具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均应当属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明实施例的谐振加速腔，可实现电子加速器的功能，支持对电子束流进行加速。通过优化谐振加速腔的腔体形状和尺寸，一方面，可保证电子束流在加速腔中不断获得加速，并且有利于束流元器件的安装、加速腔调试，以及提高束流输出强度；另一方面，可改善射频品质因数，降低射频损耗；另一方面，有助于简化腔体结构，便于机械加工、提高机械结构的稳定性。

本发明实施例的谐振加速腔，可针对现有的圆柱形谐振加速腔(以下简称圆柱形谐振腔)结构进行改进。如图1或2所示，现有的圆柱形谐振腔通常包括圆柱形腔体10，设置于腔体内的脊型电极板11a、11b，以及设置于电极板中的束流孔道120。其中，粒子束流注入至腔体10内，沿束流孔道120运动，并在腔体10内的电场作用下获得加速，经加速完成后从加速腔射出。该粒子束流例如为电子束流。

粒子束流在谐振腔内进行多次加速以获得所期望的粒子能量。粒子束流可相对于谐振腔做螺旋运动或蛇形运动。图2示出了粒子束流做蛇形运动的运动轨迹(图中虚线示意)。

参考图1，在一定谐振频率下，圆柱形谐振腔的腔体直径较大、使得相应的束流孔道较长，从而使得相邻两次加速的粒子束流的运动距离满足加速相位同步条件存在一定难度。其中，加速相位同步指的是从加速间隙的中心开始运动的粒子束流，从加速腔射出后，经过180度偏转，再入射加速腔，运动至加速间隙的中心所运动的路程，该路程应当满足等于射频场在真空中波长的一半，即谐振腔的腔体直径需要小于射频场在真空中波长的一半，即电极板中束流孔道的长度需要小于射频场在真空中波长的四分之一。由于束流孔道较长，同时粒子束流在进行完一次加速射出腔体后需要偏转180度以便再次进入腔体，粒子束流在束流孔道内运动的路程加上其在腔体外偏转运动的路程难以满足上述加速相位同步条件。在此基础上，若通过减小腔体直径从而缩小束流孔道长度以克服上述问题，会导致谐振频率相应增加，此时射频波长减小，在这种情况下，粒子束流运动的路程可能仍无法满足上述条件。退一步讲，即使能够满足上述条件，由于腔体直径减小使得腔体周围可利用空间相应减小，这将不利于束流元器件的安装(例如对于用于使粒子发生偏转的部件，在工程上，管道的弯转需要一定的回转半径和机械空间)。

另外，束流孔道的长度较长还容易造成粒子束流在传输过程中横向包络较大，导致束流强度/密度损失，因而不利于束流输出强度或功率的提高。

鉴于上述原因，有必要对圆柱形谐振腔的腔体形状以及尺寸进行优化，通过优化机械参数，可在谐振频率不变的情况下，使得相邻两次加速的粒子束流的运动距离满足加速相位同步条件，同时对输出的粒子束流的强度/功率进行改善。

请参阅图3至图5，根据本发明实施例的谐振加速腔，使用的是不同于上述圆柱形腔体的谐振腔，其包括腔体30，一对电极板31a、31b，以及束流孔道组32/束流孔道320。其工作原理同上述圆柱形谐振腔，均是粒子束流在谐振腔建立的交变电场的作用下获得不断加速，最后从加速腔射出。

腔体30包括相对设置的上弧形壁部301和下弧形壁部302、以及相对设置的左壁部303和右壁部304，上弧形壁部301、左壁部303、下弧形壁部302和右壁部304依次连接并围设形成腔室306，腔室306内具有加速电场，其中，左壁部303和右壁部304之间的最大距离小于上弧形壁部301和下弧形壁部302之间的最大距离。如图1和3所示，腔体30相比较现有的圆柱形腔体10，在改进腔体形状的同时，能够减小左壁部303和右壁部304之间的最大距离，以缩短粒子束流在腔体内的运动路程，即缩小束流孔道的长度。

进一步，一对电极板31a、31b设置在腔室306内，一个电极板31a的一侧与左壁部303连接，另一个电极板31b的一侧与右壁部304连接，一对电极板31a、31b的另外一侧相对设置且形成间隙311。

电极板为金属电极板，用于在谐振腔内建立交变电场。在一些实施例中，谐振腔内建立的电磁场模式为TE₁₁₀，如图5所示，电场90主要分布在两个电极板形成的间隙之间，磁场80环绕两个电极板在腔内空间分布。电场的方向为平行于纸面，磁场的方向包括平行于纸面和垂直于纸面的分量。当粒子束流运动至两个电极板的间隙处时可获得加速。

