导管中周期性插入带中孔的圆形膜片，依靠膜片的反射作用，就可使微波传播的相速度慢下来，进而微波电磁场就可以与注入其中的电子进行能量交换，即可实现对电子的加速。这种波导管，人们称其为盘荷波导加速管，取圆形膜片对波导管加载之意，同时又可称为慢波结构。可见，上述所说的盘荷波导加速管或是慢波结构是构成电子直线加速器的关键部件之一。当电子在盘荷波导加速管的微波电磁场中所处的相位与加速相位相匹配时，电磁场能量转换为电子能量，电子得到加速；当电子在盘荷波导加速管的微波电磁场中所处的相位与减速相位相匹配时，电子能量转换为电磁场能量，电子被减速。因此为了确保电子能够持续的被加速进而获得高能量，现有技术给出了以下两种不同的电子加速方式：第一种是行波加速方式，对应于行波电子直线加速器。该方式实现对电子加速的核心原理是让电子运行速度与行波的相速度相等，即二者满足同步条件，这样电子可以一直处于电场的波峰上进行加速；第二种是驻波加速方式，对应于驻波电子直线加速器。该方式实现对电子加速的核心原理是让电子在盘荷波导加速管中的每个腔内飞跃时所遇到的都是电场的加速相位，即电子在一个腔飞跃的时间等于加速管中电磁场振荡的半周期，电子的飞跃时间与加速电场更换方向时间一致，从而实现对电子的持续加速。其中，对于驻波加速方式而言，实现对电子持续加速的前提条件之一是：盘荷波导加速管中每个腔都是具有同一个腔体本征频率f0的电磁谐振腔，即所有腔体都谐振在同一个频率上，同时还要与微波频率frf一致。而腔体本征频率f0通常取决于腔体的内径尺寸R大小，二者呈反相关的关系，即腔体内径尺寸大，f0小，反之则大。当加工出来的加速管腔体尺寸完全符合人们所想要的频率时，则该加速管就满足了可使电子持续加速的前提条件之一。但是往往实际加工的过程中，测试人员在对从厂家拿到的所加工出的加速管各个腔体进行频率测量时，有的腔体本征频率f0比所需的大，有的腔体征频率f0又比所需的要小，并不符合预期的设计。此时，若测出加工出来的某个腔体频率大了，需要使之变小，通常的做法是通过削该腔体管内壁使内径R增大(即使腔体内径尺寸变大)的方式实现；而若测出加工出来的某个腔体频率小了需要使之变大，即需要使腔体的内径R尺寸变小，通常的做法是利用开设在该腔体管的外壁上的孔槽实现，即用一根小棒子插入该孔槽，然后敲击小棒子使腔体管的内壁发生变形，进而就可减小腔体内径尺寸R，实现频率的升频调节。但是这种方式存在的的缺陷是容易使腔体内部分电磁场转化为高阶电磁场，而高阶电磁场不能实现对电子的加速，因此造成电磁能量丢失，进而使得电子获得的能量减少。因此目前急需一种能够对利用驻波加速方式加速电子的盘荷波导加速管的腔体本征频率进行升频调节的最佳解决方案。而进一步的是，对于利用驻波加速方式加速电子的盘荷波导加速管按电磁场的耦合方式可分为轴耦合和边耦合两种，按腔体的布局设计可分为单周期和双周期，比如说管内所有腔均为可对电子进行加速的加速腔则称为单周期的加速管，若是管内腔体分为对电子进行加速的加速腔以及对电子起耦合作用的耦合腔，并交替排布，则称为双周期的加速管。其中，在驻波电子直线加速器的轴耦合双周期慢波结构(也可称轴耦合双周期盘荷波导加速管)中，目前有两种带鼻锥方式的加速管/慢波结构：一种是在加速腔内设置类似鼻锥的带中孔的凸锥结构，在耦合腔内不设置。具体来说就是在盘荷波导管中每个圆形膜片(也可称盘荷波导片)通孔处构成加速腔的一侧设置凸锥结构，而构成耦合腔的一侧不设。这种方式的优点是加速腔品质因数高，功率损耗小，微波利用效率高，缺点是耦合腔品质因数低；另一种是在加速腔内不设置，在耦合腔内设置类似鼻锥的带中孔的凸锥结构。具体来说就是在盘荷波导管中每个圆形膜片通孔处构成耦合腔的一侧设置凸锥结构，而构成加速腔的一侧不设。比如说专利号为03135490.4所公开的驻波电子直线加速器方案中就采用了该结构。这种方式的优点是提高了加速腔体的最大功率密度，可以充分提高加速梯度、缩短加速长度，缺点是加速器品质因数低，功率损耗大。以上两种已有设计的加速管中，虽然各具优缺点，但是也均没有给出加速腔和耦合腔的腔体本征频率还与什么参数有关，即没有给出如何在对盘荷波导加速管的加工调试中使其腔体本征频率可进行升频调节的最佳解决方案。