本發(fā)明大體涉及用于加速射頻(rf)腔中的帶電粒子的裝置和方法。在本發(fā)明的實施例中，可以使用射頻(rf)腔裝置來加速用于包括產(chǎn)生x射線和太赫茲輻射的各種應用的電子。

背景技術(shù)：

加速粒子(例如產(chǎn)生x射線的電子)的常規(guī)方法使用直線粒子加速器將粒子加速到幾kev或幾mev的能量。在典型的電子加速器中，常規(guī)的噴射器發(fā)出朝向目標(相互作用點)加速的電子束，其中，不同光譜的電磁輻射通過不同的裝置產(chǎn)生。之后，將電子束轉(zhuǎn)儲在經(jīng)由軔致輻射撞擊時產(chǎn)生x射線輻射的收集器上。能量為0.12至12kev、波長為10至0.1nm的軟x射線可以以此方式在相互作用點或收集器處產(chǎn)生。近年來，諸如斯坦福直線加速器中心(slac)等直線加速器通常在電子束穿過包含分段rf腔的加速結(jié)構(gòu)時，通過使用射頻(rf)場來逐漸加速電子束來實現(xiàn)約3gev的電子能量。此些高能量電子束可以在使用同步的電場和磁場的存儲環(huán)中循環(huán)，并且例如用于提供包括x射線的同步加速器輻射源。這些極其亮(即高通量)的x射線可用于研究分子結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生許多生物醫(yī)學應用，諸如蛋白質(zhì)晶體學。

雖然光源(如，slac的光源和英國的鉆石光源(diamondlightsource))可以為研究人員提供非常硬和明亮的x射線進行實驗研究，但是此些設(shè)施非常大、運行成本高并且不容易對每個人都可用。鉆石光源位于周長738米、占地面積超過4.33萬平方米的環(huán)形建筑中。盡管來自同步加速器源的x射線可比例如由用于正常醫(yī)學成像的陰極射線管所產(chǎn)生的x射線亮度高十億倍，但是同步加速器源僅將電子能量的一小部分轉(zhuǎn)換為輻射。此外，自然同步加速器光不是單色的，并且其應用至例如相位對比成像可能需要使用復雜的插入裝置和其他技術(shù)。通常需要可以在更容易接近的規(guī)模上滿足學術(shù)和行業(yè)需求的替代x射線源和粒子加速器。

同步加速器光源的一種替代方案是基于直線加速器(直線加速器linac)的相干光源，諸如slac的直線加速器相干光源(lcls)。該設(shè)施將直線粒子加速器與自由電子激光器(fel)耦合以產(chǎn)生強烈的x射線。在自由電子激光器中，電子束本身用作激光介質(zhì)。來自直線加速器的電子束被注入到波蕩器或“擺動器(wiggler)”——布置有沿光束相互作用路徑的交替極點的磁體陣列，以使電子束橫向輕微擺動，并以x射線形式激勵相干電磁輻射的發(fā)射。fel輻射為單色和極其亮的——自放大自發(fā)發(fā)射的過程提取比同步加速器輻射大得多的電子能量。事實上，felx射線源可能比同步加速器光源亮度大好多數(shù)量級。

一些研究人員通過在電子束通過擺動器之后減速電子束，結(jié)合自由電子激光器來演示能量回收。英國達斯伯里(daresbury)實驗室的alice加速器將能量回收直線加速器與產(chǎn)生中紅外范圍內(nèi)光的自由電子激光器的波蕩器相耦接。在此提議中，當rf相位與初始加速相位完全相反時，廢(spent)電子束經(jīng)由額外的光束路徑被返回到主直線加速器的入口，使得光束被減速并且能量可以被回收回到直線加速器rf腔內(nèi)的電磁場。這種能量回收技術(shù)需要精確地調(diào)節(jié)電子束路徑長度，該調(diào)節(jié)通過移動整個光束路徑的弧度來實現(xiàn)。

盡管加速器(諸如slac的lcls和達斯伯里實驗室的alice)已經(jīng)證明了fel作為光源的潛力，但存在幾個缺點。此些設(shè)施極其大——例如，slac的基于直線加速器的lcls總共超過3km長，其包括600m的直線加速器、230m的電子束傳送通道、170m的波蕩器和超過300m的將x射線傳送至實驗大廳的通道。這種機器總體的十億美元規(guī)模的成本和龐大的規(guī)模意味著它們只能以國家級建設(shè)。較小的研究機構(gòu)仍然需要獲得自己的加速器和較小規(guī)模的太赫茲輻射或x射線源。

麻省理工學院的研究人員最近提出了基于自由電子激光器原理的替代x射線源，其可能比lcls或其他光源更小。當電子束與例如來自激光束的光子碰撞時，這種替代技術(shù)使用反康普頓散射來產(chǎn)生x射線。us7391850描述了這種實驗室規(guī)模的x射線源。

wo2012/061051描述了利用能量回收來提高x射線產(chǎn)生效率的x射線產(chǎn)生裝置。該裝置通過使用第一rf腔布置加速電子束并然后使電子與光子相互作用來產(chǎn)生x射線，以經(jīng)由反康普頓散射產(chǎn)生x射線。在與光子相互作用之后，電子在第二rf腔布置中減速。第一和第二rf腔布置通過rf能量傳輸裝置連接，其經(jīng)布置以在減速電子通過第二腔布置時從該減速電子中回收rf能量，并然后將所回收的rf能量轉(zhuǎn)移至第一腔布置。因此，該裝置提供了對現(xiàn)有x射線產(chǎn)生方法的改進，因為rf能量的回收提高了x射線產(chǎn)生的效率。

