一種駐波電子直線加速器的製作方法
2023-05-04 02:57:36
專利名稱：一種駐波電子直線加速器的製作方法
技術領域：
本發明屬於線性加速器領域，具體涉及一種駐波電子直線加速器。
2.背景技術計算機斷層掃描(Computerized Tomography簡稱CT)技術是核技術中發展較快的一個重要領域，是核物理、電子學、精密機械以及計算機技術等多學科相結合的產物。工業CT(ICT)則是CT技術在工業生產檢測中的應用，而且正進入工業生產過程控制領域，是目前快速發展的一項高新技術。高能工業CT是指系統中X射線源的光子能量超過1MeV，這種高能量的X射線只能通過加速器產生。X射線能量越高，穿透能力就越強，因此X射線的能量的高低決定了被檢測工件厚度的尺寸大小。
小型高能X射線源是整個高能工業CT系統的基礎。要產生能量超過1MeV的高能X射線，必須通過電子加速器加速電子，高能電子束打到靶材料上從而產生高能X射線。為了保證CT成像的空間解析度，對電子束流的焦斑尺寸有嚴格要求。這是因為(1)電子束與靶相互作用產生X射線，X射線源的強度空間分布與電子束電流密度空間分布是近似一致的，因此電子束有效擊靶半徑可用靶上的X光束的半徑來表示。一旦給出了電子束流強度分布的半高寬值也就確定了X射線源的焦斑尺寸。(2)由於X射線源具有一定的橫向尺寸，因此引起圖像的幾何模糊ΔG。利用幾何關係可得出ΔG＝Mφ。M是成像系統的幾何放大倍數，φ是X射線源的幾何尺寸。射線源尺寸越小就越接近理想成像光源(φ＝0)，就能獲得越高的解析度。對於低能X射線源，其尺寸在亞毫米甚至微米量級。通過加速器產生的X射線源尺寸一般在毫米量級。例如早期英國阿爾特瑪斯頓的核武器研究中心高功率加速器閃光照相系統的X射線源尺寸是7毫米；近期美國Los Alamos實驗室DARHT閃光機X射線焦斑尺寸達2毫米。總之減小電子束的橫向尺寸即可減小X射線源的尺寸，這是提高成像解析度的主要措施之一。
在縮短電子束橫向尺寸的前提下還要保證電子束達到一定的能量，較好的能譜，儘量大的束流強度，即要求打靶產生的X射線照射量和能譜滿足CT成像的要求。
加速器產生這樣的電子束有兩種途徑一是在現有加速器的基礎上外加束流聚焦系統。二是為高能工業CT系統設計新型加速器，最好不外加聚焦系統，通過加速腔電磁場的聚焦力，使得加速器出口處的束流保持小束斑；例如清華大學設計了16MeV返波型直線加速器，採用外聚焦系統使加速器出口處的束流保持小束斑。
設計高能工業CT用加速器的關鍵技術就在於使加速器出口處的電子束斑尺寸較小。
射頻加速器有兩種加速方式，由其微波潰入方式不同而分為駐波加速和行波加速，其基本結構包括有加速管和鼻錐。
1980年清華大學馮嘉年在其碩士學位論文「軸耦合駐波加速結構的物理設計」中，論述了一種駐波加速器的結構，其鼻錐設計在加速管的加速腔中。
在1999年的「高能物理與核物理」第23卷第5期發表的「返波型行波電子直線加速結構的理論研究」的文章中，也記載了鼻錐設計在加速管的加速腔中的結構，該加速器用於工業CT成像。在以上現有技術中，鼻錐都設在加速腔中，且鼻錐有一定傾角。
在加速腔中設置了鼻錐，不利於電子束聚焦；由於存在鼻錐結構，加速腔中的電場強度不能設計的很大，否則容易產生擊穿；加速腔中有鼻錐結構，機械加工困難。
這種結構不能使加速器出口處的電子束橫向尺寸顯著減小，不能更有效的滿足工業CT成像對X射線源的要求。
3.發明內容本發明的目的是提供一種駐波電子直線加速器，本發明的一種駐波電子直線加速器不需加外聚焦系統，通過加速場自身的聚焦力，而顯著減小加速器出口處電子束的橫向尺寸，同時保證電子束達到一定的能量和強度，既滿足高能工業CT成像對X射線源的要求，又縮短了加速器的整體長度，且輸出劑量率大。
