CN116528451A - 一种频率可调的耦合器腔结构及驻波加速管 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种频率可调的耦合器腔结构及驻波加速管,该耦合器腔结构包括耦合器腔;以及通过耦合孔与所述耦合器腔耦接的频率调谐结构;所述频率调谐结构包括穿设于耦合孔上的调谐棒;所述调谐棒被配置为可在耦合孔上运动以调整调谐棒延伸至耦合器腔内的长度从而调节所述耦合器腔的工作频率。该耦合器腔结构能够不影响耦合器腔微波性能并且实时调整耦合器腔频率。
Description
技术领域
本发明涉及民用电子加速器技术领域。更具体地,涉及一种频率可调的耦合器腔结构及驻波加速管。
背景技术
在民用电子加速器技术领域,加速管是重要的电子线和X射线源,其中驻波加速管是目前应用最广泛的加速管类型。微波源功率经耦合波导馈入耦合器腔中完成模式转换,并在加速管腔链中建立对粒子有纵向加速和横向聚焦作用的电磁场,粒子经该电场不间断加速而获得更高的能量,在加速管终端输出高能电子线,或者高能电子束轰击一定厚度和特定材料的金属发生韧致辐射而输出X射线,用于医用放疗、工业安检和集装箱检测等。
在加速管研制过程中,加速管腔链进真空炉焊接前需保证各类腔型(加速腔、耦合腔、耦合器腔、聚束腔等)谐振频率一致,耦合器腔是加速管腔链中的关键腔型,其通过耦合孔完成与传输波导的连接,使得微波源输出功率顺利馈入加速管腔链并建立射频电磁场。
加速管设计完成交付加工,考虑到仿真误差和机械加工误差的影响,往往加工时会对腔链盘片中关键尺寸参数(如盘片直径)预留一定的尺寸裕量,加工完成后再对腔链进行调谐工作,使得各腔谐振频率与工作频率一致。
与常规腔型不同,耦合器腔调谐除需保证谐振频率与其余腔谐振频率一致,还需将耦合孔调整到合适的机械尺寸以使加速管耦合度与设计值相符。耦合孔尺寸的确定是耦合器腔调谐过程中关键工作,需要依靠仿真结果与反复修配相结合,增大耦合孔的尺寸会使耦合器腔频率降低,缩小耦合孔尺寸会使耦合器腔频率升高,耦合孔尺寸发生变化后必须先将耦合器腔频率调谐至工作频率才能测量得到加速管整管位于工作频点处的耦合度实际值。如图1A-图1C所示,是现有耦合器腔结构。为获得高Q值腔,腔体内表面的光洁度需≤0.1μm,因而腔链频率调谐过程中,腔修配需要通过专用的宝石刀对相应尺寸进行再加工,修配完成后需要经过清洗去油,再次装配测试直到耦合器腔频率与其余腔型谐振频率一致。
现有耦合器腔结构在调谐过程中需要不断反复修配耦合器腔的内直径、鼻椎使得耦合器腔频率与其余腔型频率一致。鼻椎是决定加速管场分布的关键结构,为保证加速管更好的微波性能,修配过程中不应改变鼻椎尺寸。但基于现有的耦合器结构,在调谐腔链的耦合度时,增大耦合孔尺寸L会使耦合器腔频率变低,要想将频率修正回到工作点谐振频率,需要将鼻椎高度降低,从而引起耦合器腔的分路阻抗减少,微波性能随即降低。
并且,耦合器腔频率调谐和修配过程中,由于光洁度要求,需用配备有定制宝石刀的超精细机床修配,因此每需要调整耦合器腔频率一次就需要机床精修并且每修一次都要进行专业的清洗方可再进行下一论测试,如此反复修配才能逐渐将耦合器腔谐振频率修到位,时间成本较高。
发明内容
针对上述问题,本发明提供一种频率可调的耦合器腔结构及驻波加速管,该耦合器腔结构能够不影响耦合器腔微波性能并且能实时调整耦合器腔频率。
为实现上述目的,本发明采用下述技术方案:
本发明提供一种频率可调的耦合器腔结构,包括:
耦合器腔;以及
通过耦合孔与所述耦合器腔耦接的频率调谐结构;
所述频率调谐结构包括穿设于耦合孔上的调谐棒;
所述调谐棒被配置为可在耦合孔上运动以调整调谐棒延伸至耦合器腔内的长度从而调节所述耦合器腔的工作频率。
