频率可调加速装置、包括其的加速器及其调节方法
阅读说明：本技术 频率可调加速装置、包括其的加速器及其调节方法 (Frequency-adjustable accelerating device, accelerator comprising frequency-adjustable accelerating device and adjusting method of frequency-adjustable accelerating device ) 是由 蓝清宏 王平 郝聪慧 牛焕焕 张博鹏 韩金刚 万知之 于 2020-12-30 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种频率可调的加速装置,包括：加速管,配置为通过接收微波建立加速电磁场并对进入加速管的电子束进行加速；和调谐器,通过第一耦合孔与所述加速管耦接,配置为可调节所述加速管的工作频率。本发明着力解决加速管设计生产中耦合器频率漂移问题,避免反复测试修配耦合器,减少调谐时间,提高加速管成品率,提高工作效率。(The invention provides a frequency-adjustable accelerator, comprising: an acceleration tube configured to establish an acceleration electromagnetic field by receiving microwaves and accelerate electron beams entering the acceleration tube; and a tuner coupled to the acceleration tube through a first coupling hole and configured to adjust an operating frequency of the acceleration tube. The invention aims to solve the problem of frequency drift of the coupler in the design and production of the accelerating tube, avoid repeated testing and repairing of the coupler, reduce tuning time, improve the yield of the accelerating tube and improve working efficiency.)
技术领域
本发明涉及微波相关领域，尤其涉及一种频率可调加速装置、包括其的加速器及其调节方法。
背景技术
加速器作为X射线源被广泛应用在医用放射治疗、工业无损检测、辐射成像等领域，由电子枪、调制器、功率源、微波传输系统、加速管、聚焦系统、真空系统等组成，加速管是加速器核心组成部件之一。
加速器基本工作原理：调制器产生一个高压脉冲和一个延迟脉冲，高压脉冲激励功率源，输出的高功率射频脉冲经过微波传输系统，进入加速管，建立射频加速电磁场；另一个延迟脉冲提供给电子枪，引出电子束，注入到加速管，受到加速电磁场的加速，从而产生高能量电子束或者电子束打击重金属靶产生X射线。
外部功率通过耦合器的耦合孔馈入到加速管中，耦合器是加速管中特殊且关键腔型，如图1所示，它是在加速腔的基础上，侧向开耦合孔与波导相连接，加速腔开孔势必会造成腔的频率漂移。而加速管的稳定运行，要求组成加速管的各类腔型(加速腔、耦合器和耦合腔)的谐振频率需要保持一致性，而保证各类腔型频率一致是加速管设计生产中的一大难点，这对加速管仿真的准确性、加工工艺的可靠性提出很高的要求。
谐振频率是否达到一致的标准是测量加速管的场分布曲线，合格的加速管应该是加速腔中有电场，耦合腔中电场量值很小，基本低于加速腔5％的电场值大小即可。
通常，为保证耦合器的工作频率在谐振频率，一般情况下是加工耦合器部件时，工艺生产参数达到仿真设计值，这对仿真的准确性和加工工艺的可靠性要求非常高；另一种方法是加工时，对影响耦合器频率的关键尺寸(如图1所示的尺寸D)留出一定裕量，通过反复多次测试修配使耦合器谐振频率与其余腔链的谐振频率达到一致。
现有保证耦合器谐振频率的方法一方面对仿真准确性和加工工艺的可靠性要求非常之高，另一方面多次修配的方法会使得时间成本和加工成本升高，且效率低下。
还有一点值得注意的是，加速管生产过程中涉及到调谐完成后，整管需要进行高温(550℃)焊接和退火去除应力及气体杂质的工艺流程，这会使加速管发生一定程度的塑性形变，由此会出现加速管各腔型频率不一致的问题，但加速管已经焊接成为整管而无法再对关键尺寸进行修配。
一旦出现无法谐振的情况，耦合腔中就会出现一定程度的电场，这部分电场会对粒子起到减速的作用。