进一步，两个束流孔道组32分别设置在一对电极板31a、31b中，每个束流孔道组32包括多个束流孔道320，多个束流孔道320在相应的电极板31a、31b中沿腔体30的轴线方向间隔排列，每个束流孔道320贯穿相应的电极板31a、31b的两侧，两个束流孔道组32的束流孔道320之间一一对应。其中，束流孔道组32/束流孔道320用于粒子束流传输，为使粒子束流在谐振腔内获得多次加速，设置多个束流孔道320，多个束流孔道320的排列方向沿腔体30的轴线方向，从而粒子束流可进行整体的蛇形运动或螺旋运动，图2示出了粒子束流的蛇形运动轨迹。其中，两个束流孔道组32的束流孔道320之间，其孔道大小可以相同，并且对准，有利于粒子束流高效传输。

进一步，左壁部303和右壁部304上分别设置有与两个束流孔道组32的多个束流孔道320相连通的多个开孔308，开孔308用于使粒子束流经由其进入腔体30或射出腔体30。

在一些实施例中，加速腔具有更优化的腔体形状和/或尺寸。如图3所示，谐振加速腔300a进一步优化左壁部303和/或右壁部304的形状。左壁部303和/或右壁部304可以呈平板形。这样的构型十分有利于机械加工，由于电极板31a、31b的一侧分别与左壁部303和右壁部304连接，因此也有利于电极板的安装。

当左壁部303和右壁部304均呈平板形时，左壁部303和右壁部304还可以进一步相互平行。此时，左壁部303和右壁部304之间的距离是均匀的。

进一步，电极板31a、31b可设置为与左壁部303和右壁部304分别垂直安装。

需要说明的是，左壁部303和/或右壁部304的形状也可以是曲面、不规则的平面，可根据实际需求进行设置。

在一些实施例中，谐振加速腔300a进一步优化上弧形壁部301和/或下弧形壁部302的形状。上弧形壁部301和/或下弧形壁部302的截面可以呈半圆形。这样的构型十分容易确定弧形的尺寸、以及基于该尺寸确定腔体30的尺寸，进而影响谐振频率、射频品质因数等。

射频品质因数又称Q值，其反映谐振腔储能与损耗之间的关系。本发明实施例的谐振加速腔，在优化腔体形状和尺寸的情况下，还能够实现改善Q值的目的。通过提高Q值，使得在谐振腔腔壁上相同的射频功率损耗下建立的加速电场更高，从而优化粒子加速。

为进一步理解Q值，结合谐振腔的形状以及尺寸进行描述。

如图3或4中，电极板31a、31b将腔体30内部分隔成上、下两部分空间。以上部空间或下部空间为例，当满足半圆形腔壁、左腔壁和右腔壁、以及两个电极板共同围成的截面面积一定，而其组成的周长越小时，可使得Q值越高。具体地，Q值与腔壁损耗(腔壁损耗与电阻率、电流流过的路径等有关)相关。当截面面积一定时，电流流过的腔壁形成的周长越小，相应地腔壁损耗越小，从而Q值增加。或者，还可以理解为，当电流流过的腔壁形成的周长一定时，截面面积越大，可使得Q值越高。

然而，在图1中的腔体构型下，难以满足上述条件以改善Q值。如图3或4所示，本发明实施例的腔体30，其整体形状近似呈跑道形，在此基础上，通过优化腔体30的尺寸来改善Q值。

如图4所示，谐振加速腔300b具有腔体30，上弧形壁部301和下弧形壁部302的截面均呈半圆形且两者的尺寸相等，同时左壁部303和右壁部304均呈平板形且两者的尺寸相等。

进一步，电极板31a、31b与左壁部303和右壁部304垂直设置，电极板31a、31b设置在腔室306的中间位置从而使得腔室306相对于电极板31a、31b呈上下对称。两个电极板31a、31b的厚度可以一致从而使两个电极板31a、31b沿水平面共面设置。

由上述可知，以电极板31a、31b所在平面为分界线(忽略电极板的厚度)，若使得上/下部分腔壁包围的周长越小，或者上/下部分腔壁包围的截面面积越大，则有利于提高Q值。如图4，设半圆形腔壁的半径为R，平板形腔壁沿竖直方向的尺寸为H，当H和R之间满足一定关系时，可尽可能提高Q值。

假设上/下部分腔壁包围的周长为C，上/下部分腔壁包围的截面面积为S，则H可进一步表示为：

H＝C-πR-2αR------------------------------------------------------(1)

上述式(1)中，αR(0≤α≤1)表示一个电极板中束流孔道的长度。

进一步，S可表示为：

S＝HR+πR²/2＝CR-πR²/2-2αR²----------------------------------------(2)

假定C一定，要使得S越大，则应当满足：

dS/dR＝0----------------------------------------------------------(3)

根据上述式(1)-(3)计算可得：

R＝C/(π+4α)-------------------------------------------------------(4)

将式(4)代入式(1)中可得：

H＝2Cα/(π+4α)-----------------------------------------------------(5)