优选方案是,所述频率调谐结构还包括用以防止微波辐射泄露的扼流结构,与调谐棒端部结合固定的阻塞块以及波纹管;所述波纹管的一端与扼流结构连接,另一端与阻塞块连接;所述调谐棒穿设于扼流结构及波纹管内。
优选方案是,所述耦合孔与耦合器腔连通;所述耦合孔的开孔方向沿竖直方向设置;所述调谐棒可在耦合孔上沿竖直方向运动。
优选方案是,所述扼流结构的内腔呈工字型结构。
优选方案是,当所述调谐棒进入所述耦合器腔内的长度变大时,所述耦合器腔的工作频率升高;
当所述调谐棒进入所述耦合器腔内的长度变小时,所述耦合器腔的工作频率降低。
本发明还提供一种驻波加速管,包括如上所述的耦合器腔结构。
优选方案是,还包括多个位于耦合器腔两侧的加速腔以及布置在相邻的加速腔之间和耦合器腔与加速腔之间的耦合腔。
优选方案是,所述加速管由多节呈半敞开状的腔体管段焊接而成,所述腔体管段包括圆波导管段和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片;其中,耦合器腔及每个所述加速腔均由两节腔体管段构成,两节腔体管段的圆形膜片构成耦合器腔及加速腔的两个端面。
优选方案是,所述加速管中,除首尾端的腔体管段外,其余每节腔体管段在圆形膜片背对构成加速腔或耦合器腔的一侧均设置有圆形槽;其中,相邻两圆形槽直径不相等,以通过相互卡合的方式构成所述耦合腔。
优选方案是,所述加速腔与相邻的耦合腔通过电子束流孔相互贯通。
本发明的有益效果为:
本发明通过移动穿设于耦合孔上的调谐棒,使调谐棒在耦合孔上运动以调整调谐棒延伸至耦合器腔内的长度从而调节所述耦合器腔的工作频率,解决了原耦合器腔频率降低需要降低鼻椎高度以提升腔频率导致的分路阻抗降低的问题,本发明只需通过频率调谐结构即可完成频率修正,降低了耦合器腔频率修正的时间成本。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1A是现有的耦合器腔结构的剖面斜视图。
图1B是现有的耦合器腔结构的俯视图。
图1C是图1B的A-A截面图。
图2A是本发明的耦合器腔结构的结构示意图。
图2B是图2A的剖面斜视图。
图2C是图2A的俯视图。
图2D是图2C的B-B截面图。
图3是本发明的调谐棒的结构示意图。
图4是本发明的扼流结构的结构示意图。
图5是本发明的波纹管的结构示意图。
图6是本发明的阻塞块的结构示意图。
图7是本发明的驻波加速管的结构示意图。
图8是本发明的仿真真空模型图。
图9是本发明的调谐棒进入耦合器腔不同长度时对应的频率变化仿真效果图。
图10是本发明的调谐棒未进入耦合器腔时的场型仿真效果图。
图11是本发明的调谐棒进入耦合器腔1mm时的场型仿真效果图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到:除非另外具体说明,否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的,决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论,但在适当情况下,所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中,任何具体值应被解释为仅仅是示例性的,而不是作为限制。因此,示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到:相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项,因此,一旦某一项在一个附图中被定义,则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