仍然需要能夠有效地產(chǎn)生高能量和高通量x射線或其他輻射的緊湊型光源，以用于廣泛的實驗，特別是擴展可以使用這種緊湊型光源進行的實驗的范圍。此外，仍然需要更加普遍地受益于使用能量回收并可實現(xiàn)高工作電流的緊湊型粒子加速器。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了用于加速帶電粒子的射頻(rf)腔裝置，其包括第一和第二腔臂，第一和第二腔臂具有相應的第一和第二旋轉(zhuǎn)對稱軸，以及每個腔臂包括至少一個單元，其中，第一和第二腔臂通過諧振耦合器連接，其中，第一腔臂的一個或更多個單元具有等于第二腔臂的一個或更多個單元的對應軸向尺寸參數(shù)的軸向尺寸參數(shù)，并且其中，所述第一腔臂的一個或更多個單元具有與第二腔臂的一個或更多個單元的一個或更多個對應非軸向尺寸參數(shù)不同的至少一個非軸向尺寸參數(shù)。

本申請人已經(jīng)意識到，在第一腔臂和第二腔臂的單元之間具有不同的至少一個非軸向尺寸參數(shù)產(chǎn)生腔臂的邊界條件的差異，并因此產(chǎn)生每個腔臂的一個或更多個單元的更高階諧振模式譜的差異。同時，使第一和第二腔臂的單元具有相同的軸向參數(shù)導致第一和第二腔臂共享基本模式。本申請人已經(jīng)意識到，具有共享的基本模式但是不同的高階模式有利地提高了帶電粒子(例如電子)束的穩(wěn)定性，其當諧振耦合器連接在兩個腔臂之間時沿著腔臂的軸線被加速或減速，從而確保相同頻率的本征模式的諧振耦合。這將在下面進一步解釋。

在雙臂腔裝置中，其中，每個臂的單元是相同的，每個臂的單元不僅共享相同的基本模式，而且共享相同的高階模式?；灸Ｊ降碾妶鐾ǔＴ趩卧妮S線附近最強，并且沿著軸線被引導。相比之下，高階模式(例如偶極子、四極子)可至少部分地橫向于軸線被引導和/或可遠離軸線而不是在軸線上更強。結(jié)果是，在帶電粒子束沿腔臂(“加速臂”)的軸線加速時，高階模式(有時被稱為“寄生模式”)可能導致帶電粒子束在具有橫向于軸線的分量的方向上被加速，從而使帶電粒子束的路徑偏離。如果帶電粒子束被偏離太多，則其可能會散開，即被轉(zhuǎn)儲在單元壁上而不是前進至收集器。

然而，甚至不會導致束散開的小偏離可能有問題。這是因為當帶電粒子束到達其將被減速的另一個腔臂(“減速臂”)時，其路徑將偏離該腔臂的軸線。在帶電粒子未沿著軸線移動時，當帶電粒子減速時，來自帶電粒子的大量能量將轉(zhuǎn)移到高階模式而不是基本模式。因此，由于臂(因此rf模式)被耦合，加速腔臂中的高階模式的電場強度將增加。因此，被加速的后續(xù)帶電粒子束將經(jīng)受來自該高階模式更大的偏轉(zhuǎn)力，從而導致它們的路徑更大地偏離軸線。這可以產(chǎn)生反饋機制，其中，在偏轉(zhuǎn)束將能量饋送為高階模式時，后續(xù)束的偏轉(zhuǎn)變得越來越大。以此方式，高階模式可致使帶電粒子束散開。

根據(jù)本發(fā)明，第一腔臂和第二腔臂的單元的邊界條件的差異使每個腔臂產(chǎn)生不同的高階模式譜。因此，諧振耦合器可以以共同的諧振頻率強力地耦合臂，而以不是由兩個臂共享的諧振頻率下的耦合可能是小的，例如忽略不計。因此，如果加速腔臂(例如，第一腔臂)中的帶電粒子束稍微偏離高階模式，并且隨后在減速腔臂(例如，第二腔臂)中將能量饋送至高階模式，這將不會產(chǎn)生例如與高階模式的聚積相關(guān)聯(lián)的反饋機制。這是因為獲得能量的減速腔臂的高階模式在加速腔臂中未被耦合(或僅僅非常弱耦合)至對應的高階模式。

諧振耦合器可為可以在臂之間共享或回收射頻能量的任何合適的結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，諧振耦合器僅強耦合具有相同或重疊頻率的模式。

