專利名稱：多能倍頻粒子加速器及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速器技術(shù)，尤其涉及一種結(jié)構(gòu)簡單且提高了工作速 度的多能倍頻粒子加速器，及其方法。
背景技術(shù)：
電子加速器廣泛應(yīng)用于工業(yè)無損檢測、海關(guān)集裝箱檢測、放射醫(yī) 學(xué)及電子束輻照等領(lǐng)域。例如，用于檢査鍋爐、發(fā)動機(jī)、機(jī)械臂架、導(dǎo)彈等有無缺陷的高能CT設(shè)備，己經(jīng)被用來對機(jī)場、海關(guān)、公共場 所的行李、包裹、集裝箱進(jìn)行檢查，它可以査驗出包括槍支、刀具、 炸藥、毒品、大規(guī)模殺傷性武器等違禁物品，以及與報關(guān)單不符的各 種走私品。典型的輻射檢査系統(tǒng)由射線源、探測器、成像設(shè)備組成。 待檢測物品從射線源和探測器之間通過，射線源產(chǎn)生的輻射線，如X 射線、Y射線和中子，從物品中透射過后被探測器探測和測量，射線 穿透物品的過程中，其強(qiáng)度受到削弱，削弱程度與物品的材料和密度 有關(guān)。因此，探測器測量到的射線強(qiáng)度是所測物品的材料和密度的函 數(shù)。成像設(shè)備通過對探測器測量結(jié)果進(jìn)行處理分析，最后得出反映物 品形狀、大小、密度的圖像。此外，電子加速器也廣泛應(yīng)用于放射醫(yī)學(xué)和輻照技術(shù)領(lǐng)域，如腫 瘤治療、輻照消毒、輻照殺菌、輻照檢疫、輻照降解、輻照交鏈、輻 照改性等。輻照領(lǐng)域?qū)铀倨鞯闹饕夹g(shù)指標(biāo)是輻照處理能力，即電 子束能量和束流功率。電子束的能量決定了輻照處理的深度，電子束 能量越高可以輻照處理的深度越大，也即電子束能量越高可以照透體 積(深度)越大的物體對象。束流功率決定了輻照處理速度的大小， 即同一時間內(nèi)，束流功率越大，可以輻照處理的物品數(shù)量就越多。雙能或多能電子加速器系統(tǒng)是指一臺可輸出兩種或多種能量的電
子束流的電子加速器系統(tǒng)。雙能或多能電子加速器系統(tǒng)與傳統(tǒng)的單能 電子加速器系統(tǒng)相比，不只是單機(jī)能量的多樣化，更大的技術(shù)優(yōu)勢在 于它結(jié)合新一代探測器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)圖像處理系統(tǒng)等，可實現(xiàn)對不同的 物質(zhì)材料進(jìn)行分辨。在傳統(tǒng)的工業(yè)無損檢測、海關(guān)集裝箱檢測、高能CT等領(lǐng)域應(yīng)用單能加速器系統(tǒng)只能對物質(zhì)的形狀進(jìn)行識別，而應(yīng)用 雙能或多能加速器系統(tǒng)則可以同時對物質(zhì)的形狀和材質(zhì)進(jìn)行識別，從 而能夠有效的査驗出夾帶在跨境運(yùn)輸?shù)拇笮图b箱中的炸藥、毒品、 武器、其它有害物質(zhì)和走私品。因此，雙能或多能加速器系統(tǒng)具有更 加廣闊的應(yīng)用前景。為達(dá)到物質(zhì)識別的目標(biāo)，專利文獻(xiàn)1 (WO 9314419)提出采用這 樣的配置兩臺不同能量的加速器并列工作，對同一物體分別進(jìn)行輻 射掃描成像，對兩個圖像信息進(jìn)行差異比較，以獲得物體的材料信息。 此外，專利文獻(xiàn)2 (WO 2005111590)也提出用兩個加速器從不同的 方向轟擊同一個靶，來實現(xiàn)雙能射線的方案。但是，因為這種配置需 要兩臺加速器和兩套獨(dú)立的探測器系統(tǒng)，所以設(shè)備數(shù)量多，費(fèi)用大， 占地面積大。此外，專利文獻(xiàn)3 (US 2004202272)提出了一種多能粒子束加 速器，它工作在第一模式時，產(chǎn)生具有第一能量的粒子束，工作在第 二模式時，產(chǎn)生具有第二能量的粒子束。通過重復(fù)地將物體插入聚束 段的腔室中或者從聚束段的腔室中取出物體，來改變腔室的形狀，也 就是改變了共振頻率和腔室內(nèi)的電磁場分布，從而輸出具有兩種能量 的粒子束。但是，上述專利文獻(xiàn)3中提出的方案是利用機(jī)械裝置來完成從第 一粒子束到第二粒子束的切換，不能滿足一些應(yīng)用中對毫秒級的切換 速度的要求。所以，需要開發(fā)出一種多能電子加速器，它既能消除雙 加速器配置存在的結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜的問題，又能滿足對操作性能的需求。發(fā)明內(nèi)容鑒于上述問題，完成了本發(fā)明。本發(fā)明的目的是提出一種結(jié)構(gòu)簡 單且提高了工作速度的多能倍頻粒子加速器，及其方法。
