一种同轴腔加速器出口电子束能量调节系统及方法
阅读说明：本技术 一种同轴腔加速器出口电子束能量调节系统及方法 (System and method for adjusting energy of electron beam at outlet of coaxial cavity accelerator ) 是由 申晓康 张子民 曹树春 赵全堂 李中平 肖荣庆 刘铭 宗阳 于 2020-12-29 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种同轴腔加速器出口电子束能量调节系统及方法,其特征在于,包括电子束源、第一偏转磁铁、第二偏转磁铁、引出系统和励磁电源；电子束源、第二偏转磁铁和引出系统以及若干第一偏转磁铁周向均匀间隔设置在加速腔的外侧,每一第一偏转磁铁和第二偏转磁铁均连接一对应励磁电源；电子束源用于出射电子束源；第一偏转磁铁用于对经加速腔加速后的电子束进行常规角度偏转后再次进入加速腔进行加速；第二偏转磁铁用于对加速腔加速后的电子束进行大角度偏转后再次进入加速腔进行减速；引出系统用于引出能量调节后的电子束；励磁电源用于调节对应第一偏转磁铁或第二偏转磁铁的电流值,本发明可以广泛应用于电子加速领域中。(The invention relates to a system and a method for adjusting the energy of an electron beam at an outlet of a coaxial cavity accelerator, which are characterized by comprising an electron beam source, a first deflection magnet, a second deflection magnet, an extraction system and an excitation power supply; the electron beam source, the second deflection magnet, the extraction system and the first deflection magnets are circumferentially and uniformly arranged at intervals outside the acceleration cavity, and each first deflection magnet and each second deflection magnet are connected with a corresponding excitation power supply; the electron beam source is used for emitting the electron beam source; the first deflection magnet is used for deflecting the electron beam accelerated by the acceleration cavity at a conventional angle and then entering the acceleration cavity again for acceleration; the second deflection magnet is used for deflecting the electron beam accelerated by the acceleration cavity in a large angle and then entering the acceleration cavity again for deceleration; the extraction system is used for extracting the electron beam after the energy adjustment; the excitation power supply is used for adjusting the current value corresponding to the first deflection magnet or the second deflection magnet, and the invention can be widely applied to the field of electronic acceleration.)
技术领域
本发明是关于一种同轴腔加速器出口电子束能量调节系统及方法，属于电子加速领域。
背景技术
目前，辐照加工领域常用的加速器类型包括直流高压型加速器和微波型直线加速器，直流高压型加速器输出的束流功率可以很高，但是能量一般只能达到几个MeV；微波型直线加速器因为采用微波功率驱动，能量可以很高，但是平均束流强度不会很大。同轴腔加速器兼有直流加速器的高功率和直线加速器高能量的优点。
