電子螺旋加速器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種加速器。為解決現(xiàn)有電子加速器平均束流功率低，不能滿足材料輻照等領域使用需求的問題，同時兼顧使用經濟性，本發(fā)明提供了一種電子螺旋加速器。該電子螺旋加速器包括射頻諧振腔、一對脊形電極、四極磁鐵、偏轉磁鐵、束流運動孔道、孔道入口、孔道出口、柵控電子槍，所述束流運動孔道包括束流偏轉孔道和脊形電極束流孔道，束流偏轉孔道外部設有四極磁鐵和偏轉磁鐵，由孔道入口引入的電子束在束流運動孔道內經過加速、聚焦和偏轉，最后由孔道出口出射，完成整個加速過程。本發(fā)明的電子螺旋加速器射頻利用效率高，使用經濟性好，有效提高了電子加速器的平均束流功率，能夠較好滿足材料輻照等領域的使用需求。
【專利說明】電子螺旋加速器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種加速器，特別涉及一種電子螺旋加速器。
【背景技術】
[0002]電子加速器是一種常用的加速器，廣泛應用于科學研究、醫(yī)療、無損探傷和材料輻照等領域。電子加速器的種類很多，包括靜電高壓加速器、電子直線加速器、電子感應加速器等。其中，用于材料輻照的大功率電子加速器目前主要采用電子直線加速器，如常用的S波段輻照加速器，其主力機型的束流參數(shù)為10MeV/20kW。受到射頻利用效率和射頻功率源的共同制約，電子直線加速器的束流功率很難突破30kW。
[0003]然而，為滿足材料輻照等領域對電子加速器束流功率的要求不斷提高的現(xiàn)實需求，需要發(fā)展50kW以上的大功率電子加速器，因此為了克服束流功率很難突破30kW這一困境，這就要求從加速原理和設備結構等角度對電子加速器做出改進。
[0004]射頻功率源是電子加速器束流的能量來源，也是目前制約束流功率的主要因素之一。一般而言，射頻功率源的頻率越低，越容易獲得更高的平均束流功率，其原因在于:隨著頻率的降低，射頻功率源的射頻功率產生、傳輸?shù)炔考?如:波導、陶瓷窗、諧振腔)和加速腔的尺寸隨之增大，容易解決高功率下的散熱問題；同時，由于解決了射頻功率源和加速腔高功率下的散熱問題，因此整個系統(tǒng)容易運行于連續(xù)波模式，在相同的平均束流功率下，相對于脈沖運行模式，連續(xù)波模式的束流脈沖流強較低，從而降低了空間電荷效應等不利因素的影響。因此，從提高電子加速器平均束流功率的角度來說，需要采用較低的射頻工作頻段以獲得更大功率的輻照加速器。由于現(xiàn)有電子直線加速器射頻功率源的工作頻段一般在2?3GHz，因此可以考慮降低該工作頻段來提高平均束流功率，但如何實現(xiàn)卻成為棘手的問題。
[0005]射頻利用效率是制約電子加速器束流功率的另一項主要因素，其原因在于:即使通過降低射頻功率源工作頻段的方式在一定程度上解決了電子加速器平均束流功率低的問題，而隨著平均束流功率的提高，射頻利用效率雖然也會提高，但由于程度有限，因此還有必要進一步提高射頻利用效率和電子加速器的使用經濟性，從而有利于在商業(yè)上的推廣應用。
[0006]除了電子直線加速器，現(xiàn)有技術中還存在蛇形束流運動軌跡的電子加速器。然而此種電子加速器需要對電子束進行180度偏轉，需要占用很大的空間，導致單位射頻諧振腔長度內的束流加速次數(shù)難以提高，射頻利用效率受到顯著影響。
[0007]由此可見，可以通過降低電子加速器射頻功率源的工作頻段以提高其平均束流功率，但必須兼顧其使用經濟性。由于兼顧二者在技術上存在較大困難，因此如何克服這一困難成為亟待解決的問題。

【發(fā)明內容】

[0008]為解決現(xiàn)有電子加速器平均束流功率低，不能滿足材料輻照等領域使用需求的問題，同時兼顧使用經濟性，本發(fā)明提供了一種電子螺旋加速器。