在本發(fā)明的一個方面，提出了一種多能倍頻粒子加速器，包括 脈沖功率產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生具有不同功率的N個脈沖信號，其中N 大于等于2; N個微波功率產(chǎn)生單元，在控制信號的控制下，基于所述 N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有不同能量的N個微波；功率混合單元，具有N個入口和一個出口 ，用于分別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所述一個出口輸出所述N個微波；粒子束產(chǎn) 生單元，用于與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及加速單元，利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該加速器還包括設(shè)置在所述功率混合 單元和所述加速單元之間的單個同步單元，用于同步所述加速單元的特征頻率和所述N個微波功率產(chǎn)生單元的每一個的工作頻率。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，該加速器還包括在分別設(shè)置在各個微波功率產(chǎn)生單元和所述功率混合單元之間的N個同步單元，用于分別 同步所述加速單元的特征頻率和所述N個微波功率產(chǎn)生單元的每一個 的工作頻率。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述同步單元包括入射波取樣波導(dǎo)，對從所述功率混合單元的所述一個出口輸出的N個微波的每一個進(jìn)行 采樣，以得到入射波；環(huán)形器，將所述N個微波的每一個送入所述加 速單元，并輸出從所述加速單元反射的相應(yīng)微波；反射波取樣波導(dǎo)， 對反射的相應(yīng)微波進(jìn)行采樣，以得到反射波；自動鎖相穩(wěn)頻裝置，比 較和分析所述入射波和所述反射波，產(chǎn)生用于分別同步所述加速單元 的特征頻率和所述N個微波功率產(chǎn)生單元的每一個的工作頻率的同步 信號；以及吸收負(fù)載，吸收所述環(huán)形器輸出的反射波。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述自動鎖相穩(wěn)頻裝置包括可變衰 減器，用于調(diào)整所述入射波和所述反射波的幅度，輸出入射信號和反 射信號；鑒相器，用于調(diào)整所述入射信號和反射信號的相位，輸出第 一電壓和第二電壓；前置放大器，用于將所述第一電壓和第二電壓的 差值放大，以輸出調(diào)整信號；伺服放大器，用于放大所述調(diào)整信號， 輸出驅(qū)動信號；通道選擇器，在控制信號的控制下，將所述驅(qū)動信號 輸出到相應(yīng)的微波功率產(chǎn)生單元。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述脈沖功率產(chǎn)生單元包括單個脈沖 功率源，它在控制信號的控制下以分時的方式向所述N個微波功率產(chǎn) 生單元提供能量。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述脈沖功率產(chǎn)生單元包括N個脈沖 功率源，它們在控制信號的控制下在不同的時刻分別向所述N個微波 功率產(chǎn)生單元提供能量。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述粒子束產(chǎn)生單元包括產(chǎn)生電子束 的電子槍和為所述電子槍供電的槍電源。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述功率混合單元包括每個均具有兩 個入口和一個出口的N-1個混合環(huán)，其中一個入口與另一入口之間兩 條微波路徑的中心弧長差為導(dǎo)波波長的整數(shù)倍加半個導(dǎo)波波長，所述 一個入口與所述出口之間兩條微波路徑的中心弧長差為導(dǎo)波波長的整 數(shù)倍，所述另一入口與所述出口之間兩條微波路徑的中心弧長差為導(dǎo) 波波長的整數(shù)倍。