技术领域
[0001] 本
发明涉及加速器领域，具体地涉及一种用于电子直线加速器的波导系统以及具有该波导系统的电子直线加速器。
背景技术
[0002] 电子直线加速器是利用
微波电
磁场的作用加速电子，使之提高
能量的设备。利用加速器产生的电子束在科研、工业等方面都有广泛的应用前景，如医疗、辐照、成像等。
[0003] 现有科研及工业电子直线加速器系统中，因为射频脉冲功率和
平均功率均偏低，所以射频功率由功率源至加速器
耦合器的波导系统中仅采用单波导结构。然而，当使用大功率加速器系统时，需要较高的射频功率(一般要求脉冲功率5MW，平均功率40kW以上)，现有的波导系统便略显不足。具体地，因工艺及使用工况的限制，将波导窗应用于大功率加速器系统上时，会存在破裂现象。然而，其中的破损原理非常复杂，在科研上，需要通过多种监测手段(比如，
亮度监测、
温度监测和波导系统
驻波比保护等)实时监控波导窗的工作状态，以保证其正常工况。这些复杂监测手段的使用极大地限制了波导窗在工业用大功率电子加速器中的应用范围和可靠性。
发明内容
[0004] 为了解决
现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种用于电子直线加速器的波导系统。
[0005] 根据本发明的一个方面，提出了一种用于电子直线加速器的波导系统。该波导系统包括：第一H-T波导，包括第一主波导部分和第一分支臂部分，所述第一主波导部分的两端具有第一端口和第二端口，所述第一分支臂部分具有第三端口，其中，所述第三端口连接到功率源，被配置为接收来自功率源的微波输入；以及第二H-T波导，包括第二主波导部分和第二分支臂部分，所述第二主波导部分的两端具有第四端口和第五端口，所述第二分支臂部分具有第六端口，其中，所述第四端口和第五端口分别连接到所述第一H-T波导的第一端口和第二端口，被配置为接收来自所述第一H-T波导的微波传输，以及所述第六端口连接到加速器耦合器，被配置为向所述加速器耦合器进行微波输出。
[0006] 优选地，所述第二H-T波导的第四端口和第五端口分别经由波导隔离窗连接到所述第一H-T波导的第一端口和第二端口。
[0007] 优选地，所述第一H-T波导和/或所述第二H-T波导具有对称结构。
[0008] 优选地，所述第一H-T波导的第一端口和第二端口之间中点处的与从第一端口到第二端口的方向垂直的平面将第一H-T波导分为镜面对称的两部分。作为补充或备选，所述第二H-T波导的第四端口和第五端口之间中点处的与从第四端口到第五端口的方向垂直的平面将第二H-T波导分为镜面对称的两部分。
[0009] 优选地，所述第二H-T波导内部为
真空，以及所述第一H-T波导内部填充有六氟化硫气体。
[0010] 优选地，所述第一H-T波导的腔中的最大
电场强度小于六氟化硫气体的击穿场强。
[0011] 优选地，在第一H-T波导的第一主波导部分的腔体内与第一分支臂部分相对的内壁上设置有第一鳍片，该第一鳍片位于与从第一端口到第二端口的方向垂直的、将所述第一分支臂部分平分的平面上。作为补充或备选，在第二H-T波导的第二主波导部分的腔体内与第二分支臂部分相对的内壁上设置有第二鳍片，该第二鳍片位于与从第四端口到第五端口的方向垂直的、将所述第二分支臂部分平分的平面上。
[0012] 优选地，所述第一鳍片和/或所述第二鳍片的尺寸被设置为使得所述第三端口和/或第六端口处的反射损耗小于20.8dB。
[0013] 优选地，所述第一H-T波导中第一端口和第二端口在从第一端口到第二端口的方向上的
位置和/或所述第二H-T波导中第四端口和第五端口在从第四端口到第五端口的方向上的位置被设置为最大化从第四端口和第五端口输入到第二H-T波导中的微波传输的合成效率。
[0014] 根据本发明的另一方面，还提供了一种电子直线加速器。该电子直线加速器包括根据上文所述的用于电子直线加速器的波导系统。
[0015] 在大功率加速器系统中，通过使用本
申请所提供的用于电子直线加速器的波导系统，能够有效并可靠地将大功率微波由功率源馈入大功率加速管，并保证波导系统的稳定运行。