为了解决现有的耦合器腔频率降低需要降低鼻椎高度以提升腔频率导致的分路阻抗降低的问题。本发明提供一种频率可调的耦合器腔结构,结合图1A至图11所示,具体地所述频率可调的耦合器腔结构包括:耦合器腔21;以及通过耦合孔与所述耦合器腔21耦接的频率调谐结构30;所述频率调谐结构30包括穿设于耦合孔上的调谐棒31;所述调谐棒31被配置为可在耦合孔上运动以调整调谐棒31延伸至耦合器腔21内的长度从而调节所述耦合器腔21的工作频率。也就是说,本发明通过外力移动穿设在耦合孔上的调谐棒31,使调谐棒31在耦合孔上运动以调整调谐棒31延伸至耦合器腔21内的长度从而调节所述耦合器腔21的工作频率,该耦合器腔结构能够在不影响耦合器腔21微波性能的同时实时调整耦合器腔21频率;本发明只需通过上述频率调谐结构30即可完成频率修正,操作方便快捷,能够解决加速管耦合器腔修配过程中造成的耦合器腔微波性能降低及修配时间成本高的问题。
在上述实施例中,所述频率调谐结构30还包括用以防止微波辐射泄露的扼流结构32,该扼流结构包括有内腔,其内腔呈工字型结构;与调谐棒31端部结合固定的阻塞块33以及波纹管34;所述波纹管34的一端与扼流结构32连接,另一端与阻塞块33连接;所述调谐棒穿设于扼流结构32及波纹管34内。本发明是在耦合器腔的基础上开孔放置调谐棒31而成。调谐棒31可根据所需频率调节的需要调整进入耦合器腔21的深度;扼流结构32可避免直接的械接触从而防止微波辐射泄露及降低接触面间的面电流;波纹管34保证整体的气密性,其可根据调谐棒31进入耦合器腔21的深浅进行伸缩;阻塞块33用于牵拉调谐棒31。
本发明的耦合器腔结构是以X波段的结构尺寸给出的结构设置,对于其余波段加速管的耦合器腔,该结构依然适用,只需进行等比例缩放即可。
在一具体实施例中,所述耦合孔与耦合器腔21连通;所述耦合孔的开孔方向沿竖直方向设置;所述调谐棒31可在耦合孔上沿竖直方向运动。
进一步的,当调谐棒31在耦合孔上沿竖直方向向上运动,所述调谐棒31进入所述耦合器腔21内的长度变大时,所述耦合器腔21的工作频率升高;
当调谐棒31在耦合孔上沿竖直方向向下运动,所述调谐棒31进入所述耦合器腔21内的长度变小时,所述耦合器腔21的工作频率降低。
需要说明的是,该频率调谐结构30的位置可根据耦合器腔21的尺寸裕量及外形结构需求进行位置调整;可根据实际需要及机械结构尺寸裕量适当增加上述频率调谐结构30的数量;该设计经过仿真验证,验证调谐棒频率调整效果仿真真空模型图如图8所示。
下面验证调谐棒对频率的影响
耦合器腔21***调谐棒31,从图9可见,进入1mm可使得耦合器腔21频率升高3.4MHz,进入2mm可使得耦合器腔21频率升高13MHz,而反射S11几乎未发生改变,说明不会影响腔链耦合度。并且从图10和图11中可看出调谐棒31进入耦合器腔21未引起场型变化,依然是π/2模。上述验证充分证明耦合器腔21频率可通过调谐棒31来调节的可行性。
本发明还提供一种驻波加速管,包括:如上所述的耦合器腔结构;多个位于耦合器腔21两侧的加速腔22以及布置在相邻的加速腔22之间和耦合器腔21与加速腔22之间的耦合腔23;所述加速腔22和耦合腔23交替设置并通过电子束流孔53相互贯通。可以理解的是,上述驻波加速管整体组成有:电子枪1,加速管体2,起到隔绝外部大气作用和产生韧致辐射效应的靶部件3,以及真空陶瓷隔离窗4。本说明书中以X波段加速管进行说明,本领域技术人员可以理解,该耦合器腔结构同样适用于其他波段的加速管,根据需要对各尺寸进行修改即可。
进一步的,所述加速管由多节呈半敞开状的腔体管段50焊接而成,所述腔体管段50为由圆波导管段51和构成圆波导管段51封闭侧的圆形膜片52一体成型组成;其中,耦合器腔21及每个所述加速腔22均由两节腔体管段50构成,两节腔体管段50的圆形膜片52构成耦合器腔21及加速腔22的两个端面。