在本發(fā)明的另一方面，提出了一種多能倍頻粒子加速器，包括脈沖功率產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生具有相同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2; N個微波功率產(chǎn)生單元，在控制信號的控制下，基于所述 N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有相同能量的N個微波；功率混合單元，具有N個入口和一個出口，用于分別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所述一個出口輸出所述N個微波；粒子束產(chǎn) 生單元，用于與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及加速單元，利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。在本發(fā)明的另一方面，提出了一種加速粒子束的方法，包括步驟:產(chǎn)生具有不同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2;在控制信號的控制下，基于所述N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有不同能量的N個微波；利用具有N個入口和一個出口的功率混合單元混合所述N個微波，其中分 別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所述一個出口輸出所述N個微波；與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。在本發(fā)明的又一方面，提出了一種加速粒子束的方法，包括步驟: 產(chǎn)生具有相同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2;在控制信號的 控制下，基于所述N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有相同同能量的N個微波；利用具有N個入口和一個出口的功率混合單元混合所述N個微波，其中 分別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所 述一個出口輸出所述N個微波；與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子 束；以及利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。使用本發(fā)明的多能倍頻粒子加速器在輻射掃描成像領(lǐng)域進(jìn)行物質(zhì) 識別，可以實現(xiàn)只用一臺加速器， 一套探測器系統(tǒng)與成像系統(tǒng)，在一 次掃描過程中獲取不同輻射能量下的物品對象的圖像，快速地實現(xiàn)物 品成像和物質(zhì)識別，從而能夠有效的查驗出夾帶在跨境運(yùn)輸?shù)拇笮图?裝箱中的炸藥、毒品、武器、其它有害物質(zhì)和走私品。同時由于本加 速器工作頻率高，掃描成像速度快，處理效率大大提高。與現(xiàn)有的采 用雙加速器技術(shù)比，設(shè)備數(shù)量大大減少，占地面積小，費(fèi)用低，同時 掃描成像速度快，效率高。本發(fā)明的多能倍頻粒子加速器還可以應(yīng)用于其它輻照領(lǐng)域，如輻 照治療、輻照消毒、輻照殺菌、輻照檢疫、輻照降解、輻照交鏈、輻 照改性等?？梢葬槍Σ煌妮椪諏ο螅x擇不同的輻照能量，從而獲 得更好的輻照處理效果，同時由于采用多個微波功率源，工作頻率倍 增，加速器功率大，輻照處理能力增強(qiáng)。


本發(fā)明的實施例由實例來描述，并不受附圖中的圖的限制，附圖中相似的參考數(shù)字表示對應(yīng)的、類似的或相似的元件，附圖中圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的雙能倍頻電子直線加速器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了如圖1所示的雙能倍頻電子直線加速器的各部分的工 作時序圖；圖3示出了如圖1所示的混合環(huán)的剖面圖；圖4示出了如圖1所示的AFC裝置的結(jié)構(gòu)圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的雙能倍頻電子直線加速器