在對稱腔裝置中，更大的帶電粒子束將產(chǎn)生更大量的被饋送到減速腔臂的一個或更多個高階模式中的能量，從而增加反饋機制的效果。因此，在不引起足夠的反饋以使帶電粒子束散開的情況下，可以加速多少電荷受到限制。這被稱為“束散開”的不穩(wěn)定性。例如，在使用腔的情況下，作為輻射源，帶電粒子束的散開將致使該源停止起作用。因此，寄生模式限制了此源的工作電流，并因此限制了所產(chǎn)生的x射線束或其他輻射的亮度。

在本腔裝置中去除或抑制該反饋機制允許加速更大的帶電粒子束，并因此使用更高的工作電流。

這具有對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員將是顯而易見的許多益處，例如，允許使用相對較小規(guī)模的x射線發(fā)生器進行需要非常亮的x射線束的實驗，而否則可能需要使用大的規(guī)模設(shè)施，諸如slac或鉆石光源。還應理解，在使用粒子加速器作為輻射源或其他方面的許多其他應用中，較高的工作電流是有益的。

如上所述，本發(fā)明提供了第一腔臂的一個或更多個單元具有等于第二腔臂的一個或更多個單元的對應軸向尺寸參數(shù)的軸向尺寸參數(shù)。在本領(lǐng)域中已知的是，射頻腔的尺寸參數(shù)將確定由腔支持的基本模式和高階模式，即腔的諧振頻率。具體地，基本模式的波長(并因此頻率)將由單元的一個或更多個軸向尺寸確定。因此，在腔裝置的臂中，每個單元將表現(xiàn)為具有某些諧振模式的射頻腔，以及基本模式的波長并因此其頻率將由每個單元的軸向尺寸參數(shù)確定。由于第一腔臂的一個或更多個單元各自具有等于第二腔臂的一個或更多個單元的對應參數(shù)的軸向尺寸參數(shù)，所以第一和第二腔臂的單元將支持相同的基本模式。這可被稱為rf腔裝置的工作模式。

優(yōu)選地，軸向尺寸參數(shù)為每個單元的長度。然而，軸向尺寸參數(shù)可以為影響基本模式的頻率的任何合適參數(shù)。優(yōu)選地，每個單元支持基頻射頻模式，并且優(yōu)選地，基頻射頻模式為加速(或減速)模式。加速(或減速)模式為在使用期間在帶電粒子的傳播區(qū)域中的單元中提供電場的模式，其中，電場被定向為基本上平行于帶電粒子速度。通常，帶電粒子的速度將沿著第一和第二腔臂的對應旋轉(zhuǎn)對稱軸線。此加速/減速模式將促使帶電粒子在第一或第二軸線的方向上加速或減速。應理解，在具有一個加速臂和一個減速臂的腔裝置中，第一腔臂或第二腔臂中的任一者可以是加速臂。

非軸向參數(shù)可以為將在第一和第二腔臂的一個或更多個單元中產(chǎn)生具有不同的高階模式譜的任何合適參數(shù)。作為非限制性示例，非軸向參數(shù)可以是單元的最大寬度或半徑、單元的最小寬度或半徑、單元壁的曲率，例如半徑在軸向方向上的變化差異或任何其他合適的尺寸參數(shù)。在一些實施例中，可能只有一個非軸向尺寸參數(shù)，其在第一和第二腔臂的一個或更多個單元之間是不同的。在其他實施例中，可能存在多于一個，例如兩個、三個、四個或更多個非軸向尺寸參數(shù)，其在第一和第二腔臂的一個或更多個單元之間是不同的。

在一個優(yōu)選實施例中，不同的非軸向尺寸參數(shù)為橢圓的主軸線和短軸線中的一個或更多個，其中，橢圓對應于沿著單元的軸向橫截面的腔壁的部分。例如，第一橢圓可對應于在與最大半徑相對應的單元的區(qū)域附近的腔壁的形狀(當在縱向截面中觀看時)，以及第二橢圓可對應于在單元的最小半徑的區(qū)域中的單元壁的形狀(即，在單元的該單元可連接到相鄰單元的最窄部分附近)。

必須選擇腔臂的一個或更多個單元的形狀和尺寸，使得該單元能夠在腔工作的情況下支持所需的諧振模式。腔臂的一個或更多個單元的形狀和尺寸的任何顯著的偏差可能防止腔裝置的工作，即，單元可能變得不能支持駐波模式或者可能不能支持一個或更多個所需的工作模式(例如，基本模式)。第一和第二腔臂的單元的非軸向尺寸參數(shù)之間的差異必須選擇成使得它們不會對腔的工作有害。太大的差異可能會防止腔裝置的工作。相反，該差異必須足夠大以在每個腔臂的一個或更多個單元的寄生模式中產(chǎn)生所需的差異。