[0009]該電子螺旋加速器包括射頻諧振腔、一對脊形電極、四極磁鐵、偏轉磁鐵、束流運動孔道、孔道入口、孔道出口，其射頻功率源的工作頻段為50?200MHz，所述射頻諧振腔的形狀為柱形空腔；
[0010]該電子螺旋加速器還包括柵控電子槍，其柵極電壓波形為正弦波，工作頻率與射頻功率源的工作頻段相同；
[0011 ] 所述束流運動孔道包括束流偏轉孔道和脊形電極束流孔道，束流偏轉孔道穿過射頻諧振腔殼體與脊形電極束流孔道相連通，束流運動孔道的空間結構為彈簧型三維螺旋結構或8字型三維螺旋結構；
[0012]束流偏轉孔道外部設有四極磁鐵和偏轉磁鐵，所述四極磁鐵能夠實現(xiàn)電子束的橫向約束聚焦，所述偏轉磁鐵能夠實現(xiàn)電子束的三維偏轉運動；其中，每段束流偏轉孔道外部設置的偏轉磁鐵不少于4塊；
[0013]在一對脊形電極、四極磁鐵和偏轉磁鐵的共同作用下，由孔道入口引入的電子束在束流運動孔道內經過加速、聚焦和偏轉，最后由孔道出口出射，完成整個加速過程。
[0014]所述射頻功率源的工作頻段優(yōu)選為IOOMHz。
[0015]所述射頻諧振腔的形狀優(yōu)選為圓柱形空腔、八角柱形空腔或正方柱形空腔。
[0016]由于柵控電子槍柵極的作用，電子束直接形成為微脈沖模式，不需要束團的縱向聚束與切割，從而避免了由其引起的后續(xù)加速傳輸?shù)氖鲹p失。此外，柵控輸出的電子束團的相寬較短，在其之后的加速過程中，束團能散就較小，由能散引起的束流損失就相應較小。加速器運行于連續(xù)波模式，由此可以提高電子束的平均流強。另外，由于射頻功率源的工作頻段，因此其諧振腔體積較大，水冷和散熱問題相對容易解決。
[0017]本發(fā)明的電子螺旋加速器采用了彈簧型三維螺旋結構或8字型三維螺旋結構的束流運動孔道，電子束在束流運動孔道內沿三維軌跡受到多次加速，束流偏轉的方向基本上垂直于脊形電極平面，其偏轉磁鐵所占空間可大為減小，單位射頻諧振腔長度內的束流加速次數(shù)可以很高，射頻利用效率高(約為70?80% )，使用經濟性好，有效提高了電子加速器的平均束流功率，能夠較好滿足材料輻照等領域的使用需求。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1本發(fā)明采用彈簧型三維螺旋結構束流運動孔道的電子螺旋加速器結構示意圖。
[0019]圖2本發(fā)明采用8字型三維螺旋結構束流運動孔道的電子螺旋加速器結構示意圖。
[0020]附圖標記:1.射頻諧振腔，2.脊形電極，3.四極磁鐵，4.偏轉磁鐵，5.束流運動孔道,6.孔道入口，7.孔道出口。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式做進一步的說明。
[0022]實施例1
[0023]一種電子螺旋加速器，如圖1所示，該電子螺旋加速器包括射頻諧振腔1、一對脊形電極2、四極磁鐵3、偏轉磁鐵4、束流運動孔道5、孔道入口 6、孔道出口 7，其射頻功率源的工作頻段為IOOMHz，所述射頻諧振腔I的形狀為圓柱形空腔；
[0024]該電子螺旋加速器還包括柵控電子槍，其柵極電壓波形為正弦波，工作頻率與射頻功率源的工作頻段相同；
[0025]所述束流運動孔道5包括束流偏轉孔道和脊形電極束流孔道，束流偏轉孔道穿過射頻諧振腔I殼體與脊形電極束流孔道相連通，束流運動孔道5的空間結構為彈簧型三維螺旋結構；
[0026]束流偏轉孔道外部設有四極磁鐵3和偏轉磁鐵4，所述四極磁鐵3能夠實現(xiàn)電子束的橫向約束聚焦，所述偏轉磁鐵4能夠實現(xiàn)電子束的三維偏轉運動；其中，每段束流偏轉孔道外部設置6塊偏轉磁鐵；
