具有收缩线圈和膨胀线圈的电子感应加速器和X射线检测设备 |
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| 申请号 | CN200780040197.X | 申请日 | 2007-09-06 | 公开(公告)号 | CN101530001B | 公开(公告)日 | 2013-12-25 |
| 申请人 | 史密斯海曼有限公司; | 发明人 | J·贝尔穆特; G·戈伊斯; G·赫斯; U·菲伯克; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种特别是在 X射线 检测设备中的 电子 感应 加速 器(1)，该电子感应加速器具有一包括两个隔开设置的部件(2a、2b)的 旋转对称 的内磁轭、一连接所述两个内磁轭部件(2a、2b)的外磁轭(4)、至少一个主场线圈(6a、6b)、一设置在内磁轭部件(2a、2b)的相对的端侧之间的环形的电子感应加速器管(5)以及至少一个收缩和膨胀线圈(CE线圈；7a、7b)，其中分别刚好有一个CE线圈(7a、7b)设置在一个内磁轭部件(2a、2b)的端侧和电子感应加速器管(5)之间并且CE线圈(7a、7b)的半径基本上等于电子在电子感应加速器管(5)中的额定规道半径。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电子感应加速器(1)，具有： |
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| 说明书全文 | 具有收缩线圈和膨胀线圈的电子感应加速器和X射线检测设备 技术领域[0001] 本发明涉及一种具有一收缩线圈和一膨胀线圈的、特别是用于在X射线(伦琴射线)检测设备内产生X射线的电子感应加速器，本发明还涉及一种X射线检测设备。 背景技术[0002] 在对大体积物品如集装箱和车辆检查禁止的内容物如武器、炸药或走私货时，已知使用X射线检测设备。在此产生X射线并使其对准物品。被物品减弱的X射线借助于检测器测量并由分析单元分析。由此能得出关于物品的特性的结论。这种X射线检测设备例如由欧洲专利文献EP 0 412 190 B1已知。 [0003] 为产生具有对于检验必需的、大于1MeV的能量的X射线，使用电子感应加速器。这是一种圆形加速器，在该圆形加速器中电子在圆形轨道上被加速。被加速的电子偏转到靶(Target)上，在那里电子在撞上时产生轫致辐射，该轫致辐射的光谱还取决于电子的能量。 [0004] 由公开文本DE 23 57 126 A1已知的电子感应加速器包括一两件式的内磁轭，其中两个内磁轭部件的端侧相互隔开地对置。借助于两个主场线圈在内磁轭内产生磁场。一外磁轭连接内磁轭部件的两个相互远离的端部并使磁回路闭合。 [0005] 在这两个内磁轭部件的端侧之间设有一排真空的电子感应加速器管，要被加速的电子在该电子感应加速器管内作圆周运动。内磁轭部件的端侧这样成形，使得由主场线圈产生的磁场将电子强制保持到圆形轨道上，此外它聚焦(汇聚)到圆形轨道所在的平面上。为控制磁通量，已知在电子感应加速器管内部的内磁轭部件的端侧之间设置铁磁插件。 [0006] 例如借助于电子枪将电子射到电子感应加速器管内，通过主场线圈的电流以及由此磁场的场强增大。变化的磁场产生电场，该电场使电子在其圆形轨道上加速。同时电子上的洛仑兹力随着磁场强度同样地增大。由此将电子保持在相同的轨道半径上。当指向圆形轨道中心的洛仑兹力和相反的离心力抵消时，电子在圆形轨道上运动。由此得到维德罗( )条件 [0007] [0008] 其中， [0009] 其中，rs是电子的额定规道半径，A是由额定规道半径rs界定的面积，而B(rs)是在面积A上平均的磁场场强。 [0010] 已知的电子感应加速器的缺点是这样的事实，即例如由于电子枪的制造公差和对电子枪的控制，射到电子感应加速器管内的电子中仅有一小部分被聚焦到所希望的圆形轨道上，并由此被加速到最终的能量。由此减小了效率。此外，产生使被加速的电子偏斜——即，从额定规道偏转到靶上——的问题。 