的變型，其中環(huán)行器安裝在磁控管與混合環(huán)之間；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的多能倍頻電子直線加速器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7示出了如圖6所示的多能倍頻電子直線加速器的各部件的工作時序圖；圖8示出了圖6所示的多能倍頻電子直線加速器工作在單能倍頻 狀態(tài)時各部件的時序圖。
具體實施方式
下面詳細(xì)描述中給出了許多具體細(xì)節(jié)，以確保對本發(fā)明實例的透 徹理解。但是，對于知道本領(lǐng)域基本常識的人，能夠理解沒有這些具體細(xì)節(jié)，本發(fā)明的實施例也能實現(xiàn)。另外，沒有詳細(xì)描述眾所周知的 方法、過程、部件和電路，以避免使本發(fā)明的實現(xiàn)變得不清楚。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的雙能倍頻電子直線加速器 的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，根據(jù)第一實施方式的雙能倍頻電子直線 加速器主要由脈沖功率源1、諸如磁控管的微波功率源2a和2b、功 率混合器3、入射波取樣波導(dǎo)4、環(huán)行器5、反射波取樣波導(dǎo)6，吸收 負(fù)載7、 AFC裝置8、加速管9、電子槍10、電子槍電源11、諸如觸 發(fā)電路的控制裝置12等組成。此外，入射波取樣波導(dǎo)4、環(huán)行器5、 反射波取樣波導(dǎo)6、吸收負(fù)載7、 AFC裝置8構(gòu)成了用于同步加速管 9的特征頻率和微波功率源2a和2b的工作頻率的同步裝置13。圖2示出了圖1所示的雙能倍頻電子直線加速器中各主要部件的 工作時序和產(chǎn)生的電壓、電流、微波功率或電子束能量的相對強(qiáng)度。 參考符號A表示控制裝置12產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖序列，參考符號B表示 脈沖功率源1輸出的一組脈沖電壓，參考符號C表示脈沖功率源1輸 出的另一組脈沖電壓，幅度較脈沖電壓B小，參考符號D表示磁控管 1在脈沖電壓B的作用下產(chǎn)生的微波功率；參考符號E表示磁控管2 在脈沖電壓C的作用下產(chǎn)生的微波功率，幅度較微波功率D小；參考 符號F表示微波功率D和E在功率混合器3中混合之后的輸出；參 考符號G表示電子槍電源11產(chǎn)生的幅度不一的電子槍高壓；參考符
號H表示加速管9中加速電子的兩種能量的大小。如圖1和2所示，控制裝置12以一定的時序A觸發(fā)和控制脈沖 功率源1的動作，脈沖功率源1在第一時刻以一個較大的功率激勵起 磁控管2a工作，使得磁控管2a產(chǎn)生一個具有較大微波功率的輸出， 該微波輸出經(jīng)混合器3、入射波取樣波導(dǎo)4、環(huán)行器5進(jìn)入加速管9?？刂蒲b置12在觸發(fā)脈沖功率源1的同時也觸發(fā)電子槍電源11， 電子槍電源11在第一時刻產(chǎn)生一個幅度較小的槍高壓。電子槍10在 此槍高壓的作用下將較少量的電子送入加速管9，這些較少的電子在 加速管9中被上述較大的微波功率加速，獲得較高的能量。脈沖功率源1在第二時刻以一個較小的功率激勵起磁控管2b工 作，使得磁控管2b產(chǎn)生一個具有較小微波功率的輸出，輸出微波經(jīng) 混合器3、入射波取樣波導(dǎo)4、環(huán)行器5進(jìn)入加速管9?？刂蒲b置12在觸發(fā)脈沖功率源1的同時也觸發(fā)電子槍電源11， 電子槍電源11在第二時刻產(chǎn)生一個幅度較大的槍高壓，電子槍10在 此槍高壓的作用下將較大量的電子送入加速管9，這些較大量的電子 在加速管9中被較小的微波功率加速，獲得較低的能量。加速器以上述第一時刻和第二時刻的工作狀態(tài)為一個周期，在后 續(xù)的每兩個時刻反復(fù)進(jìn)行如上相同的動作，就獲得了能量高低交替的 電子束。加速管9反射的未消耗微波功率經(jīng)環(huán)行器5和反射波取樣波 導(dǎo)6進(jìn)入吸收負(fù)載7并被吸收負(fù)載7完全吸收。AFC裝置8分別從入 射波取樣波導(dǎo)4和反射波取樣波導(dǎo)6中獲取入射波和反射波的信息， 對這些信息進(jìn)行比較和分析，在控制裝置12的控制下分別調(diào)整磁控 管2a與磁控管2b的工作頻率，使其與加速管9的諧振頻率匹配，從而保證電子束的有效加速效果。這樣，在一個加速器系統(tǒng)中，利用兩個微波功率源，獲得了兩種 不同能量的電子束，且加速的工作頻率是單微波功率源的2倍。