附图说明
[0016] 图1中示出了一种示例性的H-T波导的结构图。
[0017] 图2示出了根据本发明的一个
实施例的用于电子直线加速器的波导系统的结构示意图。
[0018] 图3示出了根据本发明的实施例的波导系统中的一种优选H-T波导的结构图。
具体实施方式
[0019] 下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必釆用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的结构、
电路、材料或方法。
[0020] 在整个
说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着，结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。以下参考附图对本发明进行具体描述。
[0021] 在以下结合附图对本发明的技术方案进行的描述中，附图中各个元素的尺寸、比例及位置关系只是示例性的，所图示的各元件之间的连接方式也只是为了进行说明，其均不用于限制本发明。
[0022] H-T波导
[0023] 在众多微波器件中，用于将
微波能量从主波导中分路接出的元件称为波导分支器，它是微波
功率分配器件的一种。常用的波导分支器有E-T波导、H-T波导和匹配双T波导。本申请技术方案中使用的是H-T波导。H-T波导的分支臂位于主波导的窄边面上，其轴线平行于主波导的TE10模的磁场方向。图1中示出了一种示例性的H-T波导100的结构图。在图1中，H-T波导100的主波导两端具有端口1和2，其分支臂具有端口3。可以看出，该H-T波导的结构简单，便于加工和调试。
[0024] H-T波导100的工作特性如下：
[0025] 当从端口3输入时，在主波导的两个端口1和2输出等幅同相射频功率；
[0026] 当从端口1和2输入等幅同相射频功率时，在端口3输出二者的合成功率。此时，端口3有最大输出，主波导中呈现驻波。一般来讲，要求波导的
电压驻波比小于1.2(即端口3的电压驻波比上限)，因此，需要端口3的反射损耗小于20.8dB。
[0027] 双波导结构
[0028] 图2示出了根据本发明的一个实施例的用于电子直线加速器的波导系统200的结构示意图。
[0029] 所述波导系统200包括第一H-T波导210和第二H-T波导220。所述第一H-T波导210包括第一主波导部分(波导210的右半部分)和第一分支臂部分(波导210的左半部分)。所述第一主波导部分的两端具有第一端口211和第二端口212，所述第一分支臂部分具有第三端口213。所述第二H-T波导220包括第二主波导部分(波导220的左半部分)和第二分支臂部分(波导220的右半部分)。所述第二主波导部分的两端具有第四端口221和第五端口222，所述第二分支臂部分具有第六端口223。
[0030] 从图2中可见，所述第一H-T波导210的第三端口213连接到功率源，并且被配置为接收来自功率源的微波输入。所述第二H-T波导220的第四端口221和第五端口222分别经由波导隔离窗连接到所述第一H-T波导210的第一端口211和第二端口212，并且被配置为接收来自所述第一H-T波导210的微波传输。所述第二H-T波导220的第六端口223连接到加速器耦合器，并且被配置为向所述加速器耦合器进行微波输出。
[0031] 在一个实施例中，所述波导隔离窗是陶瓷隔离窗。
[0032] 在一个实施例中，所述第一H-T波导210和/或所述第二H-T波导220具有对称结构。优选地，所述第一H-T波导210的第一端口211和第二端口212之间中点处与从第一端口211到第二端口212的方向垂直的平面将第一H-T波导210分为镜面对称的两部分。所述第二H-T波导220具有类似的结构特征。
[0033] 优选地，所述第二H-T波导220内部为真空，以及第一H-T波导210的内部填充有六氟化硫(SF6)气体，以保证微波传输的正常进行。
[0034] 鳍片