发明内容[0011] 因此，本发明的目的在于，提供一种不具有上述缺点的电子感应加速器。 [0012] 按照本发明，所述目的通过一种电子感应加速器来实现，所述具有电子感应加速器： [0013] 一由两个隔开设置的内磁轭部件组成的旋转对称的内磁轭，在所述内磁轭部件之间具有至少一个圆盘， [0014] 一连接所述两个内磁轭部件的外磁轭， [0015] 至少一个主场线圈， [0016] 一设置在内磁轭部件的相对的端侧之间的环形的电子感应加速器管，[0017] 至少一个收缩和膨胀线圈，其中分别刚好有一个收缩和膨胀线圈设置在一个内磁轭部件的端侧和电子感应加速器管之间并且收缩和膨胀线圈的半径基本上等于电子在电子感应加速器管内的额定轨道半径， [0018] 其特征在于：一个收缩和膨胀线圈的接线端与一电流源或电压源连接并且在收缩和膨胀线圈和电流源或电压源之间的至少一条导线中设有一能通过电子控制装置操纵的开关，所述电子控制装置设计成，使得开关的接通时刻和接通持续时间是可变的，所述电子感应加速器具有用于确定由电子感应加速器产生的射线强度的检测器，所述检测器与电子控制装置相连接并且借助于所述电子控制装置能够由所述检测器的输出信号确定开关的接通时刻以及接通持续时间，在膨胀时，磁轭和圆盘的材料位于滞后曲线的非线性区域内。 [0019] 按照本发明的电子感应加速器具有一由两个隔开设置的部件组成的旋转对称内磁轭、连接两个内磁轭部件的外磁轭、至少一个主场线圈、设置在各内磁轭部件的相对端侧之间的环形电子感应加速器管和至少一个收缩和膨胀线圈(CE线圈)，其中分别恰好有一个CE线圈设置在一个内磁轭部件的端侧和电子感应加速器管之间，并且CE线圈的半径基本上等于电子在电子感应加速器管内的额定规道半径。电子感应加速器优选还附加地具有至少一个在内磁轭部件之间的圆盘，其中圆盘设置成使得其纵轴线与内磁轭的旋转对称轴线重合。 [0020] 在电子仍未在所希望的理论圆形轨道上运动的喷射阶段期间，给CE线圈通电。所述电流也成为收缩脉冲。由此产生的磁场这样改变内磁轭部件之间的磁场，使得维德罗条件被干扰并且暂时产生改变的额定规道半径。其中，所希望的额定规道半径优选在喷射半径和改变的额定规道半径之间。电子在螺旋形轨道上朝所述改变的额定规道半径的方向运动，直至它们位于所希望的额定规道半径上或者附近。在所述时刻，收缩脉冲结束并且电子被保持在具有所希望的额定规道半径的稳定的圆形轨道上并被加速。 [0021] 将电子喷射到电子感应加速器管内的电子枪在漏斗形空间角范围内以一定的概率分布发出电子。在收缩脉冲的期间内可以调节电子从所述空间角范围的哪部分中被聚焦到给定圆形轨道上。此外，可同时补偿电子枪的安装公差。 [0022] 如果电子到电子感应加速器管中的射入半径在加速期间大于额定规道半径，则由于CE线圈的磁场，较小的额定规道半径满足维德罗条件。这导致电子在收缩脉冲的持续期间在倾向于所希望的额定规道半径的轨道上运动。 [0023] 在加速过程结束时，电子在偏转阶段被偏转到靶上。为此，收缩和膨胀线圈又被通电。在使电子偏转期间通过CE线圈的电流也称为膨胀脉冲。在该时刻，主场线圈产生比在喷射阶段期间强的磁场。磁轭和圆盘的材料位于滞后曲线的非线性区域内，该滞后曲线描述激励的磁通量和材料中的磁通量之间的关系。因此，材料中的磁通量与内磁轭部件间的空气中的磁通量相比被收缩和膨胀线圈不同于在喷射阶段期间地影响。这导致干扰现在又被改变的额定规道半径满足的维德罗条件。电子在螺旋形轨道上朝向改变的额定规道半径运动并在该运动中撞到靶上。 [0024] 如果靶例如位于额定规道半径之外，则CE线圈的磁场这样改变磁通量，使得较大的半径满足维德罗条件。由此电子向外漂移直至它们撞到靶上。 [0025] 在本发明的一种有利的实施形式中，一个CE线圈的接头与电流源或电压源连接，并且在CE线圈和电压或电流源之间的至少一条导线中设有一可由电子控制装置操纵的开关。该开关例如是指高功率半导体开关，如IGBT(绝缘栅双极晶体管)。通过该开关不仅确定通过线圈的电流的时刻而且确定电流的持续时间。通过改变收缩和/或膨胀脉冲的持续时间调节最大的线圈电流的幅值并且因而调节磁场的最大的改变。