阅读说明：本技术 一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器 (Reciprocating type coaxial cavity electron accelerator for generating high-quality electron beam ) 是由 赵全堂 张子民 李中平 曹树春 刘铭 申晓康 宗阳 李佳 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器,包括电子枪、加速腔和高频功率源,还包括设置在加速腔外部的束流偏转引导系统,由束流偏转引导系统引导电子多次加速。本发明能获得束流能量均匀性好,降低束流损失,同时提高了往返式同轴腔电子加速器产生的束流品质。本发明可以广泛在加速器技术领域中应用。(The invention relates to a reciprocating type coaxial cavity electron accelerator for generating high-quality electron beams, which comprises an electron gun, an accelerating cavity, a high-frequency power source and a beam deflection guide system arranged outside the accelerating cavity, wherein the beam deflection guide system guides electrons to accelerate for multiple times. The invention can obtain good beam energy uniformity, reduce beam loss and improve the beam quality generated by the reciprocating type coaxial cavity electron accelerator. The invention can be widely applied to the technical field of accelerators.)

一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器

技术领域

本发明涉及一种加速器技术领域，特别是关于一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器。

背景技术

往返式同轴腔电子加速器由电子枪、加速腔、高频功率源和回转磁铁等部分组成。加速腔为同轴谐振腔，从电子枪出来的电子束在恰当的相位进入加速腔被加速以后，电子束经过内筒的无场区期间高频电场反向，使得电子束进入加速腔另一半时仍然受到加速场的作用。从加速腔出来后，电子束在腔外由回转磁铁产生转弯，回转磁铁的作用是把飞出加速腔的电子扭转回来，并且电子束飞行时间设计合适，其再次穿过加速腔，从而再次受到加速，提高能量。现有的同类型加速器都采用窗框型或H型，C型整块的电磁铁或永磁铁作为回转磁铁，其工作原理基本示意图如图1所示。

现有的同类型加速器多用常规电磁铁作为回转磁铁，常规电磁铁需要直流电源励磁，磁铁线圈需要通水冷却，以至于整个加速器的制造成本和运行成本都较高。另外也有用永磁铁作为回转磁铁。这种以一块完整二极磁铁作为回转磁铁的设计方案，有很多的局限性。其不是消色散结构，回转后束流参数变差，束流横向尺寸过大，对后续加速过程不利，产生的束流能量均匀性差。横向聚焦是弱聚焦，对束流控制能力较差，y方向由二极铁极面跟束流夹角引起的场实现，x方向由大于180度偏转时的聚焦效应实现。因此某些部分束斑尺寸过大，容易造成束流损失，对束流横向控制不够，最终导致束流品质较差。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器，其获得束流能量均匀性好，降低束流损失，同时提高了往返式同轴腔电子加速器产生的束流品质。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器，包括电子枪、加速腔和高频功率源，还包括设置在加速腔外部的束流偏转引导系统，由束流偏转引导系统引导电子多次加速。

进一步，所述束流偏转引导系统包括多个QF和BD，其中，QF为水平方向聚焦的永磁四极磁铁结构，BD为多个同时拥有水平方向偏转的二极磁场和带有水平方向散焦的四极磁场的复合型永磁铁；每个所述QF与每个所述BD之间连接在一起形成QF-BD模块，多个所述QF-BD模块形成横向偏转且同时水平方向聚焦-散焦的束流传输方式。

进一步，所述QF与所述BD之间采用垫补法通过永磁块拼接组装在一起。

进一步，设置所述QF-BD模块的数量，形成不同的束流传输轨迹。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明利用组合结构式永磁铁偏转系统引导电子多次加速实现的往返式同轴腔电子加速器，由于采用永久磁铁引导电子束多次穿过加速腔，省去了电磁铁的用电和冷却水，节约了制造成本和运行成本。2、本发明通过组合结构式永磁铁消色散偏转系统实现束流传输引导的精确控制及后继加速的匹配等要求，使获得束流能量均匀性好，降低束流损失，同时提高了往返式同轴腔电子加速器产生的束流品质，拓宽了这种类型加速器的应用领域。3、本发明提供新的利用组合结构的永磁铁偏转引导电子多次加速的往返式同轴腔电子加速器。利用组合结构的永磁铁来取代常规磁铁，使获得束流能量均匀性好，同时降低束流损失，改进了常规的往返式同轴腔电子加速器产生的束流品质。4、本发明采用的偏转引导系统结构设计灵活，对束流横向聚焦较强且设计自由度多，可以满足多种需求，除了用于工业辐照加工类型外，还可以满足科研用加速器需求，如高能离子束的电子冷却，高平均功率自由电子激光等，拓宽往返式同轴腔电子加速器的应用领域。

附图说明

图1是现有技术中往返式同轴腔电子加速器工作原理示意图；

图2a是本发明实施例中水平方向聚焦的永磁四极铁QF结构示意图；

图2b是本发明实施例中同时拥有水平方向偏转的二极磁场和带有水平方向散焦的四极磁场的复合型永磁铁BD结构示意图；

图3是本发明实施例中用于往返式同轴腔电子加速器的组合型消色散偏转磁铁系统设计示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图2a～图3所示，本发明提供一种产生高品质电子束的往返式同轴腔电子加速器，其包括现有技术中的电子枪、加速腔和高频功率源，区别在于还包括设置在加速腔外部的束流偏转引导系统，由束流偏转引导系统引导电子多次加速。该束流偏转引导系统包括多个水平方向聚焦的永磁四极磁铁结构(Quadrupole focusing，QF)和多个同时拥有水平方向偏转的二极磁场和带有水平方向散焦的四极磁场的复合型永磁铁(bendingdefocusing，BD)，如图2a、图2b所示。每个QF与每个BD之间连接在一起形成QF-BD模块，多个QF-BD模块形成横向偏转且同时水平方向聚焦-散焦的束流传输方式，由多个QF-BD模块实现预先设定要求的二极及四极磁场的分布。

在本实施例中，优选为五组QF-BD模块(如图3所示)，但并不局限于此。

在一个优选的实施例中，QF与BD之间采用垫补法通过永磁块拼接组装在一起。

在一个优选的实施例中，根据QF-BD模块的不同数量设置，形成不同的束流传输轨迹。

综上所述，本发明使用时，根据每一次加速完，下一次加速时束流同步的要求，即偏转部分的传输距离的要求，可以采用不同数目的QF-BD模块实现合适的束流传输轨迹，设计结构紧凑。采用该引导系统引导电子多次加速的往返式同轴腔电子加速器，实现精确控制及后续加速的匹配等要求，最终获得高品质的电子束。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。