具有同轴空腔的电子加速器 |
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| 申请号 | CN201480027242.8 | 申请日 | 2014-05-15 | 公开(公告)号 | CN105309051A | 公开(公告)日 | 2016-02-03 |
| 申请人 | 艾尔贝姆应用技术有限公司; | 发明人 | 米歇尔·阿布斯; | ||||
| 摘要 | 一种 电子 加速 器，其具有：包含外部柱形导体(11)和内部柱形导体(12)的谐振空腔(10)；用于将电子束(40)横向注入空腔的电子源(20)；与空腔耦合的RF源(50)，其产生朝向所述空腔的 电场 (E)，以按照连续不同的横向轨迹朝着空腔多次加速电子(40)；以及至少一个致偏磁 铁 (30)，其被部署成将逸出电子重定向回到空腔中。该RF源(50)以脉冲模式来为空腔提供 能量 ，由此能够构造尺寸减小且成本降低的加速器。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种电子加速器，包括： |
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| 说明书全文 | 具有同轴空腔的电子加速器技术领域[0001] 本发明涉及一种具有谐振空腔的电子加速器，其中电子被依照连续且不同的轨迹多次横向加速。关于此类加速器的一个典型示例是 它是一种具有单个同轴空腔的加速器，其中电子依照花朵形状的轨迹而被注入并且横向加速(在希腊语中，“Rhodos”的意思是花)。 背景技术[0003] -谐振空腔，该谐振空腔呈现出两个同轴圆柱形导体，这两个导体的末端短接并且在其中间横切面的层面上呈现多个圆孔，以便能让电子通过， [0004] -电子源，其产生电子束，并且在空腔的中间横切面中沿径向方向将电子束注入谐振空腔， [0007] -电子束输出端口。 [0008] 此类加速器是在连续波(CW)模式下工作的，这意味着在工作过程中，来自RF源的RF功率会被持续施加于谐振空腔，并且电子源会持续地将电子注入空腔(尽管从微观结构层面进一步查看，电子是以对于商用 常用的100MHz到200MHz的频率的集束注入空腔)。因此，在加速器的输出端口上递送的是一个连续的加速电子束。 [0009] 诸如这种已经被申请人商业化的 通常递送的是高达10MeV的电子束能量，并且其最大电子束功率的范围是45KW到700KW。其RF源通常在大致约100MHz或者约200MHz的VHF频率范围中工作，并且其RF功率的范围是150KW到600KW。 [0010] 这些类型的加速器通常会通过与诸如波束扫描系统之类的周边设备相结合而被用于消毒、聚合物改性、浆料处理、食物的低温巴氏杀菌等等。 [0011] 考虑到其超出诸如线性加速器(也被称为LINAC)之类的其他类型的电子加速器的诸多优点，它们偶尔也被用于检测和安全用途，比如用于检测隐藏和禁带物质及货物——例如武器、爆炸物、毒品等等。在此类应用中，电子束通常在垂直于扫描方向移动的物体上进行行扫描。 [0012] 然而，已知的加速器似乎过于笨重并且过于昂贵，对于此类应用而言尤其如此。 发明内容[0013] 本发明的目的是提供一种再循环类型的电子加速器，其与现有的此类加速器相比更小且更为廉价，其优选适合如上所述的检测和/或安全用途。 [0015] 根据本发明，所提供的是一种电子加速器，包括： [0016] -具有外部导体和内部导体的谐振空腔， [0017] -电子源，其产生电子束并将该电子束横向注入谐振空腔， [0018] -RF源，其与谐振空腔相耦合，并用处于标称RF频率的RF功率来为谐振空腔提供能量，以及产生朝着所述谐振空腔的电场，以便依照连续不同的横向轨迹朝着空腔多次加速电子束中的电子， [0019] -至少一个致偏磁铁，其在电子束从空腔中露出时使得所述电子束向后弯曲，并且朝着空腔重定向所述电子束， [0020] 其特征在于：RF源利用脉冲RF功率为谐振空腔提供能量，该脉冲RF功率具有第一脉冲频率、小于100％的第一占空比以及第一脉冲持续时间。 [0021] 通过对空腔施加脉冲RF功率，加速器输出端上的电子束同样被施以脉冲，并且会在每一个脉冲持续时间中具有高输出功率，以及在剩余的脉冲周期中具有低输出功率(或者没有输出功率)。因此，加速器会在脉冲持续时间中递送与诸如检测和安全应用之类的所需应用相适合的电子束功率，但是减小了平均损耗功率。