專利名稱：利用射頻加速電子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加速器技術(shù)，具體地說是一種利用射頻加速電子的方法。
背景技術(shù)：
電子回旋加速器(MICROTRON)作為一種輻照源，是電子直線加速器的有力競爭對手。但由于軌道校正困難，不適于批量生產(chǎn)。後來研制成功的跑道型電子回旋加速器，將微波單諧振腔改為一段電子直線加速器的加速管，并將主導(dǎo)磁鐵分成兩塊，留出了電子軌道的漂移段，使軌道校正情況略有好轉(zhuǎn)。然而成本也隨之大幅度增加，減弱了競爭優(yōu)勢。有人設(shè)想將電子軌道進(jìn)一步分離，把磁鐵分成很多塊，按花瓣形擺放，并采用射頻同軸腔橫向加速，降低了成本，方便了調(diào)束，此種加速器被稱為RHODOTRON，意為‘玫瑰花形加速器’，但它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加速效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而設(shè)計的一種利用射頻加速電子的方法，此種方法用在電子加速器中，它兼有跑道型電子回旋加速器和玫瑰花形加速器的優(yōu)點(diǎn)，而在技術(shù)結(jié)構(gòu)，加速原理方面則有很大的不同，是一種更加經(jīng)濟(jì)，更便于推廣的輻照用加速器，有望在輻照技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)成為一種適用的裝置。
利用射頻加速電子的方法，它包括以下步驟a、在電子回旋加速器中，用四塊分離的磁鐵M1、M2、M3、M4設(shè)置電子軌道的導(dǎo)向，每塊磁鐵側(cè)邊加有校正場用的蛇形墊鐵，并使四塊分離磁鐵的設(shè)置滿足以下條件i、磁鐵M1、M2、M3、M4束流偏轉(zhuǎn)角之和為360°；ii、電子回旋運(yùn)動的中心軌道的周長是加速電壓射頻波長的整倍數(shù)；b、用射頻單腔加速節(jié)縱向加速電子，并重復(fù)多次進(jìn)行，使電子做回旋運(yùn)動，電子回旋5-10周，在加速過程中，加速相位在±60°內(nèi)滑動。
本發(fā)明作為輻照技術(shù)可應(yīng)用在很多方面(1)消毒，防霉，殺蟲，殺菌·糧食，蔬菜，水果的防霉，防蟲；·瓜果的保鮮；·袋裝食品的防腐；·牛奶，飲料的消毒；·圖書、擋案的消毒、防霉防蛀。
(2)醫(yī)療衛(wèi)生的消毒滅菌·藥材的消毒；·醫(yī)療器械的消毒。
(3)工業(yè)應(yīng)用·輻照改性，輻照損傷；·高分子輻照交聯(lián)；·探傷。
(4)科研應(yīng)用·輻照育種。
采用本發(fā)明得到的加速器，有以下特點(diǎn)(1)生產(chǎn)成本低。所用射頻處于廣播電視頻段，發(fā)射機(jī)易于取得國內(nèi)的工業(yè)支持。射頻波段腔體和發(fā)射機(jī)加工成本也較微波設(shè)備低。整個加工過程中不需要大型機(jī)床設(shè)備和特殊工藝。和現(xiàn)有其它品種電子加速器比，從生產(chǎn)角度看，有明顯優(yōu)勢。
(2)調(diào)束容易，適于批量生產(chǎn)。
(3)運(yùn)行、維護(hù)簡單，一般機(jī)電人員就可以勝任，有利于推廣。
(4)投資少，工期短，需要幾臺做幾臺，不需大型的廠房場地。


圖1為本發(fā)明中電子在加速過程相位變化示意2為本發(fā)明中的加速器總體結(jié)構(gòu)示意圖參閱圖1、2，采用100-300兆赫芝高頻機(jī)，藕合至同軸腔縱向加速。軌道導(dǎo)向磁鐵分為四塊。加速軌道成跑道形，在漂移區(qū)可以對軌道進(jìn)行校正。偏轉(zhuǎn)區(qū)磁鐵的分離，為電子束的注入提供了空間。電子槍使用等離子體陰極，以提高壽命。由于射頻波長較長，電子在加速過程中相對論性質(zhì)量增長引起的軌道長度變化和軌道總長度相比是一個小量，整個加速過程中加速相位在正相區(qū)內(nèi)滑動，并不像傳統(tǒng)電子回旋加速器那樣要求電子質(zhì)量按整倍數(shù)增長，因而加速器可以變軌道加速，能很方便地改變引出束流的能量。加速腔電壓可在500仟伏至2兆伏之間調(diào)整，磁場也相應(yīng)地從數(shù)百至數(shù)千高斯之間調(diào)整。只要加速相位不滑出正相區(qū)，可以定軌道加速，也可以采用不定軌加速技術(shù)，加速過程有很大的靈活性。