在上述根據(jù)第一實施方式的雙能倍頻電子直線加速器系統(tǒng)中，將 磁控管作為微波功率源來產(chǎn)生微波，但是也可以使用速調(diào)管。加速管 9可以是駐波加速管，也可以是行波加速管。此外，如脈沖調(diào)制器的脈沖功率源1可以是一個，也可以是分別 與兩個磁控管2a和2b對應(yīng)的兩個。環(huán)行器5起功率隔離作用，艮P， 磁控管2a和2b產(chǎn)生的微波可以進(jìn)入加速管9，而從加速管9反射回 來的微波功率由于環(huán)行器5的單向隔離作用只能進(jìn)入吸收負(fù)載7，這 能有效防止反射回來的微波影響到磁控管2a和2b。環(huán)形器5可以是 三端環(huán)行器，也可以是四端環(huán)行器。如圖1所示，在三端環(huán)行器5的 情況下，從a口進(jìn)來的微波功率會從b口輸出，從b口進(jìn)來的微波功 率只能從c口輸出，而不會回到a口。圖3是混合環(huán)的剖面示意圖?；旌檄h(huán)3是一種功率合成器，其主 要作用是讓從各個入口在不同時刻入射的微波功率都從同一個出口輸 出?；旌檄h(huán)3的主體結(jié)構(gòu)是一個截面為矩形的圓環(huán)，側(cè)面安裝有按照 一定的波長關(guān)系分布的兩個入口，即入口a，入口b，和一個出口c。 這樣，任意兩個口之間就有兩條可供微波通過的路徑。如果用^， 4， 4。分別表示入口 a和入口 b、入口b和出口c，出口c和入口a之間的圓環(huán)段中心弧線的長度，則它們之間滿足如下關(guān)系<formula>formula see original document page 13</formula> (i)例如，<formula>formula see original document page 13</formula> (2)上面的等式組(1)中n為整數(shù)，；ig為加速器所用微波在波導(dǎo)管中的 導(dǎo)波波長，等式組(1)中的第一個等式表明入口 a與出口 c之間兩 條微波路徑的中心弧長差為整波長，第二個等式表明入口 a與入口 b 之間兩條微波路徑的中心弧長差為整波加一個半波長，第三個等式表 明入口 b與出口 c之間兩條微波路徑的中心弧長差為整波長。這樣，從一個入口進(jìn)來的微波功率，分成兩路傳輸，在出口是兩 路微波正向相加，得到與入口一致的微波功率從出口出去。在另一個
入口是兩路微波負(fù)向相加，功率和為零，這使得微波功率不能從另一個入口出去。因此，從入口a或者入口b進(jìn)到混合環(huán)的微波功率都將原樣地從出口 C傳送出去。圖4是如圖1所示的AFC裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。AFC裝置8包括 可變衰減器13，鑒相器14，前置放大器15，伺服放大器16，通道選 擇器17。入射波IW和反射波RW經(jīng)可變衰減器13進(jìn)行幅度調(diào)整后， 輸出入射信號IS和反射信號RS進(jìn)入鑒相器15進(jìn)行相位調(diào)整與合成， 然后輸出兩路電壓信號VS1和VS2。這兩路電壓信號VS1和VS2在 前置放大器15中進(jìn)行比較并對它們的差值進(jìn)行放大輸出調(diào)整信號 AS1。同樣，針對另一入射波和另一反射波，AFC裝置8產(chǎn)生另一調(diào) 整信號AS2。調(diào)整信號AS1或AS2經(jīng)伺服放大器16進(jìn)一步放大輸出 驅(qū)動信號DS1或DS2。通道選擇器17在控制裝置12送過來的控制信號CS作用下，將 驅(qū)動信號DS1或DS2在不同時刻發(fā)送給不同的磁控管2a或磁控管 2b，對其進(jìn)行頻率調(diào)整，使得磁控管2a和2b的工作頻率總是與加速 管9的特征頻率一致，從而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通道選擇器17 的輸出通道可以在兩個以上，具體的數(shù)目與多能倍頻電子直線加速器 系統(tǒng)中微波功率源的數(shù)目一致。上面以環(huán)形器5安裝在功率合成器與加速管之間為例來說明本發(fā) 明的多能倍頻電子直線加速器的結(jié)構(gòu)和工作過程。但是，環(huán)行器5可 以安裝在在各微波功率源與混合環(huán)之間。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明第一實施方式的雙能倍頻電子直線加速器 的變型，其中環(huán)行器5安裝在磁控管與混合環(huán)之間。