[0027]在一對脊形電極2、四極磁鐵3和偏轉磁鐵4的共同作用下，由孔道入口 6引入的電子束在束流運動孔道5內經過加速、聚焦和偏轉，最后由孔道出口 7出射，完成整個加速過程。
[0028]實施例2
[0029]一種電子螺旋加速器，如圖2所示，該電子螺旋加速器包括射頻諧振腔1、一對脊形電極2、四極磁鐵3、偏轉磁鐵4、束流運動孔道5、孔道入口 6、孔道出口 7，其射頻功率源的工作頻段為IOOMHz，所述射頻諧振腔I的形狀為圓柱形空腔；
[0030]該電子螺旋加速器還包括柵控電子槍，其柵極電壓波形為正弦波，工作頻率與射頻功率源的工作頻段相同；
[0031]所述束流運動孔道5包括束流偏轉孔道和脊形電極束流孔道，束流偏轉孔道穿過射頻諧振腔I殼體與脊形電極束流孔道相連通，束流運動孔道5的空間結構為8字型三維螺旋結構；
[0032]束流偏轉孔道外部設有四極磁鐵3和偏轉磁鐵4，所述四極磁鐵3能夠實現(xiàn)電子束的橫向約束聚焦，所述偏轉磁鐵4能夠實現(xiàn)電子束的三維偏轉運動；其中，每段束流偏轉孔道外部設置6塊偏轉磁鐵；
[0033]在一對脊形電極2、四極磁鐵3和偏轉磁鐵4的共同作用下，由孔道入口 6引入的電子束在束流運動孔道5內經過加速、聚焦和偏轉，最后由孔道出口 7出射，完成整個加速過程。
[0034]實施例1、2的電子螺旋加速器工作過程如下:
[0035]低能電子束從孔道入口 6進入射頻諧振腔1，通過脊形電極束流孔道到達兩個脊形電極2之間的加速間隙，射頻諧振場在脊形電極2的加速間隙形成加速場，對通過的電子束進行加速，然后通過脊形電極束流孔道從射頻諧振腔I出射，完成一次加速過程。從射頻諧振腔I出射的電子束沿束流偏轉孔道經四極磁鐵3的聚焦和偏轉磁鐵4的偏轉后，到達射頻諧振腔I的另一側入口，完成一次偏轉過程。三維偏轉運動的目的除了使電子束到達射頻諧振腔I的另一側外，還要使其錯位移動到另一個脊形電極束流孔道，以避免沖突。
[0036]與第一次加速和偏轉過程相同，電子束在經過η次的加速和偏轉過程后，最終從孔道出口 7出射，完成整個加速過程。在相鄰兩次加速和偏轉過程中，如果電子束從射頻諧振腔I出射后的第一次偏轉的偏轉方向相同，就會形成彈簧型三維螺旋結構；如果相反，則會形成8字型三維螺旋結構。
【權利要求】
1.一種電子螺旋加速器，其特征在于:該電子螺旋加速器包括射頻諧振腔、一對脊形電極、四極磁鐵、偏轉磁鐵、束流運動孔道、孔道入口、孔道出口，其射頻功率源的工作頻段為50?200MHz，所述射頻諧振腔的形狀為柱形空腔； 該電子螺旋加速器還包括柵控電子槍，其柵極電壓波形為正弦波，工作頻率與射頻功率源的工作頻段相同； 所述束流運動孔道包括束流偏轉孔道和脊形電極束流孔道，束流偏轉孔道穿過射頻諧振腔殼體與脊形電極束流孔道相連通，束流運動孔道的空間結構為彈簧型三維螺旋結構或8字型三維螺旋結構； 束流偏轉孔道外部設有四極磁鐵和偏轉磁鐵，所述四極磁鐵能夠實現(xiàn)電子束的橫向約束聚焦，所述偏轉磁鐵能夠實現(xiàn)電子束的三維偏轉運動；其中，每段束流偏轉孔道外部設置的偏轉磁鐵不少于4塊； 在一對脊形電極、四極磁鐵和偏轉磁鐵的共同作用下，由孔道入口引入的電子束在束流運動孔道內經過加速、聚焦和偏轉，最后由孔道出口出射，完成整個加速過程。
2.如權利要求1所述的電子螺旋加速器，其特征在于:所述射頻功率源的工作頻段為IOOMHz。
3.如權利要求1所述的電子螺旋加速器，其特征在于:所述射頻諧振腔的形狀為圓柱形空腔、八角柱形空腔或正方柱形空腔。
【文檔編號】H05H13/10GK103957655SQ201410202889
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權日:2014年5月14日
【發(fā)明者】李金海, 李春光, 楊京鶴 申請人:中國原子能科學研究院