往往这时候，想要达到加速管的设计目标(一定的能量和剂量率)，只能通过牺牲功率源功率的方法，但纵观国内的功率源市场，功率源峰值功率的提升也是技术难题，目前国内功率源大多使用国外的产品，加之目前国际形势不乐观，自力更生是唯一出路。
背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。
发明内容
有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本发明提供一种频率可调的加速装置，可解决加速管设计生产中耦合器频率漂移造成耦合器与邻近加速腔频率不一致的问题，旨在为加速管的设计生产提供一种灵活可调的设计方案，降低生产成本和减少功率源功率的牺牲。。
本发明提供一种频率可调的加速装置，包括：加速管，配置为通过接收微波建立加速电磁场并对进入加速管的电子束进行加速；和调谐器，通过第一耦合孔与所述加速管耦接，配置为可调节所述加速管的工作频率。
根据本发明的一个方面，其中所述加速管包括：多个加速腔，配置为建立加速电磁场并对电子束进行加速，所述第一耦合孔位于其中一个加速腔的腔壁上；和布置在相邻的加速腔之间的耦合腔，配置为耦合所述微波。
根据本发明的一个方面，其中所述调谐器包括：调谐器壳体，所述调谐器壳体内部具有谐振腔，所述谐振腔通过第一耦合孔与所述加速管的其中一个加速腔连通；调谐杆，通过通孔进入所述谐振腔，配置为可通过调节所述调谐杆进入所述谐振腔的深度，以调节所述加速管的工作频率。
根据本发明的一个方面，所述调谐器与所述其中一个加速腔构成径向腔链，当所述调谐杆进入所述谐振腔的深度变大时，所述径向腔链的频率降低；当所述调谐杆进入所述谐振腔的深度变小时，所述径向腔链的频率升高。
根据本发明的一个方面，其中所述谐振腔具有“工”字型结构、球型结构、椭球型结构或圆柱型结构。
根据本发明的一个方面，其中所述调谐器壳体还包括：扼流结构，设置于所述通孔靠近所述谐振腔的一侧，配置为可阻止微波泄露；和气密装置，设置在所述通孔远离所述谐振腔的一侧，配置为可阻止空气进入所述谐振腔。
根据本发明的一个方面，其中所述加速装置包括多个可更换的调谐器，每个调谐器的尺寸设置为对应不同频率的微波。
根据本发明的一个方面，所述加速装置还包括波导系统，所述波导系统包括：波导窗，配置为可接收所述微波并隔离空气；和波导，耦接在所述波导窗和所述加速管之间，通过第二耦合孔与所述加速管相连通，配置为传输所述微波。
根据本发明的一个方面，所述径向腔链还包括所述波导，所述波导与所述调谐器均耦接于所述加速管的其中一个加速腔，通过所述调谐器调节所述径向腔链的频率进而实现加速管工作频率可调。
根据本发明的一个方面，其中所述加速装置包括多个调谐器，所述多个调谐器通过多个第一耦合孔与所述加速管的一个或多个加速腔耦接。
本发明还提供一种加速器，包括：功率源，配置为发射微波；电子枪，配置为发射电子束；和如权利要求1-10任一项所述的加速装置，所述加速装置耦接到所述功率源和所述电子枪，配置为接收所述微波以建立加速电磁场，接收所述电子束并通过所述加速电磁场对其进行加速，其中所述加速装置的工作频率可调节。
根据本发明的一个方面，其中所述电子枪与所述加速管的首腔耦接，所述加速器还包括与所述加速管的末腔耦接的靶结构或窗结构，所述靶结构配置为接收经所述加速管加速的电子束并产生X射线，所述窗结构配置为引出经所述加速管加速的电子束。
本发明还提供一种调节如上所述的加速装置的工作频率的方法，包括：调节所述调谐器以调节所述工作频率。
在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。
附图说明
构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
图1示出了一种加速管和波导的三维机械剖视图；
图2A示出了本发明一个实施例的加速装置的三维机械模型斜视图；
图2B示出了图2A的三维机械模型正向剖视图；
图3A示出了调谐器的正向剖视图；
图3B示出了调谐器的斜视剖视图；
图3C示出了调谐器的俯视图；
图3D示出了调谐器的3D模型示意图；
图4示出了调谐器的调谐杆插入谐振腔的深度与轴向腔链频率变化的示意图；
图5A示出了本发明一个实施例的未连接波导的加速装置仿真图；
图5B示出了本发明一个实施例的开耦合孔连接波导的加速装置仿真图；
图5C示出了本发明一个实施例调节调谐杆后的加速装置仿真图；和
