具有同軸空腔的電子加速器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種具有諧振空腔的電子加速器，其中電子被依照連續(xù)且不同的軌 跡多次橫向加速。關(guān)于此類加速器的一個(gè)典型示例是Rhodotron?,它是一種具有單個(gè) 同軸空腔的加速器，其中電子依照花朵形狀的軌跡而被注入并且橫向加速（在希臘語(yǔ)中， "Rhodos"的意思是花）。
【背景技術(shù)】
[0002] 此類加速器例如可以從美國(guó)專利公開US-5107221中獲知，該專利公開描述了一 種Rhodotron?,其通常包括以下子系統(tǒng)：
[0003]-諧振空腔，該諧振空腔呈現(xiàn)出兩個(gè)同軸圓柱形導(dǎo)體，這兩個(gè)導(dǎo)體的末端短接并且 在其中間橫切面的層面上呈現(xiàn)多個(gè)圓孔，以便能讓電子通過(guò)，
[0004] -電子源，其產(chǎn)生電子束，并且在空腔的中間橫切面中沿徑向方向?qū)㈦娮邮⑷胫C 振空腔，
[0005] -RF源，其與諧振空腔相耦合，并產(chǎn)生朝著空腔的諧振橫向電場(chǎng)，以依照遵循空腔 角位移直徑的連續(xù)軌跡朝著中間橫切面多次地橫向加速電子束中的電子，
[0006]-致偏磁鐵，用于在電子束從空腔中露出時(shí)使得所述電子束向后彎曲，并且在中間 橫切面中朝著空腔的中心重定向所述電子束，以及
[0007]-電子束輸出端口。
[0008] 此類加速器是在連續(xù)波（CW)模式下工作的，這意味著在工作過(guò)程中，來(lái)自RF源的 RF功率會(huì)被持續(xù)施加于諧振空腔，并且電子源會(huì)持續(xù)地將電子注入空腔（盡管從微觀結(jié)構(gòu) 層面進(jìn)一步查看，電子是以對(duì)于商用Rhodotrons?常用的100MHz到200MHz的頻率的集束 注入空腔）。因此，在加速器的輸出端口上遞送的是一個(gè)連續(xù)的加速電子束。
[0009] 諸如這種已經(jīng)被申請(qǐng)人商業(yè)化的Rhodotrons?通常遞送的是高達(dá)l〇MeV的電子 束能量，并且其最大電子束功率的范圍是45KW到700KW。其RF源通常在大致約100MHz或 者約200MHz的VHF頻率范圍中工作，并且其RF功率的范圍是150KW到600KW。
[0010] 這些類型的加速器通常會(huì)通過(guò)與諸如波束掃描系統(tǒng)之類的周邊設(shè)備相結(jié)合而被 用于消毒、聚合物改性、漿料處理、食物的低溫巴氏殺菌等等。
[0011] 考慮到其超出諸如線性加速器（也被稱為L(zhǎng)INAC)之類的其他類型的電子加速 器的諸多優(yōu)點(diǎn)，它們偶爾也被用于檢測(cè)和安全用途，比如用于檢測(cè)隱藏和禁帶物質(zhì)及貨 物一一例如武器、爆炸物、毒品等等。在此類應(yīng)用中，電子束通常在垂直于掃描方向移動(dòng)的 物體上進(jìn)行行掃描。
[0012] 然而，已知的加速器似乎過(guò)于笨重并且過(guò)于昂貴，對(duì)于此類應(yīng)用而言尤其如此。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013] 本發(fā)明的目的是提供一種再循環(huán)類型的電子加速器，其與現(xiàn)有的此類加速器相比 更小且更為廉價(jià)，其優(yōu)選適合如上所述的檢測(cè)和/或安全用途。
[0014] 本發(fā)明是由獨(dú)立權(quán)利要求限定的。從屬權(quán)利要求限定了有利的實(shí)施例。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明，所提供的是一種電子加速器，包括：
[0016] -具有外部導(dǎo)體和內(nèi)部導(dǎo)體的諧振空腔，
[0017] -電子源，其產(chǎn)生電子束并將該電子束橫向注入諧振空腔，
[0018] -RF源，其與諧振空腔相耦合，并用處于標(biāo)稱RF頻率的RF功率來(lái)為諧振空腔提供 能量，以及產(chǎn)生朝著所述諧振空腔的電場(chǎng)，以便依照連續(xù)不同的橫向軌跡朝著空腔多次加 速電子束中的電子，
[0019] -至少一個(gè)致偏磁鐵，其在電子束從空腔中露出時(shí)使得所述電子束向后彎曲，并且 朝著空腔重定向所述電子束，
[0020] 其特征在于：RF源利用脈沖RF功率為諧振空腔提供能量，該脈沖RF功率具有第 一脈沖頻率、小于100%的第一占空比以及第一脈沖持續(xù)時(shí)間。
