CN102740581A - 具有同轴腔的电子加速器 - Google Patents

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Abstract

具有同轴腔的电子加速器。一种电子加速器(100)包括具有轴A的外部圆柱形导体(11)和同轴内部圆柱形导体(12)的谐振腔(10)；沿谐振腔(10)的中间平面(MP)的径向将电子束(40)注入谐振腔的电子枪(20)；产生横向电场到谐振腔的RF***(50)，该横向电场能沿具有以轴A为中心的花形的轨道使注入的电子(40)加速进入中间平面(MP)；在谐振腔(10)外部且围绕谐振腔(10)设置到中间平面(MP)的偏转磁体，其用来使从外部圆柱形导体(11)产生的电子(40)朝A轴重定向。RF***包括多个末级功率放大器(FPA1，FPA2，...，FPAn)，所述放大器通过本身的单独感应线圈(55)直接耦合到谐振腔(10)，每两个感应线圈以α角在物理上彼此隔开，该α角不是90度的整数倍以减少谐振腔按不希望的模式被激励的风险。

Description

具有同轴腔的电子加速器
技术领域
本发明涉及再循环类型的电子加速器，通常称为
Figure BSA00000723063500011
因为加速器中的电子遵循的轨道具有花的形状(“Rhodos”是指希腊的花)。
本发明更具体地涉及一种电子加速器，该电子加速器包括：
-具有A轴的外部圆柱形导体和同轴的内部圆柱形导体的谐振腔，这两个圆柱形导体分别利用顶部导电闭合和底部导电闭合在它们的端部短路，
-电子枪，其被设置为按照谐振腔的中间横向平面中的径向将一束电子注入到该谐振腔中，
-RF***，其被设置为产生谐振横向电场到该谐振腔中，用于使电子束中的电子多次加速进入所述中间横向平面中并且按照沿所述外部圆柱形导体的角位移直径的连续轨道，所述RF***(50)包括多个末级功率放大器(FPA1，FPA2，...，FPAn)，各个末级功率放大器通过单独的感应线圈(55)独立地耦合到谐振腔(10)，以及
-偏转磁体，其用于使从外部圆柱形导体产生的电子束弯曲，并用于使该束朝A轴重定向。
背景技术
可以从欧洲专利号EP-359774和欧洲专利号EP-694247获知这些加速器。
这些已知的电子加速器的谐振腔由高频率高功率RF源(下文称为RF***)提供能量，该RF源在通常大约100MHz或大约200MHz的VHF频率范围中工作，并且传送达几百千瓦的输出RF功率。
这种已知的RF***通常包括振荡器，该振荡器用来产生所需频率的RF信号，经过放大器链，在该放大器链的最后实现所需的输出RF功率。该放大器链中的最终放大级包括末级功率放大器(通常称为FPA)，该末级功率放大器耦合到谐振腔，使得在谐振腔内部产生适当的横向电场。
这种FPA的中心组件通常是诸如四极管或
Figure BSA00000723063500012
的高功率高频率真空管。在工作时，该真空管受到非常高的热约束，并且在工作期间必须适当地冷却。冷却***的故障例如由于过热将很快导致电子管的损坏，例如导致陶瓷破损。此外，如果插座触点松动或被损坏，则流过电子管电极的高RF电流可能会使这些触点熔化。
毋庸赘言，如果FPA的真空管破损，则加速器将完全失效。这给加速器的用户带来负面影响，尤其由于更换FPA的真空管是精细和费时的任务。
从国际专利公开号WO2008/138998也可获知这种加速器，国际专利公开号WO2008/138998公开了配备有两个FPA的谐振腔，这两个FPA中的每一个通过单独的感应线圈独立地耦合到该谐振腔。这种结构可能工作良好也可能不能工作良好，这取决于没有在该文献中公开的参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种比现有的加速器更可靠和/或更鲁棒的电子加速器。
为此，根据本发明的电子加速器的特征在于，单独的感应线圈按照α角物理上彼此隔开，并使得该α不是90度的整数倍。
发明人实际上发现，令人惊讶地，由于感应线圈的这种几何布置，谐振腔不容易按照不希望的谐振模式(即，不提供按照上面提到的花形轨道在谐振腔中对电子进行加速所通常需要的电场的模式)被激励，否则，这样将使加速器的性能下降或者甚至导致完全失效。
作为提供多个FPA(具体地说，两个以上FPA)的附加优点，能够提供可扩展的加速器。实际上，被设计为传送最大束功率的加速器可以例如初始地配备有一个或两个FPA，该一个或两个FPA传送为传送最大束功率所需的一部分RF功率，并且不需要太多的设计改变，稍后可以实现具有用于传送高达最大束功率的经增加的束功率的附加的FPA的加速器。