图6示出了本发明一种加速器的示意图。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、"长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、"水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"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。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，"多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之"上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、"下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本发明设计一种在加速管外接调谐器的加速装置，通过调节调谐器以调节加速管的工作频率。着力于解决加速管设计生产中耦合器频率漂移造成耦合器与邻近加速腔频率不一致的问题，旨在为加速管的设计生产提供一种灵活可调的设计方案，降低生产成本和减少功率源功率的牺牲。
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种频率可调的加速装置100，如图2A所示，包括加速管1001和调谐器1002，其中加速管1001通过接收微波建立加速电磁场并对进入加速管1001的电子束进行加速；调谐器1002通过第一耦合孔H1(见图2B)与加速管1001耦接，配置为可调节加速管1001的工作频率。
如图2B所示，加速管1001包括多个加速腔1001-1、多个耦合腔1001-2和一个耦合器1001-3。加速腔1001-1配置为建立加速电磁场并对电子束进行加速，耦合腔1001-2配置为耦合微波，耦合器1001-3是加速腔的一种，外部功率通过耦合器1001-3馈入到加速管1001以产生加速电磁场，第一耦合孔H1位于耦合器1001-3上，为一侧向开孔。
图3A示出了根据本发明一个实施例的调谐器1002的正向剖视图，调谐器1002包括调谐器壳体1002-1、谐振腔1002-2和调谐杆1002-3。其中，调谐器壳体1002-1内部具有谐振腔1002-2，谐振腔1002-2通过第一耦合孔H1与加速管1001的耦合器1001-3连通；调谐杆1002-3，通过通孔进入谐振腔1002-2，配置为可通过调节调谐杆1002-3进入谐振腔1002-2的深度，以调节加速管1001的工作频率。
具体地，在加速管1001的轴向上，各个腔型共同构成了轴向腔链，调节轴向腔链的频率即为调节加速管1001的工作频率。调谐器1002中的谐振腔1002-2与耦合器1001-3构成径向腔链，当调谐杆1002-3进入谐振腔1002-2的深度变大时，径向腔链的频率降低；当调谐杆1002-3进入谐振腔1002-2的深度变小时，径向腔链的频率升高。调节径向腔链的频率即可间接调节轴向腔链的频率，即调节加速管1001的工作频率。
如图3A所示，调谐器1002的谐振腔1002-2的正向剖视图是“工”字型结构，对于S波段(谐振频率2998MHz)来说，调谐器1002的尺寸是谐振腔1002-2外径D1＝Φ46.58mm，内径D2＝Φ20mm，深L＝10mm，中间开一个D3＝Φ5mm的通孔，匹配Φ5的金属调谐杆1002-3。图3B示出了调谐器1002的斜视剖视图。
图3C示出了调谐器的俯视图，图3D示出了调谐器的3D模型。如图所示，调谐器1002的谐振腔1002-2通过第一耦合孔H1与耦合器1001-3连通，优选地，第一耦合孔H1为长圆孔，尺寸为L1*L2＝30mm*9mm，其与加速管1001装配的三维机械模型如图2B所示。第一耦合孔也可采用其它形状，需要仿真结果确定尺寸。
根据本发明的一个优选实施例，所述谐振腔1002-2还可采用球型结构、椭球型结构或圆柱型结构。
以上描述了S波段的一种实施例的调谐器1002的尺寸，相应地，对于C波段(5712MHz)、X波段(9300MHz)，改变相应的机械尺寸亦适用。根据本发明的一个优选实施例，加速装置100可包括多个可更换的调谐器1002，每个调谐器1002的尺寸设置为对应不同频率的微波，每个调谐器均可完成频率调节功能，可根据实际频率需要更换不同的调谐器1002。
根据本发明的一个优选实施例，调谐器壳体1002-1还包括扼流结构和气密装置，未在图中示出。扼流结构设置于所述通孔靠近谐振腔1002-2的一侧，配置为可阻止微波泄露；气密装置，设置在所述通孔远离谐振腔1002-2的一侧，配置为可阻止空气进入所述谐振腔1002-2。本领域技术人员可以理解，扼流结构和气密装置还可采用其它形式，只要实现阻止微波泄露和阻止空气进入即可，都在本发明的保护范围内。