[0035] 在根据本发明的实施例的波导系统中，可以对H-T波导的结构进行特殊的涉及，以保证能够实现如上所述的电压驻波比小于1.2的要求。
[0036] 图3示出了根据本发明的实施例的波导系统中的一种优选H-T波导310的结构图。所述H-T波导310的主波导部分具有端口311和312，分支臂部分具有端口313。在H-T波导310的主波导部分的腔体内与分支臂部分相对的内壁上设置有鳍片，所述鳍片位于与从端口
311到端口312的方向垂直的、将所述所述分支臂部分平分的平面上(如图3中虚线所示)。通过优化鳍片的厚度、高度及端面
倒角等参数，可以调整各个端口的
散射参数。
[0037] 波导设计优化
[0038] 在H-T波导结构设计中，需考虑多种参数的设置。比如，在用于分离微波传输的第一H-T波导中，需要考虑各端口的传输参数、波导内最大场强及位置等；在用于合成微波传输的第二H-T波导中，需要考虑因波导的存在而产生的两个合成功率
相位差的影响。此外，还需考虑加工误差对功率合成及平分功率的影响。以下对各个参数的设计考虑进行说明。
[0039] (1)H-T波导端口散射参数设计
[0040] 为保证微波传输的分离和合成效果，可通过如上所述的鳍片结构对散射参数进行调谐。通过优化鳍片的厚度、高度及端面倒角等参数，可以调整各个端口的散射参数，可以使得主波导的两个端口的
不平衡度小于0.1dB，分支臂的端口的反射损耗小于20.8dB，即满足电压驻波比(VSWR)小于1.2的要求。
[0041] (2)最大场强位置及数值确认
[0042] 如上所述，在一种实施例中，为了确保大功率微波传输的正常传输，在波导的腔体中填充了SF6气体。为了确保波导系统的正常工作，需要使得SF6气体不被击穿，从而需要对波导中射频场的最大电场强度及位置进行确定，以保证最大场强小于SF6气体的击穿场强(8.9MV/m)。
[0043] (3)H-T型波导系统的合成功率
相位差影响
[0044] 如以上实施例所述，经过分离的两路微波传输分别穿过陶瓷隔离窗进入真空系统，并通过第二H-T波导进行合成。由于两条路径功率损耗和
相移可能不同，合成的效果会受到影响。
[0045] 具体地，以图1中的H-T波导100为例，将其用作微波合成波导(即第二H-T波导)。来自端口2和端口1的两路经过分离的微波传输，在波导100中合成，并从端口3输出。在理论上，假设端口2和端口1电场幅度比为k，相位差为θ，则其电场的关系为：E2＝kE1exp(jθ)，从而其功率关系满足P2＝k2P1。
[0046] 根据散射矩阵：
[0047]
[0048] 从而，H-T波导100的合成效率η，可表示为：
[0049]
[0050] 根据上式可知，当k＝1且相位差θ为0时，合成效率为100％。下表1中列出了在不同幅度比和相位差情况下的合成效率。
[0051]
[0052] 表1
[0053] 由表1可见，两路微波传输的相位差将对合成效率产生很大的影响。从而，可以通过对波导的长度进行微调来调谐合成效率。具体地，以所述H-T波导100为例，可以将端口1和端口2在从端口1到端口2的方向上的位置设置为最大化从端口1和端口2输入到H-T波导100中的微波传输的合成效率。在一种备选实施例中，还可以通过设置用于分离的H-T波导的端口的位置来调谐合成效率。
[0055] 针对鳍片厚度、长度及位置等机械参数需要进行公差模拟，并针对模拟结果进行加工误差选择。机械误差过大将影响功率合成效率，增加反射功率，从而降低功率传输效果。
[0056] 效果
[0057] 通过使用根据本发明的实施例的波导系统，经冷测实验微调后，端口反射功率小于20.8dB，满足波导系统的使用范围。经现场安装、调试和使用，在脉冲功率5MW，平均功率40kW条件下正常使用累计4000高压小时无故障，验证该波导结构在大功率加速器上的实用性、可靠性。
[0058] 虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附
权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。
