医用电子加速器1~4章

1、第一节 医用电子加速器概况一 历史回顾1885 年，德国科学家伦琴发现了 X 射线。1898 年，法国科学家居里夫妇发现了天然放射性核素226Ra。1910 年，美国 Coolidge 研制成钨丝阴极 X 射线管。1913 年，美国 Coolidge 研制成 140Kv X 射线机。1922 年，美国 Coolidge 研制成 200Kv X 射线机用于放疗， 以后还有过 800Kv 和 1000Kv X 射线机。1931 年，美国 Van de Graff 发明电子静电加速器。1940 年，美国 Kerst 发明电子感应加速器。1944 年，苏联 Veksler 提出电子回旋加速器原理。19

2、49 年，美国用电子感应加速器进行放射治疗。1947年，英国Fry等，1948年美国Hansen等各自独立发明行波电子直线加速器。1956 年，谢家麟在美国制成能量最高为 45Mev 行波医用电子直线加速器。1970年，美国Sable等开发出4Mev驻波医用电子直线加速器。1972年，瑞典Reistad等研制成医用电子回旋加速器。1976 年，瑞典 Scanditronix Medical 研制成 MM50ARTS 医用电子回旋加速器。 19771983 年，中国北京上海及南京先后研制成行波医用电子直线加速器。 1987年，中国北京研制成驻波医用电子直线加速器。二 医用加速器的分类医用加速器按

3、照加速的粒子不同， 可分为医用电子加速器， 医用质子加速器， 医用重离 子加速器，中子加速器等。医用电子加速器又分为医用电子直线加速器， 医用电子感应加速器， 医用电子回旋加速 器。医用电子直线加速器按照加速电子的微波电场的不同，可分为医用行波电子直线加速 器，医用驻波电子直线加速器。医用电子直线加速器按照所产生的辐射能量可以分为高能加速器和低能加速器，低能加速器一般只提供一种能量的X辐射，能量为4 6MV ,高能加速器除提供低能X辐射外，还提供高能 X 辐射和 56 档能量的电子辐射。三 医用加速器的发展状况1933 年和 1934 年有人成功的利用传输线传输脉冲行波电场直线的加速电子，能量

4、达到1.3 兆电子伏。由于技术的困难，此种加速电子的方法没有得到发展。30 年代以后，又有人进行微波加速电子的实验，进步不大。二次大战的爆发，促进了雷达技术的发展， 3000兆赫频段，兆瓦级的脉冲大功率振荡 管磁控管研制成功， 使科技人员对微波的认识不断加深， 控制技术不断完善。 在这种情 况下， 人们充分注意到电子加速本身具有很鲜明的特点， 即一经加速， 电子的速度就很快达 到光速， 而电磁波在真空中的传播速度也是光速， 二者达到一致， 这就为利用直线传播的微 波电场加速电子提供可能。 为了加速电子， 首先要使微波电场的行进速度与电子的行进速度 一致， 即慢波技术。 同时要保证电子正好运动在

5、加速电场上， 始终保持加速状态， 要对微波 功率源的相位进行控制以满足上述要求，调相技术。英国和美国的科研机构经过多年研究， 在慢波技术和调相技术方面有了重大突破，取得了满意的结果。1947年英国电气通讯研究所和美国斯坦福大学的行波电子直线加速器先后研制成功， 从而为电子直线加速器的发展和应用开辟了崭新的阶段。电子直线加速器的迅速发展是与各 方面的要求和需要分不开的， 特别是核物理， 医疗卫生， 工农业等方面的急切需要。 这里可 以举一个例子，在英国，电子直线加速器刚刚研制成功，马上就应用于临床实验， 1953 年 就在 Harmersmith 医院安装了一台 8Mev 的电子直线加速器，对恶

6、性肿瘤进行治疗。驻波电子直线加速器较行波电子直线加速器的发展要晚一些，并不是利用驻波加速电 子的想法和理论提出来晚， 而是稳定的加速电子的结构和技术始终不成熟。1964 年美国 LosAlamos 科学实验室在 EA Knapp 等人领导下研制成功了一种新的驻波加速结构边耦合 加速结构， 这为驻波加速原理的应用提供了技术基础。 美国瓦里安公司首先将边耦合加速结 构应用于制造小型电子直线加速器， 1968 年 10 月 4 兆电子伏电子直线加速器原型机制造成 功。从此以后医用驻波电子加速器得到迅速的发展， 有很多家公司采用此项技术生产驻波电 子直线加速器，并把此技术应用于高能医用电子直线加速器。

7、四十年来，随着电子直线加速器的迅速发展，医用电子直线加速器也得到了突飞猛进 的发展，且技术不断完善，运行更加可靠。从48Mev 中低能医用电子直线加速器，发展到 18 25Mev 高能电子直线加速器；从生产单一行波医用电子直线加速器，发展到行波和 驻波医用电子直线加速器同时生产。 特别是近十几年来， 电子计算机的发展已深入到生产和 生活的各个方面， 其也广泛的应用于医用电子直线加速器， 进一步提高了电子直线加速器的 运行可靠性和治疗的准确性， 使操作进一步简单和安全， 同时使更先进的技术应用于电子直 线加速器，如验证系统，适形治疗系统，故障检索系统，远程通讯系统等。我国第一台电子直线加速器是在