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是解决至少上述问题和/或缺陷，并提供至少后面将说明的优点。本专利技术还有一个目的是提供一种轴耦合双周期电子加速管，其通过在加速腔和/或耦合腔内设置可用于调节腔体本征频率的凸锥结构，为腔体本征频率的调节提供了一种新的方案，而不再局限于传统对腔体内径尺寸进行修改的方式，因此可使得加工后的加速管能有效降低腔内电磁场的能量损耗，保证电子加速过程中不会因电磁能量的丢失而造成加速效率的降低。本专利技术还有一个目的是提供一种驻波电子直线加速器，尤指小型的高频加速器，其通过采用了设置有可调节腔体本征频率的凸锥结构的轴耦合双周期电子加速管，使得加速器工作性能不会因加速管的问题而有所降低，进而极具推广价值。本专利技术还有一个目的是提供一种对轴耦合双周期电子加速管中腔体本征频率进行升高调节的方法，该方法采用同时修改腔体内两个相对设置的凸锥结构外部轮廓的方式，以增大二者在腔体内的轴向距离来实现对腔体的升频，相对于传统改变腔体内径尺寸的方式来说，其不会对腔体内分布的电磁场产生较大的不利影响，同时该方法对于小型高频加速器来说具有很突出的实际意义。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了以下技术方案：一种轴耦合双周期电子加速管，其用于驻波电子直线加速器中对电子进行加速，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。优选的是，所述加速管由多节呈半敞开状的盘荷波导管段焊接而成，所述盘荷波导管段为由圆波导管段和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片一体成型组成；其中，每个所述加速腔由两节盘荷波导管段构成，所述两节盘荷波导管段的圆形膜片构成加速腔的两个端面，同时所述电子束流孔开设在圆形膜片所构成的加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴耦合双周期电子加速管，其用于驻波电子直线加速器中对电子进行加速，其特征在于，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。

【技术特征摘要】
1.一种轴耦合双周期电子加速管，其用于驻波电子直线加速器中对电子进行加速，其特征在于，所述加速管内具有多个沿轴向分布并相对轴线径向对称的加速腔和耦合腔，所述加速腔和耦合腔交替设置并在径向对称线上开设有相互贯通的电子束流孔；其中，每个所述加速腔和/或耦合腔在构成其腔体的两个端面上均设置有相对加速管轴线径向对称的凸锥结构，所述凸锥结构位于电子束流孔的外缘，且两个所述凸锥结构之间的轴向距离与所在腔体的本征频率呈正相关。2.如权利要求1所述的轴耦合双周期电子加速管，其特征在于，所述加速管由多节呈半敞开状的盘荷波导管段焊接而成，所述盘荷波导管段为由圆波导管段和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片一体成型组成；其中，每个所述加速腔由两节盘荷波导管段构成，所述两节盘荷波导管段的圆形膜片构成加速腔的两个端面，同时所述电子束流孔开设在圆形膜片所构成的加速腔径向对称线上。3.如权利要求2所述的轴耦合双周期电子加速管，其特征在于，所述加速管中，除首尾端的盘荷波导管段外，其余每节盘荷波导管段在圆形膜片背对构成加速腔的一侧均设置有以电子束流孔为圆心的圆形槽；其中，相邻两个加速腔之间，相邻两节盘荷波导管段的圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏伟，许州，杨兴繁，沈旭明，刘婕，卢和平，金晓，李洪波，陈门雪，黎明，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院应用电子学研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51