进一步，通过比较式(4)和式(5)可得，H和R之间的关系为：

H＝2αR------------------------------------------------------------(6)

即当H和R之间满足上述式(6)的关系时，能够尽可能提高Q值。即使得左壁部303和右壁部304沿竖直方向的尺寸大于零且小于等于上弧形壁部301的截面形成的半圆形的直径。

如图4所示，在一些实施例中，当电极板31a、31b之间的间隙311的尺寸相对于束流孔道320的长度尺寸(即束流孔道320延伸方向的尺寸)很小时，可使得上述式(6)中的α＝1，此时可得H和R之间的关系为：

H＝2R-------------------------------------------------------------(7)

因此，在图4的实施例中，腔体30的截面形状为：上、下部分为两个半圆形，与上、下两个半圆形连接的中间部分为长方形或正方形。

由上述可知，通过对腔体30的形状和尺寸进行优化，相比较圆柱形腔体10，在满足腔体直径减小、从而束流孔道320的长度减小的情况下，能够保证相邻两次加速的电子束流的运动距离满足加速相位同步条件。而进一步优化H和R的尺寸，还有利于改善Q值。

需要说明的是，束流孔道320的长度即为束流孔道320延伸方向的尺寸，也可以理解为电极板31a、31b的宽度尺寸。

在一些实施例中，两个电极板31a、31b的宽度尺寸相等，从而使得相邻两次加速的电子束流的运动距离容易满足加速相位同步条件。

在一些实施例中，粒子束流的运动轨迹可以呈蛇形或者螺旋状。当粒子束流的运动轨迹呈蛇形时，可以在腔体30的左壁部303以及右壁部304的外侧靠近开孔308处设置与开孔308连通的对粒子束流导向、以及使其偏转的管道，使得粒子束流在此处进行180度偏转运动。当粒子束流的运动轨迹呈螺旋状时，可以在围绕在至少部分腔体30的外侧设置用于粒子束流聚焦、导向、以及发生偏转的部件，辅助粒子束流做螺旋运动。

在一些实施例中，谐振加速腔300a/300b还可包括密封部件，其设置在腔体30沿轴线延伸方向的两个端部，以密封腔室306，从而使腔体30内形成密封空间，此时可利用真空泵等为粒子束流提供运动所需的真空环境。密封部件例如为法兰组件。

以下结合具体实施例描述优化后的腔体所能够获得的Q值。以图4所示的谐振加速腔300b为例，根据不同的机械参数优化可获得不同的Q值。

实施例1：

机械参数为：谐振频率为100MHz，电极板31a、31b之间的间隙尺寸为200mm，腔体30的长度(即沿轴线方向延伸的尺寸)为2m，R为341mm。

根据上述机械参数可计算得Q值为50000。

实施例2：

机械参数为：谐振频率为100MHz，电极板31a、31b之间的间隙尺寸为80mm，腔体30的长度(即沿轴线方向延伸的尺寸)为2m，R为265mm。

根据上述机械参数可计算得Q值为37000。

相比较圆柱形腔体10(在该构型下，其能够获得的Q值大约为30000)，本申请实施例的腔体30具有更高的Q值。

根据本发明的另一方面，本发明实施例还提出一种用于加速粒子束流的方法，包括以下步骤：将粒子束流注入谐振加速腔的腔体；粒子束流进入腔体后沿束流孔道运动至两个电极板的间隙时，对粒子束流加速；加速后的粒子束流继续沿束流孔道运动，并从腔体射出；射出后的粒子束流经过偏转运动，再次进入腔体，以进行再次加速；经过多次加速后的粒子束流从谐振加速腔射出，完成加速；其中，腔体包括相对设置的上弧形壁部和下弧形壁部、以及相对设置的左壁部和右壁部，上弧形壁部、左壁部、下弧形壁部和右壁部依次连接并围设形成腔室，腔室内具有加速电场，其中，左壁部和右壁部之间的最大距离小于上弧形壁部和下弧形壁部之间的最大距离，两个电极板设置在腔室内，一个电极板的一侧与左壁部连接，另一个电极板的一侧与右壁部连接，两个电极板的另外一侧相对设置且形成间隙，每个电极板设置多个束流孔道，多个束流孔道在相应的电极板中沿腔体的轴线方向间隔排列，每个束流孔道贯穿相应的电极板的两侧，两个电极板的束流孔道之间一一对应。

在一些实施例中，粒子束流在束流孔道所在的平面上做蛇形运动。

在一些实施例中，粒子束流围绕在至少部分腔体的外侧做螺旋运动。

上述方法可基于图3或4中的谐振加速腔来实现，以用于加速例如电子束流。

图3或4中的谐振加速腔具有改进的腔体形状和尺寸，有利于改善粒子束流的输出强度、功率，提高束流传输效果。

关于加速腔的结构、以及粒子束流运动过程的描述，相同的内容以及技术效果可参考前文，在此不再赘述。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。