在成本方面，值得注意的是，FPA的成本代表加速器的总成本的重要部分。对于诸如需要RF功率在例如1000KW范围中的那些非常高功率的加速器，尤其是这样。能够传送这些高RF功率的真空管是非常独特的，并且因此非常昂贵。现在，通过将总的RF功率分到多个FPA中，使得能够使用低功率和更易于获得的真空管，这种成本乘以为达到额定功率所需的FPA的数量要低于额定功率的单个高功率管的成本。因此能够得到低成本的RF***。
优选地，末级功率放大器的数量是奇数。发明人实际上发现，在这种情形下，谐振腔更不容易按照不希望的谐振模式被激励。
在最优选的情形下，末级功率放大器的数量等于3，并且与这些末级功率放大器对应的单独的感应线圈按照120度的角度物理上彼此隔开。
附图说明
将通过示例的方式并参照附图来详细解释本发明的这些和其它方面，附图中：
图1a和图1b示意性地示出了现有技术的电子加速器；
图2a和图2b示意性地示出了根据本发明的电子加速器；
图3示意性地示出了根据本发明的优选形式的电子加速器的顶视图；
图4示意性地示出了根据本发明的更优选形式的电子加速器；
图5示意性地示出了示例性的末级功率放大器及其如何耦合到根据本发明的电子加速器的谐振腔。
附图未按比例画出。通常，附图中用相同的附图标记来表示相同的组件。
具体实施方式
图1a示意性地示出了现有技术的电子加速器。该电子加速器包括谐振腔(10)，该谐振腔(10)具有轴(A)的外部圆柱形导体(11)和具有相同轴(A)的内部圆柱形导体(12)，这两个圆柱形导体分别利用顶部导电闭合(13)和底部导电闭合(14)在它们的端部被短路。该电子加速器还包括：电子枪(20)，该电子枪(20)被设置为沿谐振腔(10)的中间横向平面(MP)的径向将电子束注入到谐振腔(10)中；以及RF***(50)，该RF***(50)被设置为产生“TE001”类型的谐振横向电场到所述谐振腔(10)中，用于使所述电子束(40)中的电子多次加速进入所述中间横向平面(MP)中并且按照沿所述外部圆柱形导体(11)的角位移直径的连续轨道。通常，“TE001”模式是指电场是横向的(“TE”)，即，所述电场具有旋转对称(第一个“0”)，所述电场沿谐振腔(10)的一个半径不能被抵消(第二个“0”)，并且在与谐振腔(10)的轴A平行的方向上存在所述电场的半周期(half-cycle)。
图1b示意性地示出了图1a中的加速器的横截面，在该横截面上可以更清楚地看到由虚线表示的电子束(40)的轨道(花的形状)。
该加速器还包括偏转磁体(30)，该偏转磁体(30)用于使从外部圆柱形导体(11)产生的电子束(40)弯曲并用于使该电子束流朝向A轴重定向。
这种已知的加速器的RF***(50)通常包括振荡器，该振荡器用来产生在所需频率的RF信号，随后经过放大器链，以在该放大器链的最后达到所需的输出功率。该放大器链中的最终放大级包括末级功率放大器(FPA)，该末级功率放大器耦合到谐振腔(10)，用于为谐振腔(10)提供能量，以使得当RF***(50)工作时在谐振腔(10)内产生适当的横向电场。
这种加速器在现有技术(例如，欧洲专利号EP-0359774和美国专利号US-5107221)中是公知的，因此本文不对此进行更详细的描述。
图2a示意性地示出了根据本发明的电子加速器(100)。除了RF***(50)以外，该加速器(100)的结构和操作与图1a和图1b的加速器类似。
这里感兴趣的是加速器的RF***(50)。与已知的加速器一样，RF***(50)包括诸如电压控制振荡器(VCO)的振荡器，该振荡器在所需的频率产生低功率(例如，几瓦)RF信号，该所需的频率是谐振腔(10)的谐振频率(例如，107.5MHz或215MHz)。该振荡器对被设计为将低功率RF信号放大至更高的中间功率的预放大器级(52)进行馈送。
根据本发明，中间功率RF信号然后被馈送给多个末级功率放大器(FPA1，...，FPAn)的输入端，以进一步地将RF信号的功率增加至所需的输出RF功率。如图2a所示，各个FPA的输出端通过分别由单独的感应线圈(55)终止的单独的传输线(54)独立地耦合到谐振腔(10)。各个单独的感应线圈(55)可以例如穿过设置到谐振腔(10)的顶部导电闭合(13)中的单独的开口，并且略微突出到谐振腔(10)的顶部导电闭合(13)内部(即，在谐振腔(10)内电场最小、磁场最大的位置)。各个FPA在工作时将产生所需幅度的横向电场到谐振腔(10)内，用于按照上述轨道使电子加速(40)。
图2b示意性地示出了图2a中的加速器(100)的顶视图，从图2b可以看到FPA及其相应感应线圈(55)的空间布置的示例。