已知功率会随着标称RF频率的平方根而增大，与简单地缩小现有技术中的这类加速器的尺寸相比，该解决方案允许以较低的成本来构造较小的加速器。此外，与例如线性加速器(LINAC)相比，可以实现更高的占空比。 [0022] 优选地，外部导体和内部导体是轴A的同轴柱形导体，这两个柱形导体在其末端分别与顶部导电隔板以及底部导电隔板相短接，电子源在谐振空腔的中间横切面中沿着径向方向将电子束注入谐振空腔，RF源产生朝着所述谐振空腔的谐振横向电场(E)，以便依照遵循外部柱形导体的角位移直径的连续轨迹并朝着中间横切面来多次地横向加速电子束中的电子，以及所述至少一个致偏磁铁在电子束从空腔中露出时使得所述电子束向后弯曲并且在中间横切面中朝着轴A重定向所述电子束。在包含这些优选特征时，加速器是例如尤其适合检测和安全应用的 类型加速器。 [0023] 优选地，所述第一占空比大于1％。 [0024] 更优选的是，所述第一占空比大于5％。 [0025] 更优选的是，所述第一占空比小于40％。 [0026] 优选地，第一脉冲频率小于10KHz。 [0027] 更优选的是，第一脉冲频率小于5KHz。 [0028] 优选地，电子源将脉冲电子束注入谐振空腔，所述脉冲电子束具有第二脉冲频率、小于100％的第二占空比以及第二脉冲持续时间，所述第二脉冲频率小于标称RF频率。与注入连续电子集束相比，通过将脉冲电子束注入由RF源以脉冲方式激励的空腔，损失的粒子相对较少。附图说明 [0029] 本发明的这些和其他方面将借助示例并通过参考附图而被更详细地说明，其中： [0030] 图1a示意性地显示了根据本发明的例示电子加速器； [0031] 图1b示意性地显示了图1a中的电子加速器的横截面； [0032] 图2示意性地显示了RF功率随时间的脉动； [0033] 图3示意性地显示了由电子源注入空腔的电子束电流随时间的脉动； [0035] 图5示意性地显示了RF源的脉动和电子源的脉动如何同步的示例。 [0036] 这些附图并不是按比例绘制的。通常，相同的组件在附图中是用相同的参考数字表示的。 具体实施方式[0037] 图1a示意性地显示了一个根据本发明的例示电子加速器。该电子加速器包括谐振空腔(10)，该谐振空腔具有轴线为(A)的外部柱形导体(11)以及具有相同轴线(A)的内部柱形导体(12)，这两个柱形导体在它们的末端分别与顶部导电隔板(13)以及底部导电隔板(14)相短接。该电子加速器还包括电子源(20)(例如电子枪)，该电子源产生电子束(40)并且在谐振空腔(10)的中间横切面(MP)中沿径向方向将电子束(40)注入谐振空腔(10)。 [0038] 此外，该电子加速器还包括RF源(50)，其经由耦合器(55)与谐振空腔相耦合，并且被设计成以标称RF频率(fRF)振荡并且朝着谐振空腔产生一个谐振横向电场(E)，以便朝着中间横切面(MP)并依照遵循外部柱形导体(11)的角位移直径的连续轨迹来多次加速电子束(40)中的电子。该谐振横向电场通常是“TE001”型，这意味着该电场是横向的(“TE”)，所述电场具有旋转对称性(第一个“0”)，所述电场不会在空腔的一个半径上被抵消(第二个“0”)，以及在与空腔的轴A平行的方向上有所述电场的半个周期。RF源(50)通常包括一个用于产生处于标称RF频率(fRF)的RF信号的振荡器，其后跟随的是一个放大器或一系列放大器，用于在这一系列放大器的末端实现预期的输出功率。 [0039] 该电子加速器还包括至少一个致偏磁铁(30)，用于向后弯曲从外部柱形导体(11)露出的电子束(40)，以及朝着轴A重定向所述电子束。在本示例中有三个这样的弯转磁铁，从而电子束会形成四条通过空腔的通路。 [0040] 图1b示意性地显示了依照图1a的加速器的中间平面的横截面，在其上可以更清楚地看到用虚线示出的电子束(40)的轨迹(花朵形状)以及电子束输出(41)。 [0041] 在本领域中，此类加速器是众所周知的，例如可以从欧洲专利EP-0359774以及美国专利US-5107221中获知，其中这两篇专利在这里都被引入以作为参考，并且由此不在这里对其进行更详细的描述。 [0042] 现在将注意力放到RF源和电子源的操作方式上。 [0043] 根据本发明，RF源被设计成以脉冲模式而不是连续波(CW)模式运作。在图2中对此进行了图示，其中该图示意性地显示了施加于空腔(10)的RF功率(PRF)随时间的脉动。