同轴腔加速器与电子直线加速器一样，均是利用射频电场对电子进行加速，电子直线加速器通常包含多个谐振腔，每一加速腔只加速电子一次，因此，若要得到更高能量的电子束，需要增加加速腔的数量和加速器的长度。而同轴腔加速器只有一个谐振腔，利用偏转磁铁使电子束反复进入谐振腔进行加速，获得更高的能量，其工作过程为：从电子枪发射的电子束以一定的初始速度注入到加速腔中，电子受到加速腔中加速电场的作用而被加速，能量增加。当电子束到达内导体的中心时，加速腔中的电场反向，当电子穿过内导体重新进入加速腔时受到的依然是加速电场，电子可以再次得到加速。当电子束到达加速腔的外导体时，在偏转磁铁的作用下，使其经过半个周期的偏转路径后再次返回加速腔，这时电子感受到的正好是加速电场，重复上述的加速过程，在电子束达到一定的能量后，由引出系统将其引出。
同轴腔加速器在任一偏转磁铁不加电时，均可以将电子束引出，得到不同能量的电子束，但是，引出后的电子束若要达到辐照终端，还需要一套复杂的引出系统，包括匹配束线、磁铁及电源、靶站和真空系统等，该套设备不仅所占空间大，且价格昂贵，限制同轴腔加速器的应用范围。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够实现同一出口多档能量输出且节约空间和成本的同轴腔加速器出口电子束能量调节系统及方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种同轴腔加速器出口电子束能量调节系统，包括电子束源、第一偏转磁铁、第二偏转磁铁、引出系统和励磁电源；
所述电子束源、第二偏转磁铁和引出系统以及若干所述第一偏转磁铁周向均匀间隔设置在加速腔的外侧，每一所述第一偏转磁铁和第二偏转磁铁均连接对应所述励磁电源；
所述电子束源用于出射电子束源；
所述第一偏转磁铁用于对经所述加速腔加速后的电子束进行常规角度偏转后再次进入所述加速腔进行加速；
所述第二偏转磁铁用于对所述加速腔加速后的电子束进行大角度偏转后再次进入所述加速腔进行减速；
所述引出系统用于引出能量调节后的电子束；
所述励磁电源用于调节对应所述第一偏转磁铁或第二偏转磁铁的电流值。
优选地，所述第一偏转磁铁的数量为八。
优选地，所述第二偏转磁铁的位置能够与任一所述第一偏转磁铁的位置进行互换。
优选地，以所述电子束源的位置为原点，所述加速腔的外侧逆时针均匀间隔设置四个所述第一偏转磁铁、所述引出系统、四个所述第一偏转磁铁和所述第二偏转磁铁。
一种同轴腔加速器出口电子束能量调节方法，包括以下内容：
1)在加速腔的外侧周向均匀间隔设置电子束源、若干第一偏转磁铁、一个第二偏转磁铁和一个引出系统，并为每一第一偏转磁铁和第二偏转磁铁均连接一对应励磁电源；
2)通过调节与各第一偏转磁铁连接的励磁电源的输出电流值，进而调节各第一偏转磁铁的电流值相同；
3)通过调节与第二偏转磁铁连接的励磁电源的输出电流值，进而调节第二偏转磁铁的电流值，电子束源出射电子束进入加速腔，经各第一偏转磁铁和第二偏转磁铁进行角度偏转后得到能量调节后的电子束；
4)引出系统引出能量调节后的电子束。
优选地，所述步骤3)的具体过程为：
3.1)通过调节与第二偏转磁铁连接的励磁电源的输出电流值，进而调节第二偏转磁铁的电流值，使得第二偏转磁铁的磁场强度与八个第一偏转磁铁的磁场强度一致，或者使得电子束在第二偏转磁铁的偏转路径增加半个周期；
3.2)当第二偏转磁铁的磁场强度与八个第一偏转磁铁的磁场强度一致时，电子束源出射电子束进入加速腔加速，经各第一偏转磁铁进行常规角度偏转后的电子束进入第二偏转磁铁进行常规角度偏转后再次进入加速腔进行加速；
3.3)当电子束在第二偏转磁铁的偏转路径增加半个周期时，电子束源出射电子束进入加速腔加速，经各第一偏转磁铁进行常规角度偏转后的电子束进入第二偏转磁铁进行大角度偏转后再次进入加速腔进行减速。
优选地，所述步骤1)中若干第一偏转磁铁、一个第二偏转磁铁和一个引出系统的位置为以电子束源的位置为原点，在加速腔的外侧逆时针均匀间隔设置四个第一偏转磁铁、一个引出系统、四个第一偏转磁铁和一个第二偏转磁铁。
优选地，若将第二偏转磁铁的位置与任一第一偏转磁铁的位置进行互换，则通过调节第二偏转磁铁的电流值，实现在同一个出口得到不同能量的电子束。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明由于设置有若干第一偏转磁铁和一第二偏转磁铁，由于将传统结构中其中一块第一偏转磁铁替换为大角度的第二偏转磁铁，增加有效磁场范围和磁场强度，使电子束在加速腔中的运动距离增长半个周期，使得电子束在下一次进入加速腔时遇到减速场，实现同一出口不同能量调节的目的，同时，可通过将大角度的第二偏转磁铁放置在不同的位置，在出口得到不同能量档位的电子束，结构简单、价格低且能量调节档位多，能够满足不同的能量需求。
2、本发明通过仅改变其中一块偏转磁铁的结构，即可以实现同一出口、多档能量输出的目的，节约空间和成本。
3、本发明在调节输出电子束能量时，只调节大角度偏转磁铁对应的励磁电源的输出电流值即可实现，无复杂的操作，非常简单，易于实现，可以广泛应用于电子加速领域中。
附图说明