为此，优选将电子控制装置设计成，使得开关的接通时刻和接通持续时间、即收缩或膨胀脉冲的开始和持续时间是可变的。 [0026] 按照本发明，相同的收缩和膨胀线圈不仅用于在喷射阶段期间将电子聚焦到给定圆形轨道上而且用于使电子偏转到靶上。因此与两个分离的线圈相比减小了位置需求，由此可以使用更好的线圈金属线的绝缘件。此外，可以省去用于给线圈供电的功率(电力)电子装置。 [0027] 在本发明的一种实施形式中，电子感应加速器具有用于确定产生的X射线的强度的检测器。检测器优选与一电子控制装置相连接，以便可以借助于电子控制装置由检测器的输出信号确定开关的接通时刻和接通持续时间。得到一中调节系统，该调节系统这样选择收缩脉冲，使得实现所希望的射线强度。 [0028] 内磁轭部件的相对的端侧优选彼此镜面对称地设计和布置。其中，对称平面有利地这样定向，使得内磁轭的旋转对称轴线垂直于该对称平面。这使得在各端侧之间的气隙中实现有利的磁场分布，通过该磁场分布将电子感应加速器管内的电子保持在圆形轨道上。 [0029] 此外，在内磁轭上、特别是在内磁轭的缩小部或凸台上优选设有至少一个主场线圈。这使得基本上所有由主场线圈产生的磁通量穿过内磁轭分布。电子感应加速器有利地具有两个主场线圈，其中在内磁轭部件的每个上设有一个主场线圈。这使磁通量有利地分布到内磁轭部件上。 [0030] 按照本发明的电子感应加速器有利地应用在用于对物体进行安全检查的X射线检测设备中。电子被喷射到电子感应加速器中并被加速，之后它们被转向到例如由钽组成的靶上。在那里，电子产生具有已知光谱的X射线。X射线指向物品、优选集装箱和/或车辆，并且在那里例如通过散射或传输衰减被改变。被改变的X射线由X射线检测器测量并借助于分析单元被分析。由该结果得出关于物品的特性或内容物的结论。附图说明 [0031] 应根据实施例更详细地阐述本发明。其中示出： [0032] 图1示出按照本发明的电子感应加速器的剖视示意图， [0033] 图2示出在喷射阶段期间磁场强度在半径上的定性分布， [0034] 图3示出在偏转阶段期间磁场场强在半径上的定性分布，以及 [0035] 图4示出用于控制CE线圈的电路。 具体实施方式[0036] 图1以横剖视图示出优选的电子感应加速器1的示意结构。该电子感应加速器还包括一个由两个隔开设置的部件2a、2b组成的旋转对称的内磁轭、四个在内磁轭部件2a、2b之间的可选圆盘3、一个连接两个内磁轭部件2a、2b的外磁轭4、一个设置在内磁轭部件 2a、2b之间的环形的电子感应加速器管5、两个主场线圈6a和6b以及一个在图1中未示出的电子控制装置8，其中圆盘3的纵轴线对应于内磁轭的旋转对称轴线。主场线圈6a和6b分别设置在内磁轭部件2a或2b的凸台上。由它们产生的磁场穿过内磁轭部件2a和2b以及它们的相对端侧之间的区域，其中磁回路通过外磁轭4闭合。内磁轭和/或外磁轭的形状可由本领域技术人员根据应用场合来选择，并且可以与在图1中给出的形状不同。也可以设有仅一个或多于两个主场线圈。圆盘的其他数量和/或形状同样是可能的。 [0037] 在内磁轭部件2a和2b的端侧之间磁场部分地延伸穿过圆盘3，而在其他方面穿过气隙。在该气隙中设有电子感应加速器管5。所述电子感应加速器管是电子在其中被加速的排真空的管。内磁轭部件2a和2b的端侧具有这样的形状，该形状选择成使得在它们之间的磁场使电子聚焦到一圆形轨道上。端面的设计对于本领域技术人员来说是已知的，因而不详细阐述。电子在加速过程结束时撞击到靶上并由此产生X射线，该X射线的光谱主要取决于电子的最终能量和靶的材料。 [0038] 为了进行加速，将具有初始能量的电子射入电子感应加速器管5中。在加速阶段期间，电子感应加速器1内的磁场被主场线圈6a和6b连续地提高。由此产生一个电场，该电场向电子施加加速力。同时，电子由于洛仑兹力而被强制到电子感应加速器管5内部的给定圆形轨道上。 [0039] 周期性地重复对电子的加速，从而产生脉冲的X射线。在每个周期中，在第一步骤中将电子射入电子感应加速器管5中。