因此，可在足夠大以在高階模式譜中產(chǎn)生所需差異的差異和足夠小以便不妨礙腔裝置工作的差異之間取得平衡。在優(yōu)選實施例中，在第一腔臂的一個或更多個單元的非軸向尺寸參數(shù)或非軸向尺寸參數(shù)中的每個和第二腔臂的一個或更多個單元的對應非軸向尺寸參數(shù)之間的差異被表示為前者的百分數(shù)，該差異為小于約5％、小于約3％、小于約1％或小于約0.5％。在第一腔臂和第二腔臂之間多于一個非軸向參數(shù)為不同的情況下，每個參數(shù)的對應差異可為相同的百分數(shù)，但是在優(yōu)選實施例中，每個參數(shù)的對應百分數(shù)差異是不同的。作為非限制性說明性示例，第一腔臂和第二腔臂之間的第一非軸向尺寸參數(shù)的差異可為約2％，而第二非軸向參數(shù)具有1％的差異，而另一參數(shù)可具有0.5％的差異。

該差異可為相對于一個腔臂的常規(guī)最佳構(gòu)造。例如，腔臂中的一者可具有已知的構(gòu)造，即具有本領(lǐng)域已知或通常使用的非軸向參數(shù)值，其中，另一腔臂為該常規(guī)構(gòu)造的偏差。另選地，每個腔臂可為與已知的常規(guī)構(gòu)造的偏差。例如，腔臂的單元的每個非軸向參數(shù)可以高于一個臂的常規(guī)值而低于另一臂的常規(guī)值。

在一些實施例中，第一腔臂和第二腔臂中的每者可包括恰好一個工作單元，其可為除腔臂的耦合單元或端單元之外的單元。然而，在優(yōu)選實施例中，第一腔臂和第二腔臂中的每者包括不止一個工作單元，例如，每個腔臂可包括兩個、三個、四個、五個或更多個工作單元。優(yōu)選地，第一和第二腔臂各自包括相同數(shù)量的工作單元。在優(yōu)選的實施例中，上述討論的軸向和非軸向參數(shù)，包括示例和示例的屬性以及可能的范圍，適用于第一和第二腔臂中的每個工作單元(或一組單元中的每者)，例如，在相同臂中的工作單元可具有彼此相同的非軸向參數(shù)值，但是不同臂中的工作單元可具有不同的值。如上所述，這可反而適用于腔臂的一組單元的每個工作單元。例如，除了端單元和耦合單元之外，腔臂可包括許多工作“中間”單元。例如，在此情況下，第一腔臂的每個中間單元可具有任何給定參數(shù)的相同值，并且類似地，第二腔臂的每個中間單元可具有特定參數(shù)的相同值。

優(yōu)選地，第一和第二腔臂的一個或更多個單元的軸向尺寸參數(shù)值被選擇成使得基本模式在約100mhz至10ghz或約500mhz至5ghz或約1-2.5ghz，例如約1.3ghz的范圍內(nèi)。優(yōu)選地，一個或更多個非軸向尺寸參數(shù)的值被選擇成在第一和第二腔臂的單元的對應高階模式之間實現(xiàn)幾mhz的量級的頻率間隔。

根據(jù)本發(fā)明的實施例的射頻腔裝置具有各種應用、具有對應的構(gòu)造，但是在優(yōu)選實施例中，腔裝置被構(gòu)造成沿腔臂中的一者的軸線加速帶電粒子，并且使帶電粒子束沿另一腔臂的軸線減速。因此，在優(yōu)選實施例中，該裝置包括用于產(chǎn)生帶電粒子束的帶電粒子束發(fā)生器。優(yōu)選地，腔臂中的一者的一個或更多個單元被布置成施加rf電場以加速來自發(fā)生器的帶電粒子束。優(yōu)選地，另一腔臂的單元布置成施加rf電場以使帶電粒子束減速。優(yōu)選地，在第一(或第二)腔臂中減速的帶電粒子束為在第二(或第一)腔臂中加速的相同帶電粒子束。

在帶電粒子束在一個腔臂中被加速以及該帶電粒子束(并且該帶電粒子束可為相同粒子束)隨后在另一腔臂中被減速的實施例中，可以使用諧振耦合器來進行能量回收。例如，根據(jù)需要，第二(或第一)腔臂可將帶電粒子束加速到適當高的能量。例如，帶電粒子可用于與其他粒子或光子或樣品(例如，作為實驗的一部分)相互作用。一旦已使用高能帶電粒子，而不是浪費能量的帶電粒子，該能量可以經(jīng)由該帶電粒子束在第一(或第二)腔臂中的后續(xù)減速來至少部分地回收。優(yōu)選地，諧振耦合器被布置成當減速的帶電粒子束通過第一腔臂時回收該減速帶電粒子束的rf能量并將所回收的rf能量轉(zhuǎn)移至第二腔臂中，或反之亦然。

優(yōu)選地，諧振耦合器包括連接第一腔臂和第二腔臂的一個或更多個rf波導或耦合單元。在第一和第二腔臂包括不止一個單元的實施例中，每個腔臂的單元可被串聯(lián)布置，以及第一腔臂的每個單元可通過對應波導耦合至第二腔臂的對應單元。然而，優(yōu)選地，提供連接到每個腔臂的一端的單個耦合單元。