參閱圖2，電子槍EG，提供50仟電子伏的電子束流，注入射頻加速腔RF.K，加速後，經(jīng)主導(dǎo)磁鐵M1、M2、M3、M4偏轉(zhuǎn)，再次進(jìn)入腔體加速，直至達(dá)到預(yù)定能量後引出。BM為引出電子束流，可以引出用于電子束輻照應(yīng)用，也可以打靶產(chǎn)生X射線，用于射線輻照。腔體由一臺高頻機(jī)激勵，高頻機(jī)用大功率陶瓷管自激振蕩，具體功率由不同機(jī)型決定，效率可達(dá)80％，可以從10仟瓦到幾百仟瓦之間選配。高頻機(jī)可能在脈沖狀態(tài)下工作，需配脈沖電源。整個加速過程是在高真空狀態(tài)下工作的，真空泵安裝在M1、M2和M3、M4的漂移段下面。
本發(fā)明的基本思想是用射頻單腔取代電子回旋加速器中的微波加速腔，從而將昂貴的微波系統(tǒng)改換為廉價的射頻系統(tǒng)，降低了加速器的制造成本，同時保留了跑道型電子回旋加速器軌道易于校正，結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。我們將它稱為‘射頻電子回旋加速器’，英文命名為‘RADIO FREQUENCEELECTRON CYCLOTRON’，縮寫為‘RFEC’，中文簡稱‘射頻電子’。每kGy輻照產(chǎn)額所需設(shè)備投資遠(yuǎn)小于其它機(jī)型。
具體實施例方式以120仟瓦中型設(shè)備，RFEC-120為例，其設(shè)計參數(shù)如下電子能量 12MeV(初調(diào)為6MeV)；流強(qiáng) 10mA(初調(diào)為5mA)；束流功率 120kW(初調(diào)為30kW)；射線轉(zhuǎn)換效率(鎢靶)總30％，前峰19％.(初調(diào)總19％，前峰11％)；供電功率 200kW.
RFEC-120由電子槍，高頻加速系統(tǒng)，磁鐵三大部份組成，輔助系統(tǒng)有真空系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)，供電水冷等常規(guī)服務(wù)性設(shè)備。電子槍要求軸向引出成圓束，與大多數(shù)電子束設(shè)備的技術(shù)要求沒有什么兩樣，此項技術(shù)在我國已經(jīng)成熟，只需套用一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計即可。電子束的引出能量為50仟伏，流強(qiáng)為數(shù)十毫安，在國內(nèi)算是中等技術(shù)水平。加速腔采用和單腔加速器中單腔加速節(jié)類似的設(shè)計，國內(nèi)已有充分技術(shù)儲備。射頻機(jī)和大功率電視發(fā)射機(jī)要求雷同，射頻機(jī)可采用國產(chǎn)陶瓷管，性能穩(wěn)定，價格較進(jìn)口貨要便宜得多?？偟募夹g(shù)要求是振蕩功率達(dá)到150仟瓦，加速效率為0.8。功耗為200仟瓦，高頻轉(zhuǎn)化效率為0.75。加速器總效率60％左右。加速縫隙電壓是2兆伏。具體做法是在高頻加速系統(tǒng)中設(shè)置電子軌道的導(dǎo)向，四塊磁鐵兩兩對稱組成。其設(shè)計參數(shù)如下磁極間隙4厘米；磁場強(qiáng)度0.2特斯拉；激磁安匝1×104安匝。