在這種安裝模式 中，入射波取樣波導(dǎo)4a和4b、環(huán)行器5a和5b、反射波取樣波導(dǎo)6a 和6b、吸收負(fù)載7a和7b、 AFC裝置8a和8b的數(shù)目與作為微波功 率源的磁控管的數(shù)目相同。在這種配置下，相對與如圖1所示的配置 雖然器件的數(shù)目增加了，系統(tǒng)顯得較為復(fù)雜，但是關(guān)鍵器件例如環(huán)行 器5a和5b和吸收負(fù)載7a和7b在系統(tǒng)中承載的功率較小，只承載單 一微波功率源產(chǎn)生的功率，因此它們在技術(shù)上更容易實現(xiàn)，且小功率 的環(huán)行器和吸收負(fù)載成本也較低。 同樣，入射波取樣波導(dǎo)4a、環(huán)行器5a、反射波取樣波導(dǎo)6a，吸 收負(fù)載7a、 AFC裝置8a構(gòu)成了用于同步加速管9的特征頻率和微波 功率源2a的工作頻率的同步裝置13a。入射波取樣波導(dǎo)4b、環(huán)行器 5b、反射波取樣波導(dǎo)6b，吸收負(fù)載7b、 AFC裝置8b構(gòu)成了用于同 步加速管9的特征頻率和微波功率源2b的工作頻率的同步裝置13b。這種配置下，系統(tǒng)的工作時序和原理與圖1的基本相同，不同之 處在于加速管9反射的未消耗微波功率經(jīng)混合環(huán)3的c口進(jìn)入，從 a 口和b 口分成兩部分出來，分別達(dá)到兩個環(huán)行器5a和5b，再經(jīng)各 自的反射波取樣波導(dǎo)6a和6b進(jìn)入吸收負(fù)載7a和7b并被吸收負(fù)載 7a和7b完全吸收。此外，AFC裝置8a和8b仍然從入射波取樣波導(dǎo)4a和4b以及 反射波取樣波導(dǎo)6a和6b中獲取入射波和反射波的信息，對其進(jìn)行比 較分析，同時在控制裝置12的控制下迸行工作，但是只需要一路輸 出對與其相對應(yīng)的磁控管2a或者2b進(jìn)行頻率調(diào)整。以上描述的根據(jù)本發(fā)明的第一實施方式的雙能倍頻電子直線加速 器的結(jié)構(gòu)和工作過程，但是本發(fā)明也可以采用在脈沖功率源的數(shù)目大 于2的配置。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的多能倍頻電子直線加速器 的結(jié)構(gòu)示意圖，這里的多能倍頻電子直線加速器是由第一實施方式的 雙能倍頻電子直線加速器系統(tǒng)擴(kuò)展得出的。在根據(jù)本發(fā)明第二實施方式的電子直線加速器中，脈沖功率源， 微波功率源，功率合成器都可以按目標(biāo)要求進(jìn)行級聯(lián)增加，工作原理 類似于雙能倍頻電子直線加速器。例如，圖6中示出了n個脈沖功率 源1a、化、 、化，n個磁控管2a、 2b、……、2c， n-1個混合環(huán)3a、 3b、……、3c。此外，控制裝置具有分別與n個脈沖功率源 連接的輸出T1、 T2、……、Tn， n個磁控管分別輸出M1、 M2、……。 Mn，而AFC裝置8具有用來分別控制n個磁控管的n路輸出。替換地，上述的脈沖功率源也可以僅僅使用單個的脈沖功率源1， 在控制裝置的控制下以分時的方式向n個磁控管輸出脈沖功率。圖7是圖6所示多能倍頻電子直線加速器各主要部件的工作時序
和產(chǎn)生的電壓、電流、微波功率或電子束能量的相對強(qiáng)度。同圖2類 似，加速器輸出的不同能量數(shù)目與微波功率源的數(shù)目相同，微波功率 源有多少個，加速器的工作頻率就可以是單微波功率源加速器的多少/立圖8是圖6所示的多能倍頻電子直線加速器工作于單能模式的情 況下的時序圖。在這種模式下，各微波功率源的功率一樣，電子槍電 源的輸出高壓在各個時刻也一樣，加速器輸出單一能量的電子束，但 是這種加速器的電子束功率是單微波功率源加速器的n倍。這種加速 器可應(yīng)用于不需要能量擴(kuò)展，只需要功率擴(kuò)展的情況。雖然以上以電子直線加速器為例說明了本發(fā)明的實施方式，但是 本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該認(rèn)識到本發(fā)明也可以用于對其它的粒子的 加速。以上展示和描述了本發(fā)明的一些特征，在所附的權(quán)利要求范圍內(nèi)， 具備該領(lǐng)域常識的人會發(fā)現(xiàn)本發(fā)明還有很多修改、替換、改變和等同 之處。
權(quán)利要求
