直线加速器，尤其是驻波直线加速器，被称为一种电子束源，用于例 如产生X射线。这个电子束可被引导到一个X射线靶，X射线靶随后产生 适当的辐射。这种X射线或电子束的通常用途是癌症等的医疗。
通常，必须改变电子束在X射线靶上的入射能量。在治疗的纵切面图 可能要求特殊的能量的医学应用中尤其如此。驻波直线加速器包括一系 列加速腔，所说的加速腔借助于与相邻的加速腔对沟通的耦合腔耦合。 按照US-A-4382208，可通过调节在相邻的加速腔之间的射频耦合程度 来改变电子束的能量。
这种几何形状的变化一般是通过使用滑动部件进行的，滑动部件可插 到耦合腔中的一个或多个位置，以改变耦合腔内部形状。但这种处理方 法存在一系列严重的困难，其原因在于由腔的尺寸所确定的各种其它共 振参数。为了保持腔间的相移在一个精确确定的值上，通常必须移动的 这种滑动部件的数目不止一个。滑动部件的移动通常不完全相同，所以 这些部件必须能相互独立地移动，这些部件还相对于其它的滑动部件及 耦合腔必须以极高的精度定位，以维持期望的相位关系。通常要求的精 度是±0.2毫米。这就要求有一个复杂的高精度的定位系统，这种系统 在实践中对于工程技术人员来说是困难的。在具有小于2个移动部件的 方案中(例如在USA专利4286192中建议的系统)，这种设备不能在输入 和输出之间维持一个恒定的相位，使这个设备不能连续地改变射频场， 因而使这种设备的功能成为一个简单的开关。事实上通常称它们为能量 开关。
许多这种方案还建议使用滑动触点，这些滑动触点必须承受大幅度的 射频电流。这样一些滑动触点由于焊接引发的毛病容易失效，不利于滑 动表面达到极高真空系统的质量要求。这类性质的问题是制造能长寿命 可靠运行的设备的关键。
可以将上述建议的解决方案的性质归纳为腔耦合设备，这个设备有一 个入口和一个出口，整个装置的作用在电学方面就像一个变压器。为了 实现可变耦合值，必须按某种方式借助于诸如波纹管、扼流器、和短路 器之类的设备来改变腔的形状。然而，现有技术没有提供能在一个宽的 范围内借助于单轴控制可连续改变耦合大小，同时又能维持相位为恒定 值的任何设备。
因此，当前的本领域状态是：能够在两个预定能量之间提供有效的转 换方式的设计就可以接受。然而，使用能提供真正可靠的能量输出的这 样一种设计获得可靠的加速器是极其困难的。
在美国专利第4746839号中可见现有技术的一个很好的概括。
发明概述
因此，本发明提供一种驻波直线加速器，它包括沿粒子束轴线定位的 多个共振腔，至少一对共振腔是经过耦合腔电磁耦合的，所说的耦合腔 绕其轴线大体旋转对称，但包括用于破坏这种对称的一个非旋转对称部 件，这个非旋转对称部件在耦合腔内可以转动，此转动大体上平行于耦 合腔的对称轴。
在这样一种设备中，可以在耦合腔中建立一种共振，在加速腔内对于 这种共振所说的耦合腔为横向性质。通常采用加速腔内共振的TM(横向 磁场)方式，这就意味着。在耦合腔内可以建立一种TE(横向电场)方 式，如TE111。由于腔大体上旋转对称，所以这个场的取向不由这个腔确 定。相反，所说的取向由旋转部件固定。可在耦合腔表面内的两个点实 现耦合腔和两个加速腔之间的沟通，在这里根据TE驻波的取向将可以“看 见“不同的磁场。于是，以旋转该旋转部件的简单方法即可改变耦合程 度。
在真空腔内转动一个部件是一种众所周知的技术，有许多方法可以实 现这一目标。因此，不存在重大的工程难题。此外，旋转部件本身对涡 流有限制作用，一般不需要桥接该部件和它的周围结构。因此，焊接将 不存在困难。
对于工程容差的设计还具有灵活性。初步实验表明，为了在40°的耦 合范围内获得2％的相位稳定性，只需要2分贝的精度。这样一种旋转精 度不难获得。
