專利名稱：一種駐波電子直線加速器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于線性加速器領(lǐng)域，具體涉及一種駐波電子直線加速器。
2.背景技術(shù)計算機斷層掃描(Computerized Tomography簡稱CT)技術(shù)是核技術(shù)中發(fā)展較快的一個重要領(lǐng)域，是核物理、電子學(xué)、精密機械以及計算機技術(shù)等多學(xué)科相結(jié)合的產(chǎn)物。工業(yè)CT(ICT)則是CT技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)檢測中的應(yīng)用，而且正進入工業(yè)生產(chǎn)過程控制領(lǐng)域，是目前快速發(fā)展的一項高新技術(shù)。高能工業(yè)CT是指系統(tǒng)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(chǎn)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(yè)CT系統(tǒng)的基礎(chǔ)。要產(chǎn)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(chǎn)生高能X射線。為了保證CT成像的空間分辨率，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(chǎn)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)由于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(guān)系可得出ΔG＝Mφ。M是成像系統(tǒng)的幾何放大倍數(shù)，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)，就能獲得越高的分辨率。對于低能X射線源，其尺寸在亞毫米甚至微米量級。通過加速器產(chǎn)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(tǒng)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?？傊疁p小電子束的橫向尺寸即可減小X射線源的尺寸，這是提高成像分辨率的主要措施之一。
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，盡量大的束流強度，即要求打靶產(chǎn)生的X射線照射量和能譜滿足CT成像的要求。
加速器產(chǎn)生這樣的電子束有兩種途徑一是在現(xiàn)有加速器的基礎(chǔ)上外加束流聚焦系統(tǒng)。二是為高能工業(yè)CT系統(tǒng)設(shè)計新型加速器，最好不外加聚焦系統(tǒng)，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(xué)設(shè)計了16MeV返波型直線加速器，采用外聚焦系統(tǒng)使加速器出口處的束流保持小束斑。
設(shè)計高能工業(yè)CT用加速器的關(guān)鍵技術(shù)就在于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(jié)構(gòu)包括有加速管和鼻錐。
1980年清華大學(xué)馮嘉年在其碩士學(xué)位論文“軸耦合駐波加速結(jié)構(gòu)的物理設(shè)計”中，論述了一種駐波加速器的結(jié)構(gòu)，其鼻錐設(shè)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(fā)表的“返波型行波電子直線加速結(jié)構(gòu)的理論研究”的文章中，也記載了鼻錐設(shè)計在加速管的加速腔中的結(jié)構(gòu)，該加速器用于工業(yè)CT成像。在以上現(xiàn)有技術(shù)中，鼻錐都設(shè)在加速腔中，且鼻錐有一定傾角。
在加速腔中設(shè)置了鼻錐，不利于電子束聚焦；由于存在鼻錐結(jié)構(gòu)，加速腔中的電場強度不能設(shè)計的很大，否則容易產(chǎn)生擊穿；加速腔中有鼻錐結(jié)構(gòu)，機械加工困難。
這種結(jié)構(gòu)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(yè)CT成像對X射線源的要求。
3.發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種駐波電子直線加速器，本發(fā)明的一種駐波電子直線加速器不需加外聚焦系統(tǒng)，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(yè)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(fā)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、恒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(shè)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(shù)的加速器中加速腔和耦合腔的結(jié)構(gòu)，取消了已有技術(shù)的加速腔中設(shè)置的鼻錐，在耦合腔中增設(shè)了鼻錐，鼻錐位于耦合腔束流孔的外緣，并與加速器主軸線對稱。每個耦合腔內(nèi)設(shè)置兩個鼻錐，分別位于耦合腔的前后端面上。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后端面以90度圓弧連接。第一個加速腔電子束入射孔尺寸大于束流孔尺寸。
本發(fā)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(即最后一個腔)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(shè)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(shè)在外部的電源部分的四端環(huán)形器連接；鈦泵設(shè)在微波耦合器與加速管之間；恒溫水套包裹于加速管的周圍，使加速管在工作時溫度保持穩(wěn)定。
本發(fā)明的一種駐波電子直線加速器的電源包括調(diào)制器、速調(diào)管、固態(tài)微波源、大功率四端環(huán)形器等。
本發(fā)明的加速器中加速腔的鼻錐去掉后，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。由于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(shè)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系數(shù)，滿足了高能工業(yè)CT對X射線源尺寸的要求。
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圖1是本發(fā)明一種駐波電子直線加速器的實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的實施例的加速管的剖面結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明的實施例的局部剖面結(jié)構(gòu)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、恒溫水套 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(jié)合附圖對發(fā)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(fā)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、恒溫水套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(nèi)設(shè)置兩個鼻錐5。
圖3是設(shè)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(jié)構(gòu)示意圖。
本發(fā)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、恒溫水套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(shè)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的孔徑大于束流孔8徑的孔徑；在加速管中的10個耦合腔3的前后兩個端面上，分別設(shè)置兩個位于耦合腔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前后端面以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??；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(shè)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，并通過微波耦合器10與設(shè)在外部的電源部分的四端環(huán)形器相連。鈦泵11設(shè)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；恒溫水套12包裹于整個加速管的周圍。
本發(fā)明的一種駐波電子直線加速器的電源包括調(diào)制器、速調(diào)管、固態(tài)微波源、大功率四端環(huán)形器等。速調(diào)管產(chǎn)生微波，微波經(jīng)四端環(huán)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(jīng)過加速后與鎢靶相互作用產(chǎn)生X射線。
本發(fā)明的加速器與美國瓦里安公司生產(chǎn)的高能ICT用加速器主要參數(shù)對比參見表1，該公司生產(chǎn)的加速器是邊耦合駐波直線加速器。
表1本發(fā)明的加速器與美國Varian公司Linatron 3000A加速器主參數(shù)對比
本發(fā)明的加速器與清華大學(xué)研制的高能CT用加速器主要參數(shù)的對比參見表2。
表2本發(fā)明的加速器與清華大學(xué)的加速器主要參數(shù)的對比
權(quán)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(shè)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；其特征在于在每個耦合腔(3)內(nèi)設(shè)置鼻錐(5)，鼻錐(5)位于耦合腔(3)的束流孔(8)的外緣，并與加速器主軸線(1)對稱。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種駐波電子直線加速器，其特征在于每個耦合腔(3)內(nèi)設(shè)置兩個鼻錐(5)，分別位于耦合腔(3)的前后端面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種駐波電子直線加速器，其特征在于耦合腔(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(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種駐波電子直線加速器，其特征在于耦合腔(3)的鼻錐(5)和與其相鄰的加速腔前后端面以90度的過渡圓弧I(16)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種駐波電子直線加速器，其特征在于第一個加速腔電子束入射孔(7)的孔徑大于束流孔(8)的孔徑。
全文摘要
本發(fā)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、恒溫水套及鎢靶。本發(fā)明的特點是將鼻錐從加速腔中取消而設(shè)置在耦合腔中，每個耦合腔設(shè)置兩個鼻錐，分別位于耦合腔的前后端面上，鼻錐為圓柱形，鼻錐頭部為半圓?。槐景l(fā)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(yè)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(yōu)先權(quán)日2003年7月26日
發(fā)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(yīng)用電子學(xué)研究所