8、 1956 年谢家麟教授领导， 在中国科学院原子能研究所 开始研制的， 1964 年建成，能量为 30Mev 。 70 年代初期我国电子直线加速器有了较大的发 展， 1977 年北京地区和上海地区研制成功了行波医用电子直线加速器，随后又研制成功了 低能驻波医用电子直线加速器。 由于我国的工艺水平和工业水平比较落后， 阻碍了医用电子 直线加速器的发展， 现在已能够小批量生产中低能医用电子直线加速器， 随着技术和工艺水 平的进一步提高，我国医用电子直线加速器一定能赶上国际先进水平。第二节医用电子直线加速器的基本结构和系统构成一.基本结构和系统构成医用电子直线加速器是一种比较复杂的大型医疗设备，涉及

9、到诸多学科和技术，如加速器物理，核物理，无线电，电工学，自动化控制，电磁学，微波技术，电真空，机械，精密 加工，电子计算机，制冷，流体力学等。不论是行波医用电子直线加速器，还是驻波医用电子直线加速器，不论是低能医用电子直线加速器，还是中高能医用电子直线加速器，尽管在结构上各有千秋， 但基本组成是一致的。其主要由加速管，微波功率源，微波传输系统，电子枪，束流系统，真空系统，恒温水 冷却系统，电源及控制系统，照射头，治疗床等组成。加速管是医用电子直线加速器的核心部分，电子在加速管内通过微波电场加速。加速 管主要有两种基本结构盘荷波导加速管（如图2- 1）和边耦合加速管（如图 2 - 2）图21盘荷

10、波导加速管加速腔翳合胶图22边耦合加速管盘荷波导加速管是由在一段光滑的圆形波导上周期性的放置具有中心孔的圆形膜片而 组成，应用于行波医用电子直线加速器。盘荷波导实际是通过膜片给波导增加负载，是通过的微波速度减慢下来，是一种慢波结构，是直线加速器发展的关键技术。边耦合加速管是由一系列相互耦合的谐振腔链组成，应用于驻波医用电子直线加速器。边耦合结构是把不能加速电子的腔移到轴线两侧，轴线上的腔都是加速腔，缩短了加速距离。由于驻波在加速管内所建立的电场强度提高，能达到140kv/cm，提高了加速效率。微波功率源有两种，磁控管和速调管。行波医用电子直线加速器和低能医用电子直线 加速器使用磁控管作为微波功

11、率源。中高能驻波医用电子直线加速器使用速调管作为功率 源。微波传输系统主要包括隔离器，波导窗，波导，取样波导，输入输出耦合器，三端或 四端环流器，终端吸收负载，频率自动稳频等组成。电子枪为医用电子直线加速器提供被加速的电子。行波医用电子直线加速器的电子枪 的阴极采用钨或钍钨制成，有直热式，间接式和轰击式三种加热方式。驻波医用电子直线加 速器的电子枪由氧化物制成。束流系统有偏转线圈，聚焦线圈等组成。控制束流的方向。提高束流的品质。真空系统为被加速的电子不因与空气中的分子相碰而损失掉提供保证。一般使用离子 泵保持医用电子直线加速器的运行真空。恒温水冷却系统带走微波源等发热部件产生的热量。为保证整个

12、系统恒温，恒温水冷 却系统需要一定的水流压力和流量。照射头和治疗床属于应用部分。图2 3给出行波医用电子直线加速器一般结构示意图（ SL75 - 20医用行波电子直线 加速器），图2 4给出驻波医用电子直线加速器一般结构示意图（ CL600C驻波医用电子直 线加速器）。图2 3 行波医用电子直线加速器示意图电子抢力U迷 瞥器努!率K-1动 fc电酿凰图2 4 驻波医用电子直线加速器示意图二.医用电子直线加速器的原理在两个极板间加上电压，就会在其间形成电场，由负极释放电子，电子就会在电场的作用下，运动到正极，并且得到加速。要想得到高能电子，就要提高电场强度，也就是增加两个极板间的电压， 电压过高

13、会产生极板间放电， 不能加速电子。另一种方法是使 两个极板随着电子一起运动， 仅电场始终加速电子， 但电子的运动速度相当快， 一经加速很 快达到光速，利用机械方法不能使极板的运动速度与电子的运动速度保持一致。微波是电磁场，包括电场和磁场，其在真空中的运动速度与光速一样。研究人员考虑利用微波加速电子。根据微波特性，在圆波导内，可以激励起一种TM01型的电磁波（图25），其具有轴向电场，但是此电磁波在圆波导内的传播速度大于光速。经过多年的研究， 发现了慢波结构，在圆波导内周期性的放置带有孔的金属源盘膜片，增加了圆波导的负荷，使TM01电磁波的传输速度降低。此结构就是盘荷波导（图2 1 ）。图2 5