[0021] 通過(guò)對(duì)空腔施加脈沖RF功率，加速器輸出端上的電子束同樣被施以脈沖，并且會(huì) 在每一個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間中具有高輸出功率，以及在剩余的脈沖周期中具有低輸出功率（或 者沒有輸出功率）。因此，加速器會(huì)在脈沖持續(xù)時(shí)間中遞送與諸如檢測(cè)和安全應(yīng)用之類的所 需應(yīng)用相適合的電子束功率，但是減小了平均損耗功率。已知功率會(huì)隨著標(biāo)稱RF頻率的平 方根而增大，與簡(jiǎn)單地縮小現(xiàn)有技術(shù)中的這類加速器的尺寸相比，該解決方案允許以較低 的成本來(lái)構(gòu)造較小的加速器。此外，與例如線性加速器（LINAC)相比，可以實(shí)現(xiàn)更高的占空 比。
[0022] 優(yōu)選地，外部導(dǎo)體和內(nèi)部導(dǎo)體是軸A的同軸柱形導(dǎo)體，這兩個(gè)柱形導(dǎo)體在其末端 分別與頂部導(dǎo)電隔板以及底部導(dǎo)電隔板相短接，電子源在諧振空腔的中間橫切面中沿著徑 向方向?qū)㈦娮邮⑷胫C振空腔，RF源產(chǎn)生朝著所述諧振空腔的諧振橫向電場(chǎng)（E)，以便依 照遵循外部柱形導(dǎo)體的角位移直徑的連續(xù)軌跡并朝著中間橫切面來(lái)多次地橫向加速電子 束中的電子，以及所述至少一個(gè)致偏磁鐵在電子束從空腔中露出時(shí)使得所述電子束向后彎 曲并且在中間橫切面中朝著軸A重定向所述電子束。在包含這些優(yōu)選特征時(shí)，加速器是例 如尤其適合檢測(cè)和安全應(yīng)用的Rliotetr雜_類型加速器。
[0023] 優(yōu)選地，所述第一占空比大于1%。
[0024] 更優(yōu)選的是，所述第一占空比大于5%。
[0025] 更優(yōu)選的是，所述第一占空比小于40%。
[0026] 優(yōu)選地，第一脈沖頻率小于ΙΟΚΗζ。
[0027] 更優(yōu)選的是，第一脈沖頻率小于5KHz。
[0028] 優(yōu)選地，電子源將脈沖電子束注入諧振空腔，所述脈沖電子束具有第二脈沖頻率、 小于100%的第二占空比以及第二脈沖持續(xù)時(shí)間，所述第二脈沖頻率小于標(biāo)稱RF頻率。與 注入連續(xù)電子集束相比，通過(guò)將脈沖電子束注入由RF源以脈沖方式激勵(lì)的空腔，損失的粒 子相對(duì)較少。
【附圖說(shuō)明】
[0029] 本發(fā)明的這些和其他方面將借助示例并通過(guò)參考附圖而被更詳細(xì)地說(shuō)明，其中：
[0030] 圖la示意性地顯示了根據(jù)本發(fā)明的例示電子加速器；
[0031] 圖lb示意性地顯示了圖la中的電子加速器的橫截面；
[0032] 圖2示意性地顯示了RF功率隨時(shí)間的脈動(dòng)；
[0033] 圖3示意性地顯示了由電子源注入空腔的電子束電流隨時(shí)間的脈動(dòng)；
[0034] 圖4示意性地顯示了圖3中的信號(hào)的放大視圖，其揭示了電子束電流中的微觀結(jié) 構(gòu)；
[0035] 圖5示意性地顯示了RF源的脈動(dòng)和電子源的脈動(dòng)如何同步的示例。
[0036] 這些附圖并不是按比例繪制的。通常，相同的組件在附圖中是用相同的參考數(shù)字 表示的。
【具體實(shí)施方式】
[0037] 圖la示意性地顯示了一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的例示電子加速器。該電子加速器包括諧 振空腔（10)，該諧振空腔具有軸線為㈧的外部柱形導(dǎo)體（11)以及具有相同軸線㈧的內(nèi) 部柱形導(dǎo)體（12)，這兩個(gè)柱形導(dǎo)體在它們的末端分別與頂部導(dǎo)電隔板（13)以及底部導(dǎo)電 隔板（14)相短接。該電子加速器還包括電子源（20)(例如電子槍），該電子源產(chǎn)生電子束 (40)并且在諧振空腔（10)的中間橫切面（MP)中沿徑向方向?qū)㈦娮邮?0)注入諧振空腔 (10)〇
[0038]此外，該電子加速器還包括RF源（50)，其經(jīng)由耦合器（55)與諧振空腔相耦合，并 且被設(shè)計(jì)成以標(biāo)稱RF頻率（fRF)振蕩并且朝著諧振空腔產(chǎn)生一個(gè)諧振橫向電場(chǎng)（E)，以便 朝著中間橫切面（MP)并依照遵循外部柱形導(dǎo)體（11)的角位移直徑的連續(xù)軌跡來(lái)多次加 速電子束（40)中的電子。該諧振橫向電場(chǎng)通常是"TE001"型，這意味著該電場(chǎng)是橫向的 ("TE")，所述電場(chǎng)具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性（第一個(gè)"0")，所述電場(chǎng)不會(huì)在空腔的一個(gè)半徑上被抵 消（第二個(gè)"〇"），以及在與空腔的軸A平行的方向上有所述電場(chǎng)的半個(gè)周期。RF源（50) 通常包括一個(gè)用于產(chǎn)生處于標(biāo)稱RF頻率（fRF)的RF信號(hào)的振蕩器，其后跟隨的是一個(gè)放大 器或一系列放大器，用于在這一系列放大器的末端實(shí)現(xiàn)預(yù)期的輸出功率。