优选的作法是，旋转部件在旋转对称性不加限制的耦合腔内可自由转 动。按这种安排提供的设备具有最大的灵活性。
一种适用的旋转部件是沿对称轴线设置桨叶。所说桨叶的位置最好在 腔的宽度的1/2和3/4之间，并且最好靠近腔宽度的2/3处。在这些 限值内可以维持在桨叶和腔表面之间的边缘相互作用。
共振腔的轴线最好垂直于粒子束轴线。这样作在很大程度上简化了射 频相互作用。
加速腔最好经过设在耦合腔表面上的一个端口沟通。特别优选的作法 是，加速腔位于分开40°和140°的半径上。较佳的范围是在60°和120°之 间。特别优选的范围在80°和100°之间，即接近90°。
于是，本发明提出经一个特殊的腔来耦合相邻单元的一种新方法，所 说的腔工作在TM方式，特别是工作在TE111方式。通过选择沿着该腔的端 壁之一形成的一个圆的弦定位的输入和输出孔的耦合位置，可以利用TE111 方式的特有特征实现具有独特优点的一种耦合设备。本发明不去改变腔 的形状，而是借助于一个简单的桨叶在腔的内部旋转TE111方式的极化强 度。因为TE111方式的频率和该场的曲线产生的相对于腔的角度(极化角) 无关，所以耦合到两个点的射频的相对相位相对于这种转动是不变的， 至少在180°范围内是这样的。同时，在位于弦上的两个耦合孔处的射频 磁场的相对大小的变化可高达两个数量级。射频磁场的这种性质是本发 明的可变射频耦合器的基础。
本发明所提出的设备的关键在于，移动的桨叶不像现有技术那样是改 变腔形状的设备，而只是破坏圆柱形腔的圆对称性的设备。由于桨叶不 必和腔壁接触，所以在桨叶和腔壁之间绝对不会有任何纯射频电流。这 使该设备在真空中的构造简单，只需要转动馈入，但这是一种众所周知 的技术。此外，可以通过一个外部磁场来转动桨叶，从而可完全消除对 真空馈入的要求。
附图简述
下面参照附图借助于实例描述本发明的实施例。
图1是圆柱形腔TE111方式的电力线的示意图；
图2表示通过按照本发明的第一实施例的驻波直线加速器的纵向剖面 图；
图3表示沿图2的III-III线的剖面图；
图4表示通过按照本发明的第二实施例的驻波直线加速器的纵向剖面 图；
图5表示沿图4的V-V线的剖面图；
图6是本发明的第三实施例的加速器部件的透视图；
图7是图6实施例的轴向视图；
图8是图6实施例的分解图；
图9是图7沿IX-IX线的剖面图；
图10是图7沿X-X线的剖面图；
图11是本发明的第四实施例的透视图；
图12是图11实施例沿加速器轴线的视图；
图13是沿图12的XIII-XIII线的剖面图；
图14是沿图12的XIV-XIV线的剖面图。
实施例的详细描述
在驻波直线加速器中，可以如图2和3所示的第一实施例那样实施这 种设备。图2和3表示出3个在同一轴上的加速单元10、11、12，它们 是长链形腔的一部分。第一和第二加速腔10、12借助于固定几何形状的 耦合单元16耦合，这是公知的技术。在第二和第三同一轴上的腔12、14 之间，按照本发明用单元18代替所说的固定几何形状的单元。这个单元 18是插入一个圆柱体形成的，构成加速单元的半圆形顶端形成了两个形 状奇特的耦合孔26、28。为了得到期望的功能，这些孔按照理想应该沿 着不在同一个轴上的圆柱体的弦上(不在同一个直径上)，这表明该圆柱 体的中心线偏离了加速器的中心线，如图3所示。这些耦合孔位于腔中 磁场占优势的区域，因此单元之间的耦合是磁性的。然而，和固定几何 形状的单元不同，现在有一种简单的方式可改变单元之间的耦合，在第 二和第三同一个轴上的单元中存在射频电场之比。耦合强度(k)取决于 孔的形状和射频磁场在该孔的位置的局部值。在同一轴上的电场和k值 的比例成反比地变化。因此，