本發明一種駐波電子直線加速器，包括在主軸線上對稱排列的多個加速腔和耦合腔，還包括電子槍、微波耦合器、鼻錐、鈦泵、恆溫水套及與其配套的加速器電源部分及鎢靶；由多個加速腔和耦合腔組成一加速管；第一個加速腔設有電子束入射孔，加速腔和耦合腔的中心由沿主軸線的電子束流孔貫通；其特點是改變了已有技術的加速器中加速腔和耦合腔的結構，取消了已有技術的加速腔中設置的鼻錐，在耦合腔中增設了鼻錐，鼻錐位於耦合腔束流孔的外緣，並與加速器主軸線對稱。每個耦合腔內設置兩個鼻錐，分別位於耦合腔的前後端面上。耦合腔中的鼻錐為一圓柱形鼻錐，鼻錐孔徑與以主軸線為中心的束流孔徑相匹配，鼻錐與耦合腔端面以90度過渡圓弧連接，鼻錐頭部為半圓形。耦合腔的鼻錐和與其相鄰的加速器前後端面以90度圓弧連接。第一個加速腔電子束入射孔尺寸大於束流孔尺寸。
本發明的一種駐波電子直線加速器的第一個加速腔還與電子槍連接，電子槍向加速管提供電子束；加速器的末腔(即最後一個腔)與末腔蓋板連接，末腔蓋板中心即為加速器電子束流出口，束流出口處設置有鎢靶；加速器中間部位的加速腔與微波耦合器連接，且通過微波耦合器與設在外部的電源部分的四端環形器連接；鈦泵設在微波耦合器與加速管之間；恆溫水套包裹於加速管的周圍，使加速管在工作時溫度保持穩定。
本發明的一種駐波電子直線加速器的電源包括調製器、速調管、固態微波源、大功率四端環形器等。
本發明的加速器中加速腔的鼻錐去掉後，降低了加速腔中徑向電場的強度，從而增強了加速腔中加速場自身的聚焦力，使得加速器對電子束的聚焦效果顯著，電子束能量達到8MeV以上。由於把鼻錐從加速腔中移走，使得加速腔有效加速電子的距離增大，從而縮短了加速器的整體長度。在耦合腔中設置鼻錐，還可以抑制耦合腔中的電磁場，即降低加速腔與其相鄰的耦合腔間的耦合係數，滿足了高能工業CT對X射線源尺寸的要求。
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圖1是本發明一種駐波電子直線加速器的實施例的結構示意圖。
圖2是本發明的實施例的加速管的剖面結構示意圖。
圖3是本發明的實施例的局部剖面結構示意圖。
圖中1、主軸線 2、加速腔 3、耦合腔 5、鼻錐 7、電子束入射孔 8、束流孔 9、電子槍 10、微波耦合器 11、鈦泵 12、恆溫水套 13、鎢靶 15、末腔蓋板 16、過渡圓弧I 17、過渡圓弧II 18、過渡半圓弧具體實施方式
下面結合附圖對發明的一種駐波電子直線加速器作進一步描述。
在圖1中可以看出，本發明的實施例，含有加速管、電子槍9、微波耦合器10、鼻錐5、鈦泵11、恆溫水套12以及與其配套的加速器電源部分和鎢靶13。
圖2為由多個加速腔2和耦合腔3組成的加速管，A1～A11為加速腔，C1～C10為耦合腔，每個耦合腔內設置兩個鼻錐5。
圖3是設置有鼻錐5的一個耦合腔3及其相鄰的一個加速腔2的剖面結構示意圖。
本發明的一種駐波電子直線加速器，包括加速管、電子槍9、微波耦合器10、鼻錐5、鈦泵11、恆溫水套12以及與其配套的加速器電源部分和鎢靶13，第一個加速腔設有電子束入射孔7，加速腔2和耦合腔3的中心由沿主軸線1的電子束流孔8貫通。由11個加速腔2和10個耦合腔3組成一加速管，加速腔2和耦合腔3沿著加速管的主軸線1交替排列，即每一個加速腔2旁邊各一個耦合腔3，而每一個耦合腔3旁邊各有一個加速腔2；加速管的第一個腔為加速腔2，末腔(即第11個加速腔)亦為加速腔2，各腔通過焊接緊密連接。