[0039] 該電子加速器還包括至少一個(gè)致偏磁鐵（30)，用于向后彎曲從外部柱形導(dǎo)體 (11)露出的電子束（40)，以及朝著軸A重定向所述電子束。在本示例中有三個(gè)這樣的彎轉(zhuǎn) 磁鐵，從而電子束會(huì)形成四條通過(guò)空腔的通路。
[0040] 圖lb示意性地顯示了依照?qǐng)Dla的加速器的中間平面的橫截面，在其上可以更清 楚地看到用虛線示出的電子束（40)的軌跡（花朵形狀）以及電子束輸出（41)。
[0041] 在本領(lǐng)域中，此類加速器是眾所周知的，例如可以從歐洲專利EP-0359774以及美 國(guó)專利US-5107221中獲知，其中這兩篇專利在這里都被引入以作為參考，并且由此不在這 里對(duì)其進(jìn)行更詳細(xì)的描述。
[0042] 現(xiàn)在將注意力放到RF源和電子源的操作方式上。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明，RF源被設(shè)計(jì)成以脈沖模式而不是連續(xù)波（CW)模式運(yùn)作。在圖2中對(duì) 此進(jìn)行了圖示，其中該圖示意性地顯示了施加于空腔（10)的RF功率（PRF)隨時(shí)間的脈動(dòng)。 在該圖中可以看出，所述RF功率被周期性地施加脈沖，并且呈現(xiàn)RF功率為高的"0N"狀態(tài) (PRFH)以及RF功率低于"0N"狀態(tài)中的"OFF"狀態(tài)（PRFJ。
[0044]作為示例，在這里可以讓PRFL=PRFH/10。優(yōu)選地，PRFL= 0〇
[0045] "ON"狀態(tài)具有第一脈沖持續(xù)時(shí)間TPRFP(也被稱為脈沖寬度）。脈沖以第一脈沖頻 率fRFP(也被稱為脈沖重復(fù)率）周期性地重復(fù)。
[0046] 由此，脈沖周期是TRFP= 1/fRFP。
[0047] 由此，脈沖RF功率呈現(xiàn)出第一占空比DC1 = 100*TPRFP/TRFP (以％為單位）。
[0048]根據(jù)本發(fā)明，DC1〈100%。
[0049] 優(yōu)選地，DC1>1%。
[0050] 更優(yōu)選的是，DC1>5%。
[0051] 更優(yōu)選的是，DC1〈40%。
[0052]更為優(yōu)選的是，15% <DC1〈30%。
[0053] 優(yōu)選地，fRFP〈10KHz
[0054]更優(yōu)選的是，fRFP〈5KHz。
[0055] 更為優(yōu)選的是，5Hz〈fRFP〈3KHz。
[0056] 更為優(yōu)選的是，90Hz〈fRFP〈1100Hz。
[0057] 根據(jù)一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，RF源被設(shè)計(jì)成以如上所述的脈沖模式運(yùn)作，并且電子源 (20)將脈沖電子束（40)注入諧振空腔（10)，所述脈沖電子束具有第二脈沖頻率（fBP)、小 于100%的第二占空比（DC2)以及第二脈沖持續(xù)時(shí)間（TPBP)，所述第二脈沖頻率（fBP)小于 標(biāo)稱RF頻率（fRF)。
[0058] 在圖3中示出了根據(jù)這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的電子源的操作，該圖示意性地顯示了由電 子源注入空腔的電子束電流（IB)隨時(shí)間的脈動(dòng)。
[0059] 在該圖上可以看出，電子束電流（IB)被周期性地施加脈沖，并且呈現(xiàn)出"0N"狀態(tài) 和"OFF"狀態(tài)，其中在所述"0N"狀態(tài)中，所述電子束電流周期性或者持續(xù)性地為高（IJ， 而在所述"OFF"狀態(tài)，所述電子束電流周期性或者持續(xù)性地低于"0N"狀態(tài)（IBJ。
[0060] 作為示例，我們可以讓?duì)│?=IBH/10。優(yōu)選地，ΙΒ?= 0。
[0061] "ON"狀態(tài)具有第二脈沖持續(xù)時(shí)間ΤΡΒΡ(也被稱為脈沖寬度）。
[0062] 電子束脈沖以第二脈沖頻率fBP (也被稱為脈沖重復(fù)率）周期性重復(fù)。
[0063] 由此，脈沖周期是TBP=l/fBP。
[0064] 由此，脈沖電子束呈現(xiàn)出第二占空比DC2 = 100*TPBP/TBP(以％為單位）。
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