                       E1/E2＝k2/k1
磁场曲线靠近端壁，这就意味着，如果耦合孔沿一个弦定位，，则k1 随k2的减小而增加。
通过轴22将一个可转动的桨叶20夹持在腔18内，轴22延伸到圆柱 形腔18的外部。如图2所示，该轴有手柄24，可使桨叶20转动，显然 可以用适当的致动器代替这个手柄。
桨叶的作用是破坏腔18的对称性，因此可迫使电场电力线垂直于桨 叶的表面。
最终的结果是得到了一种设备，它只有一个简单的移动部件，这个部 件在转动时将对单元之间的耦合提供直接的控制，同时又可保证在输入 和输出之间的相对相移固定，例如标称的π弧度。在该系统中的唯一的 自由度是桨叶的转动角度。在一个典型的驻波的取向应用中，这个转动 角度只需定位到几度的精度。这样一种控制可以在一个宽的能量范围内 连续地调节直线加速器的能量。
按照图4和5所示的第二实施例，耦合腔30还是垂直于加速腔的纵 轴，但沿着它的圆柱形表面与加速腔12、14交叉。于是，加速器的轴和 耦合腔的轴不相交，但沿相互垂直的方向延伸。桨叶20等没有改变。此 外，这个实施例的工作也和第一实施例相同。
图6-10表示本发明的第三实施例。在这些图中，表示出直线加速器 的短的分部件，它包括两个加速腔和在其每一侧的两个耦合腔的半体。 此外，该部件还包括代表本发明的单一耦合腔，它将两个加速腔结合在 一起。一个完整的加速器可由几个轴向结合的这样的分部件构成。
在图6中，加速腔的轴100穿过一个小孔102进入第一耦合腔104(在 图4中看不见)。另一个加速腔108通过孔106与第一加速腔104沟通。 第二加速腔108在其相对侧有另一个孔110，以便与该实施例的所说分部 件沿轴100重叠时形成的随后的加速腔沟通。因此，加速的电子束依次 通过孔102、106、110、等。
在所示的分部件中形成一对半耦合腔。第一个半腔112在第一加速腔 104和由一个相邻的分部件形成的相邻加速腔之间提供一个固定大小的耦 合。这个相邻的分部件将提供耦合腔112的其余的一半。类似地，第二 耦合腔114向由相邻部件提供的相邻腔耦合第二加速腔108。每一个耦合 腔都包括立柱116、118，它们可转动所说的腔以提供所期望的适当水平 的耦合。耦合腔112、114的结构是常规的。
第一加速腔104经过可调节的耦合腔120耦合到第二加速腔108。耦 合腔120由在该部件内的圆柱形空间组成，圆柱体的轴线垂直于加速器 轴100并与之分开。调节两个轴的最接近点和圆柱体半径之间的距离， 使圆柱体和加速腔104、108相交叉，产生孔122、124。如在这个实施例 中所述的，圆柱体120的位置略微靠近第二加速腔108，使孔124大于孔 122。根据加速器其余的部分的设计，这在某些情况下是有益的。然而， 这并不是必须的，在其它的一些设计中可能不需要如此。
在可调节的耦合腔120的一端，形成孔126，以便让轴128可以从中 通过并进入腔的内部。轴128按照公知的方法可旋转地密封在孔126中。 在可调节的腔120中，轴128支撑桨叶130，因此桨叶130是可旋转定位 的，从而在可调节的耦合腔120中确定了TE111场的取向，并且因此定出 在第一耦合腔104和第二耦合腔108之间的耦合量。
在部件内部形成冷却通道，以使水可以流过整个结构。在此例中，总 共提供4个冷却通道，它们围绕加速腔等距配置。两个冷却通道132、134 在固定的耦合腔112、114的上方和下方通过，笔直地通过该单元。另外 两个耦合腔136、138沿和可调节的耦合腔120同一侧通过。为了防止冷 却通道和加速腔104、108或可调节的耦合腔120冲突，形成一对双折弯 140，如图7和8清晰可见。
