具有可变的轨道半径的电子回旋加速器 |
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| 申请号 | CN200780040234.7 | 申请日 | 2007-09-06 | 公开(公告)号 | CN101530003B | 公开(公告)日 | 2011-08-03 |
| 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 | 特别是在 X射线 检验装置中的 电子 回旋 加速 器(1)，包括： 旋转对称 的由两个间隔开设置的元件(2a、2b)构成的内磁轭；至少一个在内磁轭件(2a、2b)之间的圆片坯(3a-3d)，其中将圆片坯(3a-3d)设置成使其纵轴线与内磁轭的旋转对称轴线重合；一连接两个内磁轭件(2a、2b)的外磁轭(4)；至少一个主 磁场 线圈(6a、6b)；一在内磁轭件(2a、2b)之间设置的圆环形电子回旋加速器管(5)以及在所述至少一个圆片坯(3a-3d)的区域内的至少一个调谐线圈(7a-7c)；一控制电子装置(8)，用于在电子注入到电子回旋加速器(5)中的注射阶段时控制通过调谐线圈(7a-7c)的 电流 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.电子回旋加速器(1)，包括： |
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| 说明书全文 | 具有可变的轨道半径的电子回旋加速器技术领域背景技术[0002] 在大容积的物体如集装箱和车辆对不允许的内装物如武器、炸药或走私货物的检验中已知使用X射线检验装置。其中产生X射线并且对准物体。借助于一探测器测量由物体减弱的X射线并且由一评价装置分析。因此可以得出关于物体的特性的结论。一这样的X射线检验装置例如由欧洲专利文本EP 0 412 190 B1是已知的。 [0003] 为了产生对于检验需要的大于1MeV(兆电子伏特)的能量的X射线使用电子回旋加速器。对此涉及粒子回旋加速器，其中在一圆形轨道上加速电子。加速的电子转向一靶极，在那里它在撞击时产生一韧致辐射，其光谱还取决于电子能量。 [0004] 一由公开文本DE 23 57 126 A1已知的电子回旋加速器由一两件式的内磁轭构成，其中两个内磁轭件的端面间隔开对置。借助于两主磁场线圈在内磁轭中产生一磁场。一外磁轭连接各内磁轭件的彼此远离的两端并且闭合磁回路。 [0005] 在两个内磁轭件的端面之间设置一抽成真空的电子回旋加速器管，待加速的电子在其中回旋。将各内磁轭件的端面成形成使由主磁场线圈产生的磁场迫使电子处在一圆形轨道上并且其还聚焦到该圆形轨道所处的平面上。为了控制磁通量，已知在各内磁轭件的端面之间在电子回旋加速器管内设置一铁磁的嵌件。 [0006] 将电子例如借助于一电子枪注射入电子回旋加速器管中并且提高通过主磁场线圈的电流并从而提高磁场的强度。通过改变的磁场产生一电场，其将电子在其圆形轨道上加速。同时利用磁场强度均匀地提高对电子洛伦兹(Lorentz)磁力。借此将各电子保持在同一轨道半径上。如果取消对准于圆形轨道的中心的洛伦兹磁力和相反的向心力，则一电子在一圆形轨道上运动。由此得出 条件： [0007] [0008] 其中 [0009] 在此rs是电子的额定轨道半径，A是由额定轨道半径rs限定的面积和 [0010] 按照公开文本DE 23 57 128 A1围绕铁磁的嵌件设置另一线圈，其在加速阶段时与主磁场线圈串联并相应地通电流。经由一可控硅开关达到，该另一线圈在加速阶段结束时改变磁场，而使得不再满足 条件并从而使电子从其额定轨道转向靶极。 [0011] 已知的电子回旋加速器的缺点是这样的事实，即只将注射入电子回旋加速器管中的电子的一小部分加速到要求的终端能量并由此得不到高的效率。 发明内容[0012] 因此本发明的目的是，提供一种具有提高的效率的电子回旋加速器。 [0014] 一按照本发明的电子回旋加速器具有：一由两间隔开设置的元件构成的旋转对称的内磁轭；至少一个在各内磁轭件之间的圆片坯，其中将圆片坯设置成使其纵轴线与内磁轭的旋转对称轴线重合；一连接两内磁轭件的外磁轭；至少一个主磁场线圈；一在各内磁轭件之间设置的圆环形电子回旋加速器管和在所述至少一个圆片坯的区域内的至少一个调谐线圈。按照本发明还设置一控制电子装置，用于在电子注入到电子回旋加速器管中的注射阶段时控制通过调谐线圈的电流。 [0015] 注射阶段对此不仅包括将电子射入电子回旋加速器的时间间隔，而且至少部分地也包括紧接着的阶段，在该阶段电子还未在要求的额定圆形轨道上运动。 [0016] 在本发明的一实施形式中，一调谐线圈的各接头经由一耗电器相互连接并且在至少一个在调谐线圈与耗电器之间的导线中设置一通过控制电子装置可操纵的开关。所述开关涉及例如一大功率半导体开关如IGBT(绝缘栅二极晶体管)。耗电器涉及例如一电阻或一半导体漏极。一半导体漏极的优点是，通过调谐线圈可调节其强度并从而可调节电流。在闭合的开关时，调谐线圈和耗电器构成一电路。其产生一电流，借其调谐线圈消除圆片坯中的磁场的能量，其经由耗电器通常转变成热。 [0017] 在本发明的另一实施形式中，一调谐线圈的各接头连接于一电源并且在至少一个在调谐线圈与电源之间的导线中设置一通过控制电子装置可操纵的开关。在开关中再次涉及大功率半导体开关例如IGBT(绝缘栅二极晶体管)。在闭合的开关时一电流输入调谐线圈中，其产生一磁场，该磁场叠加在主磁场线圈的磁场上。 [0018] 通过调谐线圈在圆片坯的区域内的位置在一电流通过调谐线圈时改变通过由额定轨道半径限定的面积的平均的磁场强度，但不引起在额定轨道半径本身上的磁场强度的显著的变化。同样该数值随时间的导数也是如此。因此改变 的条件，这在电流通过调谐线圈的过程中导致一加大的额定轨道半径rs′。通过电流在调谐线圈电路内的调节可以改变rs′。同时加大的额定轨道半径rs′有利地比额定轨道半径rs更接近注射半径。由此捕获一较大量的注射的电子并且转向一圆形轨道。在中断电流以后重新由要求的额定轨道半径rs满足 条件并且电子转向该额定轨道半径rs。 [0019] 或者在注射电子的过程中，中断通过调谐线圈的电流，借此相对于在加速过程中的额定轨道半径rs缩小在注射过程中的额定轨道半径rs′。这是必需的，如果注射半径小于电子在其上加速的额定轨道半径rs，因此在一内部的半径上注射电子。 [0020] 优选各内磁轭件的相对置的端面彼此镜像对称地构成和设置。同时将对称平面有利地定向成使内磁轭的旋转对称轴线与其垂直。这导致在各端面之间的空气隙中的一有利的场分布，借此将在电子回旋加速器管中的电子保持在一圆形轨道上。 [0021] 此外优选在内磁轭上、特别在内磁轭的一缩小部或一凸缘上设置至少一个主磁场线圈。这导致，基本上通过内磁轭引导全部由主磁场线圈产生的磁通量。有利地电子回旋加速器具有两个主磁场线圈，其中在每一内磁轭件上设置一个主磁场线圈。这导致磁通量在各内磁轭件上的一有利的分布。 [0022] 在本发明的一实施形式中，调谐线圈包围至少一个圆片坯的外圆周。圆片坯因此基本上完全塞满调谐线圈的内部。该结构的优点在于，调谐线圈的每一圈通过圆片坯的包围的磁活性材料的全部横截面面积缩小磁场。 [0023] 在本发明的另一实施形式中，调谐线圈设置在两圆片坯之间。这具有一减小的空间需要的优点，因为调谐线圈不超出圆片坯的圆周。同样另一有利的实施形式也是如此，其中调谐线圈设置在一圆片坯与一内磁轭件的端面之间。 [0024] 如果调谐线圈设置在两圆片坯之间或在一圆片坯与一内磁轭件的端面之间，则调谐线圈例如构成螺旋形的。这导致调谐线圈的一不大的结构高度并从而导致在各圆片坯之间或在圆片坯与内磁轭件的端面之间的一微小空气隙。 [0025] 本发明的电子回旋加速器有利地在一X射线检验装置中用于物体的安全检验。其将电子注射入电子回旋加速器中并在其转向一由钽构成的靶极之前将其加速。在那里电子产生具有一已知的光谱的X射线。将X射线对准物体、优选一集装箱和/或一车辆并且在那里例如通过散射或透射阻尼修正它。由一X射线探测器测量修正的X射线并且借助于一评价装置分析。由结果得出关于物体的特性或其内装物的结论。附图说明 [0026] 借助一实施例更详细地说明本发明。其中： [0027] 图1一按照本发明的电子回旋加速器的示意的剖视图； [0028] 图2a至2c图1中包括不同的调谐线圈的圆片坯区域的放大图； [0029] 图3磁场强度沿半径的定性的走势； [0030] 图4一具有一耗电器的调谐线圈开关电路和 [0031] 图5一具有一电源的调谐线圈开关电路。 具体实施方式[0032] 图1示出一优选的电子回旋加速器1的示意的结构的横剖视图。其还具有一由两个间隔开设置的元件2a、2b构成的旋转对称的内磁轭；四个在内磁轭件2a、2b之间的圆片坯3a至3d，其中圆片坯3a至3d的纵轴线与内磁轭的旋转对称轴线相应；一连接两内磁轭件2a、2b的外磁轭4；一在内磁轭件2a、2b之间设置的圆环形的电子回旋加速器管5；两个主磁场线圈6a和6b以及一个在图1中未示出的控制电子装置8。主磁场线圈6a和6b设置在内磁轭件2a或2b的凸缘上。由其产生的磁场穿过内磁轭件2a和2b，其中通过外磁轭4闭合磁回路。内磁轭和/或外磁轭的形状可以由本领域的技术人员按照应用情况选择，并且不同于图1中所示的形状，也可以设有只一个或两个以上主磁场线圈。不同数量和/或形状的圆片坯同样是可能的。 [0033] 磁场在内磁轭件2a与2b的端面之间部分地延伸通过圆片坯3a至3d并且此外延伸通过一空气隙。在该空气隙中设置电子回旋加速器管5。对此涉及一抽成真空的管，在其中加速电子。内磁轭件2a和2b的端面具有一这样的形状，所述形状如此地选择，使得磁场将电子聚集到一圆形轨道上。各端面的实施形式对于本领域的技术人员来说是已知的并因此不更详细地说明。电子在加速过程的终端撞到一靶极上并因此产生一X射线，其光谱还取决于电子的终端能量和靶极的材料。 [0034] 为了加速将电子以一初始能量注入电子回旋加速器管中。在加速阶段时通过主磁场线圈6a和6b继续增大电子回旋加速器1中的磁场。借此产生一电场，其对电子施加一加速力。同时由于洛伦兹磁力迫使各电子处在电子回旋加速器管5内的一额定圆形轨道上。 [0035] 周期性重复进行电子的加速，借此产生一脉冲的X射线。在每一周期中在一第一步骤中将电子注射入电子回旋加速器管5中。在一第二步骤中通过主磁场线圈6a和6b中的一渐升的电流并因此通过在内磁轭2a与2b之间的空气隙中的一渐增的磁场将电子沿其圆形轨道的圆周方向加速。在第三步骤中为了产生X射线将加速的电子转向(ausgeschleust)靶极。紧接着在重新将电子注入电子回旋加速器内之前进行一任选的停歇。 [0036] 图2a至2c示出电子回旋加速器1在包括一调谐线圈的不同的位置的圆片坯3a至3d的区域内的放大的部分。在两邻接的圆片坯之间或在一外面的圆片坯3a、3b与一内磁轭 2a、2b之间分别设置一空气隙和/或一不可磁化的材料。由此产生图3中用虚线示出的、从内磁轭的旋转对称轴线开始沿半径的磁场B(r)的定性的走势。由于圆片坯材料的导磁率在圆片坯的区域内的磁场强于在内磁轭件2a与2b之间的无圆片坯的空气隙中的磁场。 [0037] 图2a示出本发明的一实施形式，其在圆片坯3d与内磁轭件2b之间具有一成螺旋形卷绕的调谐线圈7a。调谐线圈7b在图2b中相反包围圆片坯3c的外圆周，从而圆片坯3c如同调谐线圈7b的一铁芯起作用。图2c中的调谐线圈7c成螺旋形卷绕并且设置在圆片坯3a与圆片坯3b之间的空气隙中。调谐线圈7a或7c按选择可以具有另一卷绕方式并且例如沿纵向方向延伸。各调谐线圈通过三圈示于图2a至2c中，其实际的实施形式可以与此不同。 [0038] 调谐线圈的数量和结构由实施的本领域的技术人员决定。对此一单独的调谐线圈的应用或多个线圈的一任意的组合及其在圆片坯区域内的位置是可能的。调谐线圈的一变型的形式也是可能的，其不仅包围一圆片坯的圆周而且具有一在两圆片坯之间或在一圆片坯与一内磁轭件之间的一间隙中的延伸部。 [0039] 上述 条件适用于电子在电子回旋加速器管5中的轨道，其由此产生，向心力平衡洛伦兹磁力。虚线的水平线标出通过由额定轨道半径rs限定的面积的平均的磁场强度 [0040] [0041] ，是一稳定的额定轨道半径，电子在该额定轨道半径上旋转。 [0042] 通常电子不在该稳定的额定轨道半径上注射入电子回旋加速器5中，由此只注射的电子的一小部分被迫使处在圆形轨道上。因此按照本发明在注射阶段时干扰上述平衡条件并因此对于该时间间隔得到一改变的额定轨道半径rs′。在该实施例中电子的注射半径大于在加速过程中的额定半径。 [0043] 通过在圆片坯的区域内应用调谐线圈达到平衡条件的干扰。通过控制电子装置8在注射阶段时允许一电流通过调谐线圈7a至7c。由此减弱在圆片坯3a至3d中的磁通量，而在圆片坯之外，亦即特别在电子回旋加速管5的区域内对磁通量没有值得一提的影响。 [0044] 在当前的实施例的一个实施形式中，一调谐线圈7a至7c分别经由一开关、例如一半导体功率开关如一IGBT连接于一负载电阻。这对于调谐线圈7a示意地示于图4中。在注射阶段时控制电子装置8将开关9这样地控制，使得调谐线圈7a暂时地连接于负载电阻10。借此通过电路并从而也通过调谐线圈7a产生一电流，其结果是在由调谐线圈形成的面积内、特别在圆片坯3a至3d中产生一磁场。因此定性地得出图3中用实线示出的磁场强度沿半径的分布B′(r)，其作为主磁场线圈6a、6b和调谐线圈7a的磁场的叠加。 [0045] 可以看出的是，在一电流通过调谐线圈时几乎不影响在内磁轭件2a与2b之间的空气隙中的磁场强度并由此几乎不影响其随时间的导数，但在圆片坯的区域内明显降低。因此图3中通过一虚线标出的通过具有半径rs的面积的平均的场强度 [0046] 在当前的实施例的另一实施形式中，调谐线圈7a如图5中示意所示经由开关9可连接于电源11。如果通过控制电子装置8在注射阶段时闭合开关，则将电流输入调谐线圈7a中。该电流在圆片坯3a至3d中产生一磁场，其反向于由主磁场线圈6a、6b产生的磁场并将其减弱。对电子回旋加速器中的磁场并从而对额定轨道半径的作用如在上述在具有一耗电器的调谐线圈电路的方案中是相同的。 [0047] 图4和5示例性示出调谐线圈7a的电路，其可完全相同地转到调谐线圈7b和7c上。按选择将多个调谐线圈经由一个或多个开关连接于一共同的电阻或连接于共同的电源。此外按选择将每一调谐线圈经由一单独的开关与一为调谐线圈配置的电阻或与一为调谐线圈配置的电源相连接。 [0048] 在另一实施形式中，在注射阶段时将调谐线圈与负载电阻或电源分开，在全部其他的时刻闭合连接。由此在注射过程中额定轨道半径rs′小于半径rs，电子在该半径rs上加速。这当在电子回旋加速器管5的内部的边缘的区域内注射电子时，则是有利的。 |
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