優(yōu)選地，諧振耦合器被構(gòu)造成強耦合具有相同頻率的本征模式，并弱耦合具有不同頻率的本征模式。

在提供單個耦合單元的情況下，單個耦合單元優(yōu)選為跑道形或橢圓形。耦合單元優(yōu)選地包括用于將該耦合單元連接到第一和第二腔臂中的每者的單元的兩個開口。優(yōu)選地，耦合單元在橫向平分耦合單元的平面中表現(xiàn)出鏡像對稱，除了兩個開口可具有不同尺寸以適應連接到該耦合單元的第一和第二腔臂的單元的不同尺寸。

本申請人已經(jīng)意識到，耦合單元的這種構(gòu)造提供了另外的優(yōu)點，即耦合單元強烈地(即諧振地)耦合兩個腔臂之間的基頻(加速或減速)模式，但是僅弱耦合未由兩個腔臂共享的高階模式。這增強了由腔臂的寄生模式譜的差異提供的優(yōu)點。高階模式的頻率差異提供了對高階模式耦合/反饋的一些抑制/選擇；模式頻率越接近，它們之間的重疊越大，它們將會更強烈地耦合。如果模式分離得很好，則在與很好分離模式相關(guān)聯(lián)的這些頻率下的腔臂之間沒有電磁能的泄漏。耦合單元構(gòu)造進一步抑制高階模式耦合/反饋。

在一些優(yōu)選實施例中，第一和第二腔臂的一個或更多個單元由一個或更多個超導材料形成或涂覆有一個或更多個超導材料。諧振耦合器可包括由一個或更多個超導材料形成或涂覆有一個或更多個超導材料的一個或更多個波導或一個或更多個單元。超導單元和一個或更多個超導波導或一個或更多個耦合單元可整體形成或連接在一起。

超導單元可設(shè)置在低溫恒溫器中。一個或更多個超導波導或一個或更多個耦合單元也可設(shè)置在低溫恒溫器中。優(yōu)選地，超導單元和一個或更多個超導波導或一個或更多個耦合單元設(shè)置在相同的低溫恒溫器中。這可有助于使裝置更緊湊。在被設(shè)置的情況下，帶電粒子束發(fā)生器也可設(shè)置在低溫恒溫器中。帶電粒子束發(fā)生器可與一個腔臂的一個或多個超導單元整體形成。

在優(yōu)選實施例中，第一和第二腔臂的軸線基本上平行。每個腔臂優(yōu)選地包括不止一個單元，并且優(yōu)選地，每個臂的單元共享旋轉(zhuǎn)對稱軸。優(yōu)選地，每個單元具有λ/2的軸向單元長度，其中，λ為是加速或減速模式的波長。優(yōu)選地，耦合單元具有垂直于第一和第二腔臂的軸線的縱向軸線。

帶電粒子束可包括下列中的一種或更多種：電子、正電子、質(zhì)子或離子。在優(yōu)選實施例中，帶電粒子束為電子束。在帶電粒子為電子的優(yōu)選實施例中，電子束優(yōu)選包括一束電子。在一些優(yōu)選實施例中，通過相互作用過程從加速電子束中提取能量。

相互作用過程可包括以下中的一個或更多個：使電子束與光子相互作用以通過反康普頓散射產(chǎn)生x射線；使電子束通過波蕩器或施加交變磁場以產(chǎn)生電磁輻射；將電子束引導到目標上以引起發(fā)射和/或熒光；并使電子束與用于電子衍射或顯微鏡的樣品直接相互作用。在各種示例中，電子束可用于產(chǎn)生太赫茲輻射或x射線。

該裝置可包括被布置成使帶電粒子束在第一腔臂和第二腔臂之間基本上轉(zhuǎn)過180°的裝置。這允許在第二腔臂中被加速的粒子束被引導到第一腔臂以進行減速(或反之亦然)，并且在其例如在交互過程中被使用之后，進行能量回收。

該裝置可另外包括光子源。光子源可被布置成在加速帶電粒子束通過一個腔臂之后并進入另一臂之前，在該加速帶電粒子束轉(zhuǎn)過約90°的角度時，提供光子與該帶電粒子束相互作用。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了從帶電粒子束回收能量的方法，包括以下步驟：

產(chǎn)生帶電粒子束；

使帶電粒子束通過射頻(rf)腔裝置的第一腔臂，第一腔臂被布置成施加電場和/或磁場以加速帶電粒子束；

使帶電粒子束通過射頻(rf)腔裝置的第二腔臂，第二腔臂布置成施加電場和/或磁場以使帶電粒子束在其相互作用之后減速；

其中，第一和第二腔臂通過諧振耦合器連接，其中，第一腔臂的一個或更多個單元具有等于第二腔臂的一個或更多個單元的對應軸向尺寸參數(shù)的軸向尺寸參數(shù)，并且其中，第一腔臂的一個或更多個單元具有與第二腔臂的一個或更多個單元的一個或更多個對應非軸向尺寸參數(shù)不同的至少一個非軸向尺寸參數(shù)。

第一方面的rf腔裝置的特征也可應用于第二方面的rf腔裝置。

附圖說明

現(xiàn)在將僅通過示例的方式參考附圖來描述某些優(yōu)選實施例，其中：

圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的腔裝置的橫截面的輪廓。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的腔裝置的橫截面的輪廓。