下表给出了加速器规范的几个示例，其中，加速器配备有在λ/2模式中在107.5MHz谐振的、直径为2m的共轴谐振腔(10)，并且配备有具有各种FPA数目的RF***(50)，各个FPA产生280KW的输出RF功率：
 一个FPA  两个FPA  三个FPA  四个FPA
  Prf(KW)   280   560   840   1120
  Pcav(KW)   105   105   105   105
  Pbeam(KW)   175   455   735   1015
  Ibeam(mA)   25   65   105   145
其中：
Prf＝由所有FPA传送的总RF功率
Pcav＝由谐振腔(10)消耗的总功率
Pbeam＝总束功率＝Prf-Pcav
Ibeam(mA)＝束电流
单独的感应线圈(55)按照α(alpha)角在物理上彼此隔开，该α角不是90度的整数倍。换言之，感应线圈(55)既不是按照90度彼此隔开，也不是按照180度或270度彼此隔开。
优选地，末级功率放大器(FPA)的数目是奇数。更优选地，末级功率放大器的数目等于3。
最优选地，加速器(100)包括正好3个FPA，并且与这些FPA对应的单独的感应线圈(55)按照120度的角度在物理上彼此隔开。图3示意性地示出了根据本发明的这种优选的电子加速器的示例性实施方式的顶视图。因此，谐振腔(10)的顶部导电闭合(13)分别包括3个开口，任意两个开口之间具有120度的角度(相对于轴A)，并且相应的线圈导体穿过这些开口。优选地，所述开口以及所述感应线圈(55)被设置在以谐振腔轴A为中心的圆周上。
图4示意性地示出了根据本发明的更优选形式的电子加速器(100)。除RF***(50)以外，该电子加速器与上文所述的电子加速器类似。
这里的RF***(50)配置有多个平行放大分支，在该示例中，3个分支各自包括3个中间放大器的链(5211，5212，5213；5221，5222，5223；5231，5232，5233)，并且如上文所解释的，各自通过利用它们的相应的单独感应线圈(541，542，543)感应耦合到谐振腔(10)的FPA(FPA1，FPA2，FPA3)结束。利用源自振荡器(51)的基本相同的RF信号来馈送各个分支。
除了1个分支(图4的示例中的左边分支)以外，各个其它分支(图4的示例中的中间和右边的分支)进一步配置有延迟线(702，703)，用于对从振荡器(51)接收到的RF信号进行时间延迟。由各个延迟线引起的时间延迟的量被选择为使得由各个分支在谐振腔(10)中产生的横向电场同步，也就是说，使得这些电场彼此基本同相(in phase)。
适当的时间延迟的选择可以例如通过以下方式来执行：首先打开第一FPA(该分支没有延迟线，并且假设作为用于与电子枪(20)同步的基准)，然后打开第二FPA(该分支具有延迟线)并调节其延迟线(702)，直到第二FPA的真空管的阳极电流变到最小为止，并且针对所有FPA重复上一步。
优选地，可变衰减器(802，803)被设置在各个延迟线(702，703)的上游。按照这种方式，对应的FPA(FPA2，FPA3)能够被逐渐地驱动。在上述同步方法的第二步中，第二FPA(FPA2)可以例如被逐渐地打开(即，通过首先设置最大衰减并且通过逐渐地减少该衰减)。对于上述方法的第三步，该方式同样成立。
图5示意性地示出了示例性的末级功率放大器(FPA)及其如何耦合到根据本发明的加速器中的谐振腔(10)。
FPA包括高功率真空管(60)，此时为具有阳极(An)、阴极(K)、控制栅极(G1)和帘栅极(G2)的四极管(60)。阴极(K)接收来自预放大器级(52)的RF信号(VRFin)(L1和L2代表线路阻抗)。阳极处的RF信号(VRFout)首先通过电容器(C2)被直流阻断，然后通过由电容器(C4)、短传输线(54)和谐振腔(10)内的感应线圈(55)组成的λ/4谐振感应环路(λ是RF信号的波长)耦合到谐振腔(10)(这里通过平行的LC谐振电路(Lcav，Ccav)来表示)。这种耦合提供了谐振腔(10)中的横向电场与四极管(60)的阳极上的RF电压(VRFout)之间的基本恒定的比率。通过这种方法，FPA上的负载表现为四极管(60)的可变电阻，使得无论负载如何都能够以峰值效率工作。
阳极(An)进一步接收例如16KV的高直流电压(VA)。控制栅极(G1)被极化为例如-300V的负直流电压VG1，用于FPA在AB等级中的工作。电容器C1使得能够在RF频率下将控制栅极(G1)作为一个整体。帘栅极(G2)被极化为例如+1000V的正直流电压VG2。RF信号的一部分经由电容器C3反馈给帘栅极(G2)。阴极由另外的功率源(未示出)进行直接加热。