1.一種多能倍頻粒子加速器，包括脈沖功率產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生具有不同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2；N個微波功率產(chǎn)生單元，在控制信號的控制下，基于所述N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有不同能量的N個微波；功率混合單元，具有N個入口和一個出口，用于分別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所述一個出口輸出所述N個微波；粒子束產(chǎn)生單元，用于與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及加速單元，利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能倍頻粒子加速器，其特征在于，還 包括設(shè)置在所述功率混合單元和所述加速單元之間的單個同步單元， 用于同步所述加速單元的特征頻率和所述N個微波功率產(chǎn)生單元的每一個的工作頻率。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多能倍頻粒子加速器，其特征在于，還包括在分別設(shè)置在各個微波功率產(chǎn)生單元和所述功率混合單元之間的 N個同步單元，用于分別同步所述加速單元的特征頻率和所述N個微波功率產(chǎn)生單元的每一個的工作頻率。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多能倍頻粒子加速器，其特征在于，所述同步單元包括-入射波取樣波導(dǎo)，對從所述功率混合單元的所述一個出口輸出的 N個微波的每一個進(jìn)行釆樣，以得到入射波；環(huán)形器，將所述N個微波的每一個送入所述加速單元，并輸出從 所述加速單元反射的相應(yīng)微波；反射波取樣波導(dǎo)，對反射的相應(yīng)微波進(jìn)行采樣，以得到反射波；自動鎖相穩(wěn)頻裝置，比較和分析所述入射波和所述反射波，產(chǎn)生用于分別同步所述加速單元的特征頻率和所述N個微波功率產(chǎn)生單元 的每一個的工作頻率的同步信號；以及吸收負(fù)載，吸收所述環(huán)形器輸出的反射波。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多能倍頻粒子加速器，其特征在于，每個同步單元包括入射波取樣波導(dǎo)，對從相應(yīng)的微波功率產(chǎn)生單元輸出的微波進(jìn)行 采樣，以得到入射波；.環(huán)形器，將所述微波送入功率混合單元，并輸出經(jīng)由所述功率混合單元從所述加速單元反射的微波；反射波取樣波導(dǎo)，對反射的微波進(jìn)行采樣，以得到反射波； 自動鎖相穩(wěn)頻裝置，比較和分析所述入射波和所述反射波，產(chǎn)生用于分別同步所述加速單元的特征頻率和相應(yīng)的微波功率產(chǎn)生單元的工作頻率的同步信號；吸收負(fù)載，吸收所述環(huán)形器輸出的反射波。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的多能倍頻粒子加速器，其特征在于，所述自動鎖相穩(wěn)頻裝置包括-可變衰減器，用于調(diào)整所述入射波和所述反射波的幅度，輸出入 射信號和反射信號；鑒相器，用于調(diào)整所述入射信號和反射信號的相位，輸出第一電 壓和第二電壓；前置放大器，用于將所述第一電壓和第二電壓的差值放大，以輸 出調(diào)整信號；伺服放大器，用于放大所述調(diào)整信號，輸出驅(qū)動信號； 通道選擇器，在控制信號的控制下，將所述驅(qū)動信號輸出到相應(yīng)的微波功率產(chǎn)生單元。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1 3之一所述的多能倍頻粒子加速器，其特征在于，所述脈沖功率產(chǎn)生單元包括單個脈沖功率源，它在控制信號的 控制下以分時的方式向所述N個微波功率產(chǎn)生單元提供能量。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1 3之一所述的多能倍頻粒子加速器，其特征 在于，所述脈沖功率產(chǎn)生單元包括N個脈沖功率源，它們在控制信號 的控制下在不同的時刻分別向所述N個微波功率產(chǎn)生單元提供能量。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1 3之一所述的多能倍頻粒子加速器，其特征 在于，所述粒子束產(chǎn)生單元包括產(chǎn)生電子束的電子槍和為所述電子槍 供電的槍電源。