圖3示出來自圖2的裝置(虛線)的第一腔臂的中間單元的象限的側(cè)視圖，其疊加在第二腔臂(實線)的中間單元的對應象限上。

圖4示出圖2所示裝置的第二腔臂的一側(cè)的輪廓。

圖5示出圖2的實施例的第二腔臂的中間單元的象限的輪廓，該圖示出限定單元輪廓的曲率的第一和第二橢圓。

圖6示出中間至耦合單元的側(cè)視圖，該圖示出限定半單元的輪廓的曲率的第一和第二橢圓。

圖7示出圖6所示的中間至耦合單元的俯視圖。

圖8示出端耦合單元的側(cè)視圖。

圖9示出圖2的腔裝置，其疊加有指示腔的基本模式的電場的強度和方向的向量箭頭。

圖10示出如圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)的腔裝置，其疊加有指示腔的高階模式的電場的強度和方向的向量箭頭。

圖11示出圖2的腔裝置，其疊加有指示圖10所示的高階模式的電場的強度和方向的向量箭頭。

圖12示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的兩個單元設(shè)計的散布圖，其中，該散布圖示出每個單元設(shè)計的基頻和高階模式的路徑帶。

圖13示出圖2的在工作時的腔裝置，其中電子束通過該腔裝置加速并用于通過反康普頓散射產(chǎn)生x射線。

具體實施方式

圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的腔裝置2。腔裝置2包括第一腔臂4和第二腔臂6。第一腔臂4和第二腔臂6具有對應的第一旋轉(zhuǎn)軸線8和第二旋轉(zhuǎn)軸線10。第一腔臂4和第二腔臂6與其各自的軸線8、10并排平行布置。第一腔臂4包括中間單元12和端單元14。類似地，第二腔臂6包括中間單元16和端單元18。第一腔臂4和第二腔臂6通過耦合單元20連接。第一腔臂4的中間單元12具有與第二腔臂6的對應中間單元16相同的形狀和尺寸。類似地，第二腔臂4的端單元14具有與第二腔臂6的端單元18相同的形狀和尺寸。

圖2示出根據(jù)本發(fā)明實施例的腔裝置22。腔裝置22包括第一腔臂24和第二腔臂26。類似于圖1的腔裝置2，第一腔臂24具有旋轉(zhuǎn)對稱軸線28并且包括中間單元32和端單元34。類似地，第二腔臂26具有旋轉(zhuǎn)對稱軸線30并且包括中間單元36和端單元38。第一腔臂24和第二腔臂26通過耦合單元40連接。

與圖1的腔裝置2相反，在圖2的腔裝置22中，第一腔臂24的中間單元32不具有與第二腔臂26的中間單元36相同的形狀和尺寸。類似地，第一腔臂24的端單元34不具有與第二腔臂26的端單元38相同的形狀和尺寸。形狀和尺寸的差異相對較小，但是如圖2所示的虛線框42所示，差異在該臂的最窄點的曲率中最為明顯。

圖3中可見第一腔臂24的中間單元32和第二腔臂26的中間單元36的曲率上的小的差異，該圖示出了第一腔臂24的中間單元32的象限44(虛線)，其被疊加在第二腔臂26的中間單元36的對應象限46(實線)中。這種曲率差異的特征在于許多非軸向尺寸參數(shù)，即限定單元壁部分形狀的主橢圓和次橢圓，如下面參考圖5所述。

圖4示出圖2的第二腔臂26的一側(cè)的輪廓。圖4示出根據(jù)腔臂26的制造將單元分成單元片。腔臂26由多個中間單元片48制成。每個中間單元片48包括圍繞鏡像對稱平面54為對稱的左側(cè)50和右側(cè)52。每個中間單元片的左部分50連接到相鄰中間單元片的右部分52以形成中間單元56。例外情況是中間單元片48a(其與端單元片58相鄰并形成端單元60的一部分)和中間單元片48b(其與中間到耦合部分62相鄰，并且其形成與耦合單元64相鄰的中間單元56a的一部分)。

中間到耦合部分62包括兩個部分：耦合單元片66和中間到耦合單元片68。中間到耦合部分62的耦合單元片66具有如下關(guān)于圖7進一步描述的形狀和尺寸。通過與端耦合單元片70組合，耦合單元片66提供必要的耦合單元形狀，以實現(xiàn)rf能量從第一腔臂24向第二腔臂26的傳輸。在本實施例中，耦合單元具有跑道形狀。下表3給出的耦合單元的尺寸參數(shù)提供了另外的優(yōu)點，即耦合單元強耦合基本模式，但弱耦合高階模式。

圖5示出圖3所示的象限46的橫截面圖的輪廓，其疊加有第一橢圓72和第二橢圓74，第一橢圓72和第二橢圓74限定了單元象限的外部輪廓76的曲率。外部單元輪廓76的曲率根據(jù)第一橢圓72和第二橢圓74的主軸和短軸來指定。第一橢圓72具有短軸a和長軸b。第二橢圓具有短軸a和長軸b。單元象限沿軸向方向(即沿圖2所示的軸線30)的尺寸為l＝λ/4，其中，每個中間單元36的基本模式的波長為λ。中間單元片46在其最寬點處的半徑被指定為req。中間單元片在其最窄點的半徑為riris。