附图中，为清楚起见，未示出为RF***的各个组件提供电力的电源。具有各种电力变换器的单个电源可用于为各个FPA提供电力。然而，RF***(50)的各个末级功率放大器(FPA1，FPA2...)优选地被提供有其本身的单独且独立的电源，使得一个这种电源的故障不会给其它FPA的工作带来负面影响。
已经针对具体的实施方式说明了本发明，这些实施方式仅作为本发明的例示且不应理解为是对本发明的限制。更一般地说，本领域技术人员应当理解，本发明不限于以上具体示出和/或描述的内容。本发明的主旨在于每一个新的技术特征以及这些技术特征的每一种组合。权利要求中的附图标记不限制其保护范围。对动词“包含”、“包括”、“由…组成”或任何其它变形及其相应的结合的使用不排除本文提到的元件以外的元件的存在。在元件之前使用“一个”或“一种”或“该”不排除存在多个这种元件的存在。
总之，本发明还可以描述如下：一种再循环类型的电子加速器(100)(通常还称为
Figure BSA00000723063500071
)，该电子加速器(100)包括具有轴A的外部圆柱形导体(11)和同轴内部圆柱形导体(12)的谐振同轴腔(10)；沿谐振腔(10)的中间平面(MP)的径向将电子束(40)注入谐振腔的电子枪(20)；产生横向电场到谐振腔的RF***(50)，该横向电场能够沿具有以轴A为中心的花形的轨道使得所注入的电子(40)加速进入中间平面(MP)；在谐振腔(10)外部且围绕谐振腔(10)设置到中间平面(MP)的偏转磁体，其用来使从外部圆柱形导体(11)产生的电子(40)朝A轴重定向。RF***包括多个末级功率放大器(FPA1，FPA2，…，FPAn)，所述放大器通过本身的单独感应线圈(55)直接耦合到谐振腔(10)，每两个感应线圈以α角在物理上彼此隔开，该α角不是90度的整数倍以减少谐振腔按不希望的模式被激励的风险。
这些电子加速器可以直接地通过经加速的电子或者间接地通过例如由所述电子撞击金属靶后产生的X射线来用于诸如农业食品(argo-alimentary)产品的各种物质的辐射。

Claims (6)

1.一种电子加速器，该电子加速器包括：
-谐振腔(10)，该谐振腔(10)具有A轴的外部圆柱形导体(11)和同轴的内部圆柱形导体(12)，这两个圆柱形导体分别利用顶部导电闭合(13)和底部导电闭合(14)在它们的端部被短路，
-电子枪(20)，其被设置为按照所述谐振腔(10)的中间横向平面(MP)中的径向将电子束(40)注入到所述谐振腔(10)中，
-RF***(50)，其被设置为产生谐振横向电场到所述谐振腔中，用于使所述电子束(40)中的电子多次加速进入所述中间横向平面(MP)中并且按照沿所述外部圆柱形导体(11)的角位移直径的连续轨道，所述RF***(50)包括多个末级功率放大器(FPA1，FPA2，...，FPAn)，各个末级功率放大器通过单独的感应线圈(55)独立地耦合到所述谐振腔(10)，以及
-偏转磁体(30)，其用于使从所述外部圆柱形导体(11)产生的所述电子束(40)弯曲，并用于使所述电子束(40)朝所述A轴重定向，其中，所述单独的感应线圈(55)按照α角物理上彼此隔开，并使得该α不是90度的整数倍。
2.根据权利要求1所述的电子加速器，其中，末级功率放大器的数目是奇数。
3.根据权利要求2所述的电子加速器，其中，末级功率放大器的数目等于3，并且其中，与所述末级功率放大器对应的单独的感应线圈(55)按照120度的角度物理上彼此隔开。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电子加速器，该电子加速器还包括用于使由所述多个末级功率放大器(FPA1，FPA2，...)分别产生的所述谐振横向电场在所述谐振腔(10)内同步的装置(702，703)。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的电子加速器，其中，各个末级功率放大器(FPA1，FPA2，...)包括阴极驱动的四极管(60)，该阴极驱动的四极管(60)的阳极(An)感应耦合到所述谐振腔(10)。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的电子加速器，其中，各个末级功率放大器(FPA1，FPA2，...)本身具有单独的电源。
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