更进一步的,所述加速管中,除首尾端的腔体管段50外,其余每节腔体管段50在圆形膜片52背对构成加速腔22或耦合器腔21的一侧均设置有以电子束流孔53为圆心的圆形槽;其中,相邻两个加速腔22之间或耦合器腔21与相邻加速腔22之间,相邻两节腔体管段50的圆形槽直径不一,以可通过相互卡合的方式构成所述耦合腔23。耦合腔23也采用了两节腔体管段50构成,可有利于对耦合腔23进行加工调试,提高装配效率。
在上述实施例中,两个相邻的加速腔22和中间的耦合腔23之间除通过所述电子束流孔53贯通以外,还通过设置在圆形膜片52上的连通孔54连通;耦合器腔21与相邻的加速腔22和中间的耦合腔23之间除通过所述电子束流孔53贯通以外,还通过设置在圆形膜片上的连通孔54连通;所述连通孔54的设置有助于微波在各个腔体内的注入。
综上所述,本发明通过移动穿设于耦合孔上的调谐棒,使调谐棒在耦合孔上运动以调整调谐棒延伸至耦合器腔内的长度从而调节所述耦合器腔的工作频率,解决了原耦合器腔频率降低需要降低鼻椎高度以提升腔频率导致的分路阻抗降低的问题,本发明只需通过频率调谐结构即可完成频率修正,降低了耦合器腔频率修正的时间成本。
显然,本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定,对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无法对所有的实施方式予以穷举,凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (10)
1.一种频率可调的耦合器腔结构,其特征在于,包括:
耦合器腔;以及
通过耦合孔与所述耦合器腔耦接的频率调谐结构;
所述频率调谐结构包括穿设于耦合孔上的调谐棒;
所述调谐棒被配置为可在耦合孔上运动以调整调谐棒延伸至耦合器腔内的长度从而调节所述耦合器腔的工作频率。
2.根据权利要求1所述的频率可调的耦合器腔结构,其特征在于,所述频率调谐结构还包括用以防止微波辐射泄露的扼流结构,与调谐棒端部结合固定的阻塞块以及波纹管;所述波纹管的一端与扼流结构连接,另一端与阻塞块连接;所述调谐棒穿设于扼流结构及波纹管内。
3.根据权利要求1所述的频率可调的耦合器腔结构,其特征在于,所述耦合孔与耦合器腔连通;所述耦合孔的开孔方向沿竖直方向设置;所述调谐棒可在耦合孔上沿竖直方向运动。
4.根据权利要求2所述的频率可调的耦合器腔结构,其特征在于,所述扼流结构的内腔呈工字型结构。
5.根据权利要求1所述的频率可调的耦合器腔结构,其特征在于,当所述调谐棒进入所述耦合器腔内的长度变大时,所述耦合器腔的工作频率升高;
当所述调谐棒进入所述耦合器腔内的长度变小时,所述耦合器腔的工作频率降低。
6.一种驻波加速管,其特征在于,包括:如权利要求1-5中任一项所述的耦合器腔结构。
7.根据权利要求6所述的驻波加速管,其特征在于,还包括多个位于耦合器腔两侧的加速腔以及布置在相邻的加速腔之间和耦合器腔与加速腔之间的耦合腔。
8.根据权利要求7所述的驻波加速管,其特征在于,所述加速管由多节呈半敞开状的腔体管段焊接而成,所述腔体管段包括圆波导管段和构成圆波导管段封闭侧的圆形膜片;其中,耦合器腔及每个所述加速腔均由两节腔体管段构成,两节腔体管段的圆形膜片构成耦合器腔及加速腔的两个端面。
9.根据权利要求8所述的驻波加速管,其特征在于,所述加速管中,除首尾端的腔体管段外,其余每节腔体管段在圆形膜片背对构成加速腔或耦合器腔的一侧均设置有圆形槽;其中,相邻两圆形槽直径不相等,以通过相互卡合的方式构成所述耦合腔。
10.根据权利要求7所述的驻波加速管,其特征在于,所述加速腔与相邻的耦合腔通过电子束流孔相互贯通。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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