表1

表1示出參數(shù)req、a、b、riris、a、b和l的三組示例值。值的第一列為根據(jù)圖1即現(xiàn)有技術(shù)的對稱腔裝置的中間單元12、16的典型組。該組參數(shù)適用于第一腔臂4和第二腔臂6二者中的中間單元12、16。值的第二列(第一腔臂單元)為圖2的非對稱腔裝置的第一腔臂24的中間單元32的參數(shù)的示例值組。這些值將與第三列(第二腔臂單元)的值組合使用，第三列的值為圖2的第二腔臂24的中間單元36的對應參數(shù)值。

端單元片58和中間到耦合單元片68具有對應于中間單元32的等效參數(shù)的尺寸參數(shù)req、a、b、riris、a、b和l。表2示出圖2的實施例的單元片58和中間到耦合單元片68的參數(shù)值。

表2

圖6和圖7示出圖2的腔裝置22的耦合單元40的耦合單元片66。第一腔臂24設(shè)置有具有相同形狀和尺寸的對應片。圖6示出耦合單元片66的側(cè)剖面的輪廓，該圖示出限定耦合單元片66的形狀的各種參數(shù)。疊加在橫截面輪廓上的第一橢圓78和第二橢圓80限定耦合單元片66的曲率。第一橢圓78具有短軸a和長軸b。第二橢圓80具有短軸a和長軸b。耦合單元片66沿軸向方向(即，腔臂的對稱旋轉(zhuǎn)軸線的方向)的最大尺寸為l＝λ/4，其中，腔臂的單元的基本模式的波長為λ。圓形孔82設(shè)置在耦合單元片66連接到相鄰的中間單元片68的位置。圓形孔82具有半徑riris。

圖7示出耦合單元片66的俯視圖。耦合單元片66成形為在一端84連接到用于第一腔臂24的對應耦合單元片。耦合單元片與端耦合單元片(下面參考圖8所述)組合，從而形成具有跑道形狀的單個耦合單元。耦合單元片66具有從端部84到圓形孔82的中心的距離的尺寸參數(shù)lb。耦合單元片66還具有為耦合單元片66的直線邊85的長度的參數(shù)ls。

圖8中示出對應于耦合單元片66的端耦合單元片70的橫截面。端耦合單元片70還具有由第一橢圓78限定的曲率。它具有相當于耦合單元片66的開口82的開口82a。開口82a的尺寸和形狀由如圖8所示的第三橢圓80a和等效參數(shù)a'、b'和r'iris定義。

耦合單元片66和端耦合單元片70的尺寸參數(shù)的典型值在表3中示出。

表3

圖9示出圖2的腔裝置22，其疊加有向量箭頭86，當在腔裝置中產(chǎn)生電磁駐波時，向量箭頭86指示腔單元的基本模式的電場的大小和方向?；灸Ｊ綄诩铀倌Ｊ交蚬ぷ髂Ｊ?，即用于沿腔臂24、26的軸線加速或減速電子的模式。從圖9可以看出，在每個單元的中心88的電場在軸向方向上。還可以看出，電場的方向與每個單元交替，即單元36-1具有遠離耦合單元40的電場，以及單元36-2具有指向耦合單元40的電場。這是因為每個單元的中心對應于駐波的波腹。當駐波振蕩時，每個單元中的電場方向?qū)⒔惶妫沟妹總€周期改變方向兩次。

當裝置處于工作狀態(tài)時，電子沿每個腔臂的軸線以束的形式以某一速度發(fā)送，使得它們通過每個單元的中心同時在波腹中出現(xiàn)最大值，即，與電場強度最大并且指向電子正在移動的方向的時候(或者電子正在相反的方向減速的地方)一致。從圖9可以看出，第一腔臂的電場的大小基本上等于第二腔臂中的電場的大小，即第一和第二腔臂共享共同的基頻(即加速或操作)模式。

圖10示出圖1的即現(xiàn)有技術(shù)的腔裝置，其中，該腔裝置上疊加有顯示高階模式的電場的向量箭頭。向量箭頭90示出了在每個腔臂的軸線附近的電場低，以及遠離軸線的電場較高。此高階模式對移動通過腔臂的電子束的軌跡的影響將取決于特定模式，例如，無論是單極子、偶極子、四極子還是高階模式。高階模式(或寄生模式)具有干擾電子束的期望軌跡的效果，并且可能導致電子束失去完整性(即，分裂)，特別是在每束中的電荷量更高時的高電流時。這限制了腔的工作電流，并從而限制了可以使用加速電子束產(chǎn)生的x射線(或其他輻射)的亮度。由于每個腔臂的單元具有相等的尺寸參數(shù)，因此每個臂中的高階模式具有相等的大小。