在第二步骤中，电子由于主场线圈6a和6b中的逐渐增大的电流以及由此还由于内磁轭部件2a和2b之间的气隙中的逐渐增大的磁场被沿其圆形轨道的周向加速。在第三步骤中，被加速的电子偏转到靶上以产生X射线。然后进行可选的暂停，之后重新将电子射入电子感应加速器管5内。 [0040] 上述的维德罗条件适用于电子在电子感应加速器管5内的轨道，所述条件这样得到，即由离心力抵消洛仑兹力。满足以下方程 [0041] [0042] 的半径rs是电子环绕运行的稳定的额定规道半径。 [0043] 电子枪以已知的张角发射电子，其中电子在该张角上的分布通常不是恒定的。此外，电子枪将电子喷射到与额定规道半径rs不同的喷射半径rI上。因此必要的是，首先将电子从喷射半径rI上转移到额定规道半径rs上。为此应用两个收缩和膨胀线圈7a和7b，它们设置在内磁轭部件2a或2b的端侧和电子感应加速器管5之间。CE线圈在图1中通过三个螺旋形的绕组表示，但其中各种其他的设计方案是可以的。CE线圈7a和7b的半径基本上等于电子在电子感应加速器管5中的额定规道半径rs。由于CE线圈7a和7b的空间延展尺寸，它们的外边缘略微延伸超出额定规道半径rs。CE线圈的确切的尺寸和定位交由执行的专业技术人员负责。但要遵守这样的条件，即CE线圈7a和7b的内半径大于圆盘3的外半径，以便由它们产生的磁场也穿过圆盘3外部的区域的部分。 [0044] CE线圈7a和7b的中轴线与内磁轭的旋转对称轴线重合。由于CE线圈7a和7b的这种布置和尺寸，由它们产生的磁场穿过一圆形面，该圆形面的半径大于圆盘3的半径并且大约在额定规道半径rs的范围内。 [0045] 图2定性连续示出用虚线示出的磁场B在半径上的分布——从内磁轭的旋转对称轴线出发——以及电子的喷射半径rI。由于圆盘3的起磁性作用的材料，在圆盘3内部产生近似恒定的磁场。磁场在圆盘外部的空气中明显较小并且还随着半径的增大而减小。在所示的磁场中，在图2中标出的额定规道半径rs满足维德罗条件。 [0046] 如果电流、所谓的收缩脉冲施加到CE线圈7a和7b中，则作为主场线圈6a和6b以及CE线圈7a、7b的磁场叠加定性得到磁场强度的在图2中用虚线示出的在半径上的分布B’(r)。对于所述所得到的磁场，改变的额定规道半径rs’满足维德罗条件。由此电子被以螺旋形的轨道从喷射半径rI拉到改变的额定规道半径rs’上。在此，电子例如根据其到电子感应加速器管5中的入射角在不同的时刻通过所希望的额定规道半径rs。在收缩脉冲结束时位于所希望的额定规道半径rs上或附近的电子接下去在所述半径上被加速。 [0047] 因此通过选择收缩脉冲的结束时刻可以选择被加速到所希望的最终能量的电子来自电子枪的张角的哪个部分。 [0048] 由此可使由电子感应加速器1产生的X射线的强度最大化并可对其调节。 [0049] 在加速过程结束时，主场线圈6a和6b产生定性地在图3中连续示出磁场B(r)，该磁场的分布基本上与图2中的磁场相对应。但由于通过主场线圈6a和6b的电流较大，磁场明显较强。此外，磁轭和/或圆盘的材料处于滞后曲线的非线性区域内。在对CE线圈7a和7b通以所谓的膨胀脉冲时，据此产生在图3中用虚线示出的叠加的磁场B”(r)。基于该叠加的磁场，改变的额定规道半径rs”满足维德罗条件。结果，电子在螺旋形的轨道上从在加速期间有效的额定规道半径rs朝向改变的额定规道半径rs”的方向漂移。在所述漂移运动中，电子撞击到靶上，同时产生X射线。 [0050] 在图中未标出的X射线检测器检测所产生的X射线的强度并规则地将关于该强度的信息传输给电子控制装置8。该电子控制装置分析强度并由此确定电子加速下一个周期的收缩和膨胀脉冲的持续时间以及时刻。 [0051] 图4示例性示出用于对CE线圈7a通电的电路，该电路同样可转用于CE线圈7b。CE线圈7a通过可由电子控制装置8控制的开关9与一电压源11相连接。选择性地，多个CE线圈通过一个或多个开关与一个共同的电压源连接。此外可替代地，每个CE线圈通过一个单独的开关与一个配设给该CE线圈的电压源相连接。 |
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