并使其滿足四塊磁鐵束流偏轉(zhuǎn)角之和為360°，每塊磁鐵均使軌道偏轉(zhuǎn)90°，四塊磁鐵的擺放要滿足電子回旋運(yùn)動的中心軌道周長是加速電壓射頻波長的整倍數(shù)(本實施例為3倍)。每塊磁鐵側(cè)邊都加有校正場形用的蛇形墊鐵，然后用射頻(200kHz)單腔加速節(jié)縱向加速電子，這種加速是重復(fù)多次進(jìn)行的，加速過程中加速相位在±60°相區(qū)內(nèi)滑動。反轉(zhuǎn)點(diǎn)設(shè)定在電子跨越中心軌道渡越加速縫隙時，也就是電子回旋過程中中間的那一次或兩次越隙(視總回旋次數(shù)為奇數(shù)還是偶數(shù)而定)，本實施例越隙6次。隨著電子能量的增長，電子的質(zhì)量也相應(yīng)增加。射頻頻率和電子回轉(zhuǎn)頻率之間的諧振條件不能精確滿足，靠正相區(qū)內(nèi)的合理相移分配來實現(xiàn)全程加速。越隙6次，加速相位分別是+20°0°，-20°-20°0°，+20°圖1中1、2、3、4、5、6各點(diǎn)所示。
考慮到磁鐵的邊緣效應(yīng)，設(shè)計時邊角做了修正。樣機(jī)在邊角加補(bǔ)鐵，以便對場形進(jìn)行精確修正。軌道校正時，可在偏轉(zhuǎn)磁鐵軛部加一些平板線圈，對各條軌道分別進(jìn)行校正。由于磁場數(shù)值較低，場形離散較小，所以通過改變磁場強(qiáng)度和高頻電壓的數(shù)值，就可以改變束流的能量。
磁鐵系統(tǒng)采用分離多塊結(jié)構(gòu)，這樣做不僅使軌道校正變得容易，也使得磁鐵小型化，便于加工，使總成本降低。磁鐵分離後，真空室的結(jié)構(gòu)簡化，承壓性能好轉(zhuǎn)，加工成本也相應(yīng)減低。磁鐵的布局，主要考慮到束流動力學(xué)的要求和軌道調(diào)正的需要，各條軌道漂移段上可加校正線圈，用以提高束流傳輸效率，由于射頻單腔橫向尺寸較大，兩端的偏轉(zhuǎn)磁鐵按45度分為兩塊，中間拉開，也給電子注入提供了空間。
真空度要求為5×10-6托，可選用國產(chǎn)1500升/秒油擴(kuò)散泵兩臺，分別安裝在磁鐵左右兩側(cè)。
自控系統(tǒng)由一臺PC工控機(jī)實施，除對加速器進(jìn)行操作外，還對輻照系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。
電子束引出後，加一掃描磁鐵，可用電子束直接輻照目標(biāo)物，也可以裝一重金屬靶，產(chǎn)生X射線用以輻照。這要根據(jù)用戶的需求設(shè)計，為加速器輔助設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種利用射頻加速電子的方法，其特征在于它包括以下步驟a、在電子回旋加速器中，用四塊分離的磁鐵M1、M2、M3、M4設(shè)置電子軌道的導(dǎo)向，每塊磁鐵側(cè)邊加有校正場用的蛇形墊鐵，并使四塊分離磁鐵的設(shè)置滿足以下條件i、磁鐵M1、M2、M3、M4束流偏轉(zhuǎn)角之和為360°；ii、電子回旋運(yùn)動的中心軌道的周長是加速電壓射頻波長的整倍數(shù)；b、用射頻單腔加速節(jié)縱向加速電子，并重復(fù)多次進(jìn)行，使電子做回旋運(yùn)動，電子回旋5-10周，在加速過程中，加速相位在±60°內(nèi)滑動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用射頻加速電子的方法，它包括以下步驟在電子回旋加速器中，用四塊分離的磁鐵設(shè)置電子軌道的導(dǎo)向，每塊磁鐵側(cè)邊加有校正場用的蛇形墊鐵，并使四塊分離磁鐵的設(shè)置滿足磁鐵束流偏轉(zhuǎn)角之和為360°；電子回旋運(yùn)動的中心軌道的周長是加速電壓射頻波長的整倍數(shù)的條件，再用射頻單腔加速節(jié)縱向加速電子，并重復(fù)多次進(jìn)行，使電子做回旋運(yùn)動，電子回旋5－10周，在加速過程中，加速相位在±60°內(nèi)滑動。本發(fā)明用在電子加速器中，是一種更加經(jīng)濟(jì)，更便于推廣的輻照用加速器，有望在輻照技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)成為一種適用的裝置。
文檔編號H05H15/00GK1395459SQ01122269
公開日2003年2月5日 申請日期2001年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2001年7月5日
發(fā)明者馬鐘仁 申請人:馬鐘仁