在该图中可以看出，所述RF功率被周期性地施加脉冲，并且呈现RF功率为高的“ON”状态(PRFH)以及RF功率低于“ON”状态中的“OFF”状态(PRFL)。 [0044] 作为示例，在这里可以让PRFL＝PRFH/10。优选地，PRFL＝0。 [0045] “ON”状态具有第一脉冲持续时间TPRFP(也被称为脉冲宽度)。脉冲以第一脉冲频率fRFP(也被称为脉冲重复率)周期性地重复。 [0046] 由此，脉冲周期是TRFP＝1/fRFP。 [0047] 由此，脉冲RF功率呈现出第一占空比DC1＝100*TPRFP/TRFP(以％为单位)。 [0048] 根据本发明，DC1<100％。 [0049] 优选地，DC1>1％。 [0050] 更优选的是，DC1>5％。 [0051] 更优选的是，DC1<40％。 [0052] 更为优选的是，15％ [0053] 优选地，fRFP<10KHz [0054] 更优选的是，fRFP<5KHz。 [0055] 更为优选的是，5Hz [0056] 更为优选的是，90Hz [0057] 根据一个优选实施例，RF源被设计成以如上所述的脉冲模式运作，并且电子源(20)将脉冲电子束(40)注入谐振空腔(10)，所述脉冲电子束具有第二脉冲频率(fBP)、小于100％的第二占空比(DC2)以及第二脉冲持续时间(TPBP)，所述第二脉冲频率(fBP)小于标称RF频率(fRF)。 [0058] 在图3中示出了根据这个优选实施例的电子源的操作，该图示意性地显示了由电子源注入空腔的电子束电流(IB)随时间的脉动。 [0059] 在该图上可以看出，电子束电流(IB)被周期性地施加脉冲，并且呈现出“ON”状态和“OFF”状态，其中在所述“ON”状态中，所述电子束电流周期性或者持续性地为高(IBH)，而在所述“OFF”状态，所述电子束电流周期性或者持续性地低于“ON”状态(IBL)。 [0060] 作为示例，我们可以让IBL＝IBH/10。优选地，IBL＝0。 [0061] “ON”状态具有第二脉冲持续时间TPBP(也被称为脉冲宽度)。 [0062] 电子束脉冲以第二脉冲频率fBP(也被称为脉冲重复率)周期性重复。 [0063] 由此，脉冲周期是TBP＝1/fBP。 [0064] 由此，脉冲电子束呈现出第二占空比DC2＝100*TPBP/TBP(以％为单位)。 [0065] 根据本发明，DC2<100％。 [0066] 优选地，DC2>1％。 [0067] 更优选的是，DC2>5％。 [0068] 更优选的是，DC2<40％。 [0069] 更为优选的是，15％ [0070] 优选地，fBP<10KHz。 [0071] 更优选的是，fBP<5KHz。 [0072] 更为优选的是，5Hz [0073] 更为优选的是，90Hz [0074] 应该指出的是，IBH和IBL都表示电子源输出端上的峰值电子束电流。实际上，正如在图4中看出的，在电子束电流中存在微观结构，图4显示的是图3中的信号的放大视图但是为了清楚起见并未按比例绘制。在图4中，采用虚线形式的方波显示了所述微观结构。每一个虚线脉冲都代表了电子源以远大于第二脉冲频率fBP的电子集束频率feb周期性(Teb)放射的电子集束。作为示例，我们可以让feb>100MHz，同时fBP<10kHz。 [0075] 一般来说或者优选的是，电子集束频率与标称RF频率是相同的：feb＝fRF。 [0076] 优选地，电子加速器还包括用于将注入空腔的电子的脉动与RF功率的脉动相同步的同步装置(60)。 [0077] 图5示意性地显示了RF源的脉动和电子源放射的电子束电流的脉动如何同步的示例。 [0078] 在图5中： [0079] -PRF是RF功率(用于为空腔提供能量)。 [0081] -IB是由电子源注入空腔的电子束电流(在电子束电流具有如图4所示的微观结构的情况，其是电流包络)。 [0082] -PB是加速器输出端上的电子束电流的功率， [0083] -PRFtot是PRF与PB的总和，该总和是关于加速器所消耗的总功率的良好指示。 [0084] -TPRFP是第一脉冲持续时间， [0085] -fRFP是第一脉冲频率， [0086] -TPBP是第二脉冲持续时间， [0087] -fBP是第二脉冲频率。 [0088] 在本示例情况中，fBP＝fRFP。 [0089] 此外，电子束仅仅在RF功率的“ON”状态的一部分之中才处于其“ON”状态，并且在RF功率处于其“OFF”状态时，电子束处于其“OFF”状态，因此，TPBP [0090] 优选地，一旦URF达到URFmax的足够百分比(例如在URF＝k·URFMmax，k＝0.8或k＝0.9时)，电子束就转入其“ON”状态；以及一旦URF降到URFmax的某一百分比之下(例如在URF＝k·URFMmax，k＝1或k＝0.9或k＝0.8时)，电子束就转入其“OFF”状态。 [0091] 由此，举例来说，通过监视URF的演变，可以实现注入电子束脉冲与RF脉冲的同步。作为替换，我们还可以计算URF的上升时间，并且据此触发注入电子束的“ON”状态。所述上升时间可以使用以下公式来估计： [0092] 上升时间＝Q/π·fRF，其中： [0093] Q＝谐振空腔的质量因数， [0094] π＝pi＝3.1416……， [0095] fRF＝标称RF频率。 [0096] 在底部曲线上，我们可以看出总RF功率PRFtot(＝电子束的RF功率加上空腔的RF功率)如何随时间而演变。在一个实际范例中，作为示例，我们可以得到以下值： [0097] PRFL＝0 [0098] PRFH＝140KW [0099] PBH＝40KW [0100] 因此，PRFtot＝180KW [0101] 作为一个实际范例，可选择以下值用于实施根据本发明的电子加速器： [0102]空腔直径(内侧) 573mm fRF 375MHz DC1 25％ fRFP＝fBP 100Hz-1000Hz DC2 <25％ [0103] 实验显示，以上数值将会导致产生以下的性能结果： [0104] [0105] 为了获得期望的脉动，我们可以使用以下的方法和设备。 [0106] 就所涉及的RF源(50)而言，其通常包括一个以标称RF频率fRF振荡的振荡器。通过在振荡器的输出端与RF放大级的输入端之间插入例如RF开关，以及通过使用诸如处于第一脉冲频率fRFP且具有第一占空比DC1的脉冲发生器来随时间控制RF开关的ON和OFF状态，我们将会获得为空腔(10)提供能量的RF电源的期望脉动。作为替换，也可以例如通过对RF链中例如基于FET的放大器的漏极或栅极施加脉冲波形来获得该脉动。 [0107] 就所涉及的电子源来说，其通常包括电子放射阴极和用于控制电子集束放射的栅格。由此，我们可以继续采用与RF源相类似的处理，例如依照处于第二脉冲频率fBP且具有第二占空比DC2的脉冲波形来切换施加在所述栅格上的RF电压，所述脉冲波形例如是由脉冲发生器提供的。 [0108] 优选地，电子加速器还包括用于改变第一脉冲频率(fRFP)的装置。 [0109] 优选地，电子加速器还包括用于改变第二脉冲频率(fBP)的装置。 [0110] 优选地，电子加速器还包括用于改变第一占空比(DC1)的装置。 [0111] 优选地，电子加速器还包括用于改变第二占空比(DC2)的装置。 [0112] 为此目的，在这里可以使用一个脉冲发生器，该脉冲发生器对如上所述的中间RF开关的ON和OFF状态进行控制，并且其脉冲频率和/或占空比是可以调节的。 [0113] 本发明是依照具体实施例来描述的，其中该实施例对本发明进行了例证，但是不应被解释成是进行限制。更一般地说，本领域技术人员将会认识到，本发明不受在上文中具体显示和/或描述的内容的限制。 [0114] 权利要求中的参考数字并未限制其保护范围。 [0115] 使用动词“包括”、“包含”、“由……组成”或是其他任何变体及其相应的词形变化并不排除除了所陈述的要素之外的其他要素的存在。 [0116] 在要素之前使用冠词“一”、“一个”或“该”并不排除多个此类要素的存在。 [0117] 总的来说，本发明还可以被描述如下：一种电子加速器，其具有：包含了外部柱形导体(11)和同轴的内部柱形导体(12)的谐振空腔(10)，用于将电子束(40)横向注入空腔的电子源(20)，与空腔耦合的RF源(50)，其产生朝向所述空腔的电场(E)，以按照连续不同的横向轨迹朝着空腔多次加速电子(40)，以及至少一个致偏磁铁(30)其被部署成将逸出电子重定向回到空腔中。该RF源(50)以脉冲模式来为空腔提供能量，由此能够构造尺寸减小且成本降低的加速器。 [0118] 此类电子加速器可以用于多种用途，并且优选可以用于从被加速电子直接形成的图像或是例如由所述电子在击中金属目标之后生成的X射线而间接形成的图像中检测出隐藏和/或禁带和/或有害的物质和/或货物，例如武器、爆炸物、毒品等等。 |
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