根据本发明的一个优选实施例，如图2A所示，加速装置100还包括波导系统1003，如图2B所示，所述波导系统1003包括波导窗1003-1和波导1003-2。其中，波导窗1003-1配置为可接收微波并隔离空气；波导1003-2耦接在波导窗1003-1和加速管1001之间，通过第二耦合孔H2与加速管1001的耦合器1001-3相连通，配置为传输微波。在耦合器上开孔势必会造成腔的频率漂移，这也是本发明的一个实施例需要解决的问题。
当加速管1001与波导1003-2连通后，径向腔链包括谐振腔1002-2、耦合器1001-3和波导1003-2，所述谐振腔1002-2和波导1003-2均与耦合器1001-3耦接，通过调节调谐杆1002-3进入谐振腔1002-2的深度，可调节径向腔链的频率，即间接调节轴向腔链的频率，进而实现对加速管1001的工作频率的调节。通过本实施例的方案，可解决耦合器开孔后带来的频率漂移问题，避免了反复测试修配耦合器，减少调谐时间，提高加速管成品率。
根据本发明的一个优选实施例，为了增加调节频率的范围，加速装置100还可包括多个调谐器1002，多个调谐器1002通过多个第一耦合孔H1与加速管1001的耦合器1001-3耦接。进一步地，如需调节其它加速腔1001-1的频率，也可以将多个调谐器1002与一个或多个加速腔1001-1耦接。
以上对加速装置100的结构进行了描述。以下通过仿真结果来验证加速装置100的合理性和可行性。
通过仿真实验发现，调谐杆1002-3插入深度对加速管1001的轴向腔链频率的影响程度如图4所示，图中有5个标记点，分别对应横坐标为长度、纵坐标为频率的一组值，示出了深度和频率的关系，由此可见，频率可调的容忍度是客观的，大概是5丝改变量会引起12MHz的频率变化。
实际使用中，可以加工不同长度的调谐杆1002-3以匹配调谐所需的长度。
本发明一个实施例是建立在仿真模拟验证基础之上的，基于图2的加速装置100进行仿真实验，仿真结果如图5A、5B和5C所示的场分布图和空气腔模型图。
图5A是加速管1001未开第二耦合孔H2连接波导1003-2时的加速装置100仿真图，所述加速装置100包括加速管1001和调谐器1002。其中，右图为空气腔模型图；左图为场分布图，曲线的高低代表电场强弱程度。可见各腔在谐振的情况下，耦合腔1001-2的场相对于加速腔1001-1中的场小得多，这正是加速管1001实际工作所需要的，即耦合腔1001-2电场越小或趋于不存在时，加速腔1001-1对电子束施加的能量越强。
图5B是在图5A基础上在耦合器1001-3第二耦合孔H2位置开孔连接波导1003-2之后，其空气腔模型如右图所示，所述加速装置100包括加速管1001、调谐器1002和波导1003-2。此时耦合器1001-3产生频率漂移，轴向腔链频率出现不一致的情况，如左图所示的电场分布图，耦合腔1001-2中的电场变强(见虚线圈内的波形)，相应地，电子束获得的能量就会变小。
图5C是在图5B的基础上，增加了调谐杆1002-3，其空气腔模型如右图所示，将谐振腔1002-2放大可见，“工”字型腰部左侧有一凸起，用来模拟调谐杆1002-3插入谐振腔1002-2时引起的空气腔体积变化。通过仿真可知，增加1mm长，直径为5mm的空气圆柱(该数值针对S波段)可以将耦合腔1001-2中的电场降低，且加速腔1001-1中电场恢复与5A图一致，说明在调谐器1002中通过改变调谐棒1002-3插入谐振腔1002-2的深浅可以补偿耦合器1001-3的频率漂移。
值得一提的是，如果加速装置100焊成整管之后，耦合器1001-3频率漂移引起图5B的耦合腔1001-2电场变大，实际中无法把耦合腔1001-2的电场调下去的，只能通过牺牲宝贵的功率源功率的方法，在功率源功率无法满足的情况下，加速管1001就会归为不合格管子。安装本发明所设计的调谐器后，即使加速管1001已经焊成整管，也能够再次调谐，使加速管1001在原定功率源功率不变的情况下达到设计值(一定能量和剂量)，即提高加速管成品率。
由此，通过上述仿真结果验证了本发明一个实施例的准确性和实用性。
本发明还提供一种加速器10，如图6所示，包括：
功率源101，配置为发射微波；
电子枪102，配置为发射电子束；和
如上所述的加速装置100，所述加速装置100耦接到功率源101和电子枪102，配置为接收微波以建立加速电磁场，接收电子束并通过加速电磁场对其进行加速，其中加速装置100的工作频率可调节。
根据本发明的一个优选实施例，其中电子枪102与加速管1001的首腔耦接，加速器10还包括与加速管1001的末腔耦接的靶结构或窗结构103，所述靶结构配置为接收经加速管1001加速的电子束并产生X射线，所述窗结构配置为引出经加速管1001加速的电子束。
本发明还提供一种调节如上所述的加速装置100的工作频率的方法，包括：调节所述调谐器1002以调节所述工作频率。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种高梯度返波型行波加速器及其快速能量调节方法