图1是本发明调节系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明实施例提供一种同轴腔加速器出口电子束能量调节系统，用于对同轴腔加速器出口的电子束进行能量调节，通过增加偏转磁铁的有效磁场范围和磁场强度，使电子束在偏转磁铁的运动距离增长半个周期，这样电子束在下一次进入加速腔1时遇到的是减速场，而非加速场，电子束的能量也会降低而非增加，最终输出的电子束能量也会改变。
如图1所示，本发明提供的同轴腔加速器出口电子束能量调节系统包括加速腔1、电子束源2、第一偏转磁铁3、第二偏转磁铁4、引出系统5和励磁电源，其中，第一偏转磁铁3为常规偏转磁铁，第二偏转磁铁4为较常规偏转磁铁的偏转角度大的大角度偏转磁铁，大角度偏转即使得电子束在第二偏转磁铁4的偏转路径增加半个周期，第一偏转磁铁3和第二偏转磁铁4的偏转角度与加速腔1的频率有关。
加速腔1的外侧周向均匀间隔设置有电子束源2、八个第一偏转磁铁3、一个第二偏转磁铁4和引出系统5，每一第一偏转磁铁3和第二偏转磁铁4均连接一对应励磁电源，加速腔1用于对电子束源2出射的电子束进行加速。第一偏转磁铁3用于对加速后的电子束进行常规角度偏转后再次进入加速腔1进行加速。第二偏转磁铁4用于对加速后的电子束进行大角度偏转后再次进入加速腔1进行减速，由于大角度的第二偏转磁铁4的作用，电子束的偏转路径改变，使电子束在第二偏转磁铁4中的运动距离可增长半个周期电子束进入加速腔1的时间改变，此时电子束偏转后进入加速腔1遇到的是减速场。引出系统5用于将能量调节后的电子束引出至终端。励磁电源用于通过调节输出电流进而调节对应第一偏转磁铁3或第二偏转磁铁4的电流值，偏转磁铁的电流值不同，所产生的磁场也就不同，对应的电子束在其中运动时的偏转路径也不同。
在一个优选的实施例中，第二偏转磁铁4的位置可以与任一第一偏转磁铁3的位置进行互换，以得到不同能量的电子束。
基于上述同轴腔加速器出口电子束能量调节系统，本发明还提供一种同轴腔加速器出口电子束能量调节方法，下面以设置八个第一偏转磁铁3(1号至8号)和一个第二偏转磁铁4为具体实施例进行说明，包括以下步骤：
1)在加速腔1的外侧设置电子束源2，以电子束源2的位置为原点，在加速腔1的外侧逆时针均匀间隔设置八个第一偏转磁铁3、一个第二偏转磁铁4和一个引出系统5，并为每一第一偏转磁铁3和第二偏转磁铁4均连接一对应励磁电源。例如：以电子束源2的位置为原点，依次可以为2号第一偏转磁铁3、4号第一偏转磁铁3、6号第一偏转磁铁3、8号第一偏转磁铁3、引出系统5、1号第一偏转磁铁3、3号第一偏转磁铁3、5号第一偏转磁铁3、7号第一偏转磁铁3和第二偏转磁铁4。
2)通过调节与各第一偏转磁铁3连接的励磁电源的输出电流值，进而调节各第一偏转磁铁3的电流值相同。
3)通过调节与第二偏转磁铁4连接的励磁电源的输出电流值，进而调节第二偏转磁铁4的电流值，电子束源2出射电子束进入加速腔1，经各第一偏转磁铁3和第二偏转磁铁4进行角度偏转后得到能量调节后的电子束，具体为：
3.1)通过调节与第二偏转磁铁4连接的励磁电源的输出电流值，进而调节第二偏转磁铁4的电流值，使得第二偏转磁铁4的磁场强度与八个第一偏转磁铁3的磁场强度一致，此时，本发明与常规的同轴腔加速器相同；或者，增大第二偏转磁铁4的磁场强度，使得电子束在第二偏转磁铁4的偏转路径增加半个周期。
3.2)当第二偏转磁铁4的磁场强度与八个第一偏转磁铁3的磁场强度一致时，电子束源2出射电子束进入加速腔1加速至能量1MeV，经1号第一偏转磁铁3进行常规角度偏转后再次进入加速腔1加速至能量2MeV，经2号第一偏转磁铁3进行常规角度偏转后再次进入加速腔1加速至能量3MeV，以此类推，经8号第一偏转磁铁3进行常规角度偏转后再次进入加速腔1加速至能量9MeV，经第二偏转磁铁4进行常规角度偏转后再次进入加速腔1加速至能量10MeV。
3.3)当电子束在第二偏转磁铁4的偏转路径增加半个周期时，电子束源2出射电子束进入加速腔1加速至能量1MeV，经1号至8号第一偏转磁铁3进行常规角度偏转后的电子束进入第二偏转磁铁4进行大角度偏转后再次进入加速腔1，由于偏转路径改变，此时电子束遇到的为减速场，电子束能量降低为8MeV。
4)引出系统5将能量调节后的电子束引出至终端，由此实现出口电子束能量的调节。
上述步骤1)中，若将第二偏转磁铁4的位置与8号第一偏转磁铁3的位置进行互换，则能够通过调节第二偏转磁铁4的电流值，实现在同一个出口得到10MeV和6MeV的电子束能量；若将第二偏转磁铁4的位置与7号第一偏转磁铁3的位置进行互换，则能够通过调节第二偏转磁铁4的电流值实现在同一个出口得到10MeV和4MeV的电子束能量；若将第二偏转磁铁4的位置与6号第一偏转磁铁3的位置进行互换，则能够通过调节第二偏转磁铁4的电流值实现在同一个出口得到10MeV和2MeV的电子束能量。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。
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