图8是表示第三实施例构成方式的实例的分解视图。中央基本单元150 包含耦合腔以及第一和第二加速腔104、108的两半体。在铜基片上进行 适当的车削可形成这两个加速腔，之后可以钻出位于两个腔之间的中央 连通孔106，并且形成冷却通道132、134、136、138、以及冷却通道136 和138的双折弯140。然后钻出可调节耦合腔120，以在这个耦合腔和两 个加速腔104、108之间形成孔122和124。然后把盖152、154钎焊到 可调节的耦合腔120的上端和下端，并密封。
然后形成端件156、158，用于通过钎焊步骤固定中央单元150的每一 侧。再有，可以在这些单元内车削出耦合腔104、108的其余的一半，类 似地可以钻出半腔112、114。可以钻出冷却通道132、134、136、138， 类似地可以钻出轴向连通孔102、110。然后可将端件钎焊就位在中央基 本单元的每一侧，密封加速腔，形成单个的单元。
然后，可将多个类似的单元端端相对地钎焊在一起，形成加速腔链。 相邻的加速腔对经固定的耦合腔耦合在一起，这些加速腔对中的各加速 腔都经过可调节耦合腔120耦合到相邻加速腔对中的一个加速腔上。
对这样一些单元进行钎焊是众所周知的，并且简单地包括：夹紧各部 件在一起，在它们之间加一层适宜的易熔钎料合金，并加热该装置到适 当的高温。在冷却后，相邻的腔就牢固地结合在一起。
图11-14表示本发明的第四实施例。类似于第三实施例，这个例子 也表示直线加速器的分部件，包含两个加速腔。可将多个所述的分部件 结合在一起，而产生可工作的加速器。
一对加速单元204、208沿加速轴线200对齐。孔202允许加速的电 子束从相邻的部件进入加速腔204，而孔210允许这个加速的电子束继续 在轴线200上离开加速腔208并进入另一个加速腔。
相互连接两个加速腔204、208以形成可调节的耦合腔220。这个可调 节的耦合腔220由圆柱体构成，圆柱体的轴线垂直于加速器轴200，并与 之分开。圆柱体的半径和轴的位置应该使圆柱体与加速腔204、208相交 叉，因而形成连通孔222、224。如所述的，可调节的耦合腔220的位置 更加靠近加速腔204，因而孔222略大于孔224。然而，这不是在所有的 情况下都是必须的，并且取决于加速器的其余部分的结构。
形成可调节的耦合腔220的圆柱体具有端面260、262，它们沿圆柱体 220的轴线可线性调节。因此，耦合腔的长度可以变化，以与加速器的外 部设计匹配。这个长度需要按照加速器的共振频率进行设定。然而，实 验工作表明，这种设定不需要特别精确。
端壁262包括轴孔226，轴228穿过轴孔226。在端壁262的外侧形 成手柄264，并且在其内表面上形成桨叶230。这个桨叶230的作用是破 坏可调节的耦合腔220的旋转对称性，借此固定TE111场的取向。于是， 通过调节手柄264就可改变场的取向，因而改变耦合的大小。显然，也 可以使用适当的机械式致动器来代替手动调节手柄。
已经发现，可调节的耦合腔，例如在第三和第四实施例中所述的那些 耦合腔，能够在两个加速腔之间提供在0和6％之间的耦合系数。大多数 加速器设计要求最大为4％的耦合系数，因此这个设计对于基本上所有的 情况都能够提供必要的耦合水平。
通过本发明，可以获得连续范围的耦合常数，同时又不会破坏加速腔 之间的相移。此外，第三实施例允许从容易制造的部件构造出一个可以 调节改变的加速器。
本领域的普通技术人员显然可以看出，以上所述的本发明的实施例完 全都是说明性的，从中还可以做出许多变化。