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1 3之一所述的多能倍頻粒子加速器，其特征 在于，所述功率混合單元包括每個均具有兩個入口和一個出口的N-1 個混合環(huán)，其中一個入口與另一入口之間兩條微波路徑的中心弧長差 為導(dǎo)波波長的整數(shù)倍加半個導(dǎo)波波長，所述一個入口與所述出口之間 兩條微波路徑的中心弧長差為導(dǎo)波波長的整數(shù)倍，所述另一入口與所 述出口之間兩條微波路徑的中心弧長差為導(dǎo)波波長的整數(shù)倍。
11. 一種多能倍頻粒子加速器，包括脈沖功率產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生具有相同功率的N個脈沖信號，其 中N大于等于2;N個微波功率產(chǎn)生單元，在控制信號的控制下，基于所述N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有相同能量的N個微波；功率混合單元，具有N個入口和一個出口，用于分別從所述N個 入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所述一個出口輸出所述N個微波；粒子束產(chǎn)生單元，用于與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及加速單元，利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。
12. —種加速粒子束的方法，包括步驟產(chǎn)生具有不同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2; 在控制信號的控制下，基于所述N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有不同 能量的N個微波利用具有N個入口和一個出口的功率混合單元混合所述N個微 波，其中分別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微 波，從所述一個出口輸出所述N個微波；與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。
13. —種加速粒子束的方法，包括步驟 產(chǎn)生具有相同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2;在控制信號的控制下，基于所述N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有相同同能量的N個微波；利用具有N個入口和一個出口的功率混合單元混合所述N個微 波，其中分別從所述N個入口的各個入口輸入所述N個微波中相應(yīng)的微波，從所述一個出口輸出所述N個微波；與所述N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及利用所述N個微波分別加速所述N個粒子束。
全文摘要
公開了一種多能倍頻粒子加速器及其方法，以解決現(xiàn)有加速器能量單一、束流功率和工作頻率受單一功率源限制的缺點。該加速器包括脈沖功率產(chǎn)生單元，用于產(chǎn)生具有不同功率的N個脈沖信號，其中N大于等于2；N個微波功率產(chǎn)生單元，在控制信號的控制下，基于N個脈沖信號分別產(chǎn)生具有不同能量的N個微波；功率混合單元，具有N個入口和一個出口，用于分別從N個入口的各個入口輸入N個微波中相應(yīng)的微波，從一個出口輸出所述N個微波；粒子束產(chǎn)生單元，用于與N個微波同步地產(chǎn)生N個粒子束；以及加速單元，利用N個微波分別加速N個粒子束。使用本發(fā)明的多能倍頻粒子加速器，由于其交替輸出多種能量的粒子束，且工作頻率高，功率可倍增，在輻射成像、放射醫(yī)學(xué)及輻照加工領(lǐng)域具有更強(qiáng)的應(yīng)用前景。
文檔編號H05H15/00GK101163372SQ20061011364
公開日2008年4月16日 申請日期2006年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月11日
發(fā)明者劉晉升, 劉耀紅, 唐傳祥, 唐華平, 李元景, 胡海峰, 陳志強(qiáng), 陳懷璧, 高建軍 申請人:清華大學(xué);同方威視技術(shù)股份有限公司