14、 圆型示波管内TM01型电磁波在盘荷波导中，TM01电磁波以波的形式沿轴线方向向前传播，此电磁波具有轴向分量,（图2 6）电子在轴线附近时，如果相位适合，就会不断得到轴向电场的加速作用，这就是行波加速原理。要满足此原理要求，就必须保持行波速度与电子速度一致，即同步条件。驻波加速原理基本一样，只是电磁波的形式不同，在第三节将对行波和驻波加速原理 作详细的介绍。第三节电子直线加速器的加速结构一基本原理电子直线加速器是利用微波电磁场加速电子并且具有直线运动轨迹的加速装置。目前， 在放疗中使用最多的是电子直线加速器。电子直线加速器有两种加速方式：行波加速方式和驻波加速方式。（一）行波加速方式图3-1的

15、模型是电子直线加速最基本的原理。显然，电子只能在加速缝隙 D中得到加速。若平均电场强度为 E= Va/D,则通过加速缝所获得的能量为eVa。电子经过加速缝后，进入没有电场的金属筒内，便不能被加速。如何使加速得以持续，一种直观的想法是：如果能将图21的系统能以电子相同的速度前进，电子一直处于加速缝中，即一直能感受到加 速电场，则加速能持续。图31 一种简化的同步加速电子的模型根据狭义相对论，现实中不可能建造这样的系统。由于电子很轻，经过几十keV的加速之后，速度就可与光速相比拟，而一个宏观的系统 （加速缝）是不可能光速可以比拟的速度前进的。不过这种想法却启发人们去寻找某种形式的电场，它能与光速相

16、比拟的速度向前运动。二次大战一结束，英美两国一些在二战中搞过雷达的科技人员，组成七八个小组，思索这个问题，他们不少人都不约而同的想到在雷达技术中广泛应用的圆波导管（如直径约 10cm的圆管），在其中可激励起一种具有纵向分量的电场（TM01模），它可以用来加速电子。其电磁场分布 如图32所示，可惜它在圆波导管内传播时，波的相速度大于光速。要 想利用这种电场来同步加速电子，保证电子加速到哪里， 加速电场就跟着到哪里，即加速电场可以不断推着电子向前走， 就必须把在圆波导中传播的这种TM01模的电磁场的传播速度（相速度）慢下来。图3 2 TM01模电场沿圆波导管传播电场分布在圆波导中周期性插入带中孔的

17、圆形膜片，依靠这些膜片的反射作用，使中孔部分中 传播的电磁场相位传播速度慢下来，甚至光速以下，以实现对电子的同步加速。这种波导管,人们称其为盘荷波导加速管，取圆形膜片对波导管加载之意。此结构如图3-3所示。图3 - 3 TM01型盘荷波导加速管结构示意图图33中绘出了工作于 n模时，电磁场的分布。从图中可以看到，在轴线附近，能 提供一个沿z轴直线加速电子的电场。 只要此形态的电场沿 z轴传播速度始终与电子速度同 步，该电场就能不断推着电子沿着z轴前进。这种盘荷波导加速管工作原理简单，但很实用，结构也不复杂，自20世纪40年代中期问世以来，一直沿用至今。人们把这种加速原理称为 行波加速原理。假设

18、行波电场的强度为Ez,电子一直处于电场的波峰上，则经过长度为L的加速管之后，电子所获得的能量W为 W e X EzX L（二）驻波加速方式图3 4给出了另一种模型，在一系列双圆筒电极之间，分别接上频率相同的交变电源， 如果该频率fa和双筒电极缝隙之间距离 D满足D = V/2fa的关系（V为电子运动速度），则电 子可以得以持续加速。*O图3 4用时变电场按直线连续加速电子的一种模型增加加速单元的数目，则电子的加速能量可以线型增加。在加速缝中，加速电场的振 幅值随时间是交变的，沿 z轴也是交变的，在缝中央幅值最高，而在圆筒中央电场为零。当 然这只是一个模型，在工程上很难实现，也不合适。因为若D取

19、5cm , V近似光速，则fa等于3000MHz，这样高频率的高压是不可能用电线传输的。要实现这种加速模型只能在一 个谐振腔列（链）中完成。图 3 3所示的加速管在左右两端适当位置放置短路板（面） ，形 成一种电磁振荡的驻波状态，其电场的分布如图3 5所示。加速管结构中所有的腔体都谐振在这个频率上，相邻两腔间的距离为 D,而腔间电场相位差刚好位 180度，即腔间电场刚 好方向相反。接近光速 c的电子在一个腔的飞（渡）越时间 t= D/c,等于管中电磁场振荡的 半周期，因此电子的飞跃时间刚好和加速