圖11示出根據(jù)圖2的腔裝置22，其上疊加有向量箭頭92。向量箭頭對應于與圖10所示相同的高階模式。然而，第二腔臂26的單元不同于第一腔臂24的第二腔臂的單元，其妨礙高階模式在該頻率建立駐波的相長干涉。因此，高階模式被抑制。結(jié)果是，當?shù)谝磺槐?4中存在高階模式的電場時，在第二腔臂26中沒有看到與該模式相對應的電場。應理解，除了圖11所示的模式之外，還存在其他高階模式，其存在于第二腔臂26中但不存在于第一腔臂24中。類似地，存在存在于第一腔臂24中但不存在于第二腔臂26中的高階模式。

因此，當電子束在一個腔臂，例如第一腔臂24中減速時，如果某些電子的能量被轉(zhuǎn)移到圖11所示的高階模式，則該能量不會轉(zhuǎn)移到另一腔臂，例如第二腔臂26中的對應高階模式。因此，由于能量從減速電子轉(zhuǎn)移到圖11所示的高階模式，在第二腔臂26中電子的偏轉(zhuǎn)不會增加。

因此，隨著寄生模式的干擾明顯減小，電子可以被加速。這允許使用更高的電流而不會引起電子束散開。因此，可以產(chǎn)生更高能量的電子束和更亮的x射線。

圖12示出了示出第一腔臂24(實線)的中間單元和第二腔臂26的中間單元(虛線)的頻率通帶的散布圖。實線對應于中間單元，其具有表1的軸線1單元的參數(shù)。虛線對應于中間單元，其具有表1的軸線2單元的參數(shù)。

散布圖上的每條線表示在無限周期性結(jié)構(gòu)的情況下的特定模式的通帶，即使用忽略具有有限數(shù)量的中間單元的影響的模型。通帶示出頻率范圍，其中，模式能夠以在腔臂中的相鄰單元之間的特定的相位提前傳播。腔臂的相鄰單元之間的相位提前為在散布圖的x軸上所示的量。在y軸上顯示的是以ghz為單位的模式的頻率。

第一腔臂單元的最低頻率實線94和第二腔臂單元的最低頻率虛線96對應于相應腔臂24、26的基本模式(工作或加速模式)。相應腔臂24、26的兩個基本模式94、96顯示出非常小的頻率差異，這表明用于實際目的的第一和第二腔臂24、26的單元可被認為共享相同的基本模式。

第一腔臂24的高階模式由實線98指示。第二腔臂26的高階模式由虛線100指示。第一腔臂24和第二腔臂26的單元的參數(shù)差異產(chǎn)生對應通帶的頻率差異。這些通帶的頻率差異防止在第二腔臂中發(fā)生第一腔臂的高階模式(并且反之亦然)，特別是由于經(jīng)由本征模式的耦合單元的弱耦合導致，其不由兩個臂處的腔同時共享。每對高階模式之間的差異顯示為最低頻率對的d1，下一最高頻率對的d2以及下一最高頻率對的d3。優(yōu)選地，每對相鄰通帶之間的差值d1、d2、d3為mhz的數(shù)量級，因為在第二腔臂中提供對高階模式的期望水平的抑制。

圖13示出包括關(guān)于圖2所述的構(gòu)造的腔裝置104的示例性x射線產(chǎn)生裝置102。腔裝置104被嵌入低溫恒溫器112中。腔裝置包括超導材料。該裝置包括產(chǎn)生電子束108的電子束發(fā)生器106。電子束108沿第二腔臂110被加速。超導磁體的陣列114與腔裝置104一樣被嵌入低溫恒溫器112中。超導磁體的陣列114用于輸送、聚焦和壓縮電子束108。如圖所示，電子束108可通過腔116附近的激光器，電子束108在此與光子相互作用以通過反康普頓散射產(chǎn)生x射線。在電子束108與光子相互作用之后，其被超導磁體陣列114重新引導到它被減速的第一腔臂118中。從電子束108的減速回收的rf能量經(jīng)由采用耦合單元120形式的rf傳輸裝置傳送至第二腔臂110，使得該rf能量可用于加速第二腔臂110中的電子。減速電子108然后被引導至束流捕集器122中。當電子束108在第一腔臂104中被減速時，電子束108的能量的很大一部分被回收，從而使得裝置更有效率。減速后的電子束以比其最大能量低得多的能量被轉(zhuǎn)儲。例如，在束流捕集器處的能量可能為比最大光束能量小200倍的量級。相應地，加速電子束的rf功率比在與激光相互作用的點處的電子束的無功功率低約200倍。

在圖13的實施例中，電子束108在第二腔臂110中被加速并在第一腔臂118中被減速。然而，應理解，通過適當?shù)刂匦露ㄎ浑娮邮l(fā)生器106和束流捕集器122，電子束108可以在相反方向上被引導，即在第一腔臂118中加速并在第二腔臂110中減速。

電子束108包括一束電子。抑制第二腔臂中的高階模式允許加速更大電荷的電子束，即允許更高的工作電流。因此，可以產(chǎn)生更亮的x射線束。

應理解，上面已經(jīng)僅通過一個示例應用描述了本發(fā)明的腔裝置的一個特定實施例。在本發(fā)明的范圍內(nèi)的許多其他實施例、變型和應用是可能的。