加速管中各腔束流孔8的孔徑相同，第一個加速腔電子束入射孔7的孔徑大於束流孔8徑的孔徑；在加速管中的10個耦合腔3的前後兩個端面上，分別設置兩個位於耦合腔3中束流孔8的外緣的鼻錐5，鼻錐5為一圓柱形，鼻錐5的孔徑與束流孔8的孔徑相匹配，鼻錐5與耦合腔3端面以90度的過渡圓弧II 17連接，鼻錐5的頭部為過渡半圓弧18；耦合腔3的鼻錐5和與其相鄰的加速腔2前後端面以90度的過渡圓弧I 16連接；第一個加速腔2和與其相鄰的第一個耦合腔3均較其它加速腔2和耦合腔3的長度小；本加速器的第一個加速腔2還通過焊接與電子槍9連接；加速器的末腔(即第11個加速腔)與末腔蓋板15連接，末腔蓋板15中心即為加速器束流出口，束流出口處設置有鎢靶13；加速器中第6個加速腔2與微波耦合器10連接，並通過微波耦合器10與設在外部的電源部分的四端環形器相連。鈦泵11設置在微波耦合器10中陶瓷窗與加速管之間，鈦泵11與微波耦合器10通過焊接相連接；恆溫水套12包裹於整個加速管的周圍。
本發明的一種駐波電子直線加速器的電源包括調製器、速調管、固態微波源、大功率四端環形器等。速調管產生微波，微波經四端環形器潰入加速器，加速器因此建立電磁場，以加速電子，電子經過加速後與鎢靶相互作用產生X射線。
本發明的加速器與美國瓦裡安公司生產的高能ICT用加速器主要參數對比參見表1，該公司生產的加速器是邊耦合駐波直線加速器。
表1本發明的加速器與美國Varian公司Linatron 3000A加速器主參數對比
本發明的加速器與清華大學研製的高能CT用加速器主要參數的對比參見表2。
表2本發明的加速器與清華大學的加速器主要參數的對比
權利要求
1.一種駐波電子直線加速器，包括在主軸線(1)上對稱排列的多個加速腔(2)和耦合腔(3)，還包括電子槍(9)、微波耦合器(10)、鼻錐(5)及鎢靶(13)；第一個加速腔設有電子束入射孔(7)；加速腔(2)和耦合腔(3)的中心由沿主軸線(1)的電子束流孔(8)相貫通；其特徵在於在每個耦合腔(3)內設置鼻錐(5)，鼻錐(5)位於耦合腔(3)的束流孔(8)的外緣，並與加速器主軸線(1)對稱。
2.根據權利要求1所述的一種駐波電子直線加速器，其特徵在於每個耦合腔(3)內設置兩個鼻錐(5)，分別位於耦合腔(3)的前後端面上。
3.根據權利要求1或2所述的一種駐波電子直線加速器，其特徵在於耦合腔(3)中的鼻錐(5)為一圓柱形鼻錐(5)，鼻錐(5)的孔徑與束流孔(8)的孔徑相匹配，鼻錐(5)與耦合腔(3)端面以90度的過渡圓弧II(17)連接，鼻錐(5)頭部為過渡半圓弧(18)。
4.根據權利要求1或2所述的一種駐波電子直線加速器，其特徵在於耦合腔(3)的鼻錐(5)和與其相鄰的加速腔前後端面以90度的過渡圓弧I(16)連接。
5.根據權利要求1所述的一種駐波電子直線加速器，其特徵在於第一個加速腔電子束入射孔(7)的孔徑大於束流孔(8)的孔徑。
全文摘要
本發明提供了一種駐波電子直線加速器，包括加速腔、耦合腔、電子槍、微波耦合器、鼻錐、鈦泵、恆溫水套及鎢靶。本發明的特點是將鼻錐從加速腔中取消而設置在耦合腔中，每個耦合腔設置兩個鼻錐，分別位於耦合腔的前後端面上，鼻錐為圓柱形，鼻錐頭部為半圓弧；本發明的加速器降低了加速腔中徑向電場強度，增加了加速腔中電場自身的聚焦力，而顯著減小加速器出口處電子束的橫向尺寸，同時使電子束達到一定的能量和強度，既能滿足高能工業CT成像對X射線源的要求，又縮短了加速器的整體長度，且輸出劑量率大。
文檔編號H05H9/04GK1482844SQ03135490
公開日2004年3月17日 申請日期2003年7月26日 優先權日2003年7月26日
發明者許州, 楊興繁, 金曉, 黎明, 陳浩, 盧和平, 許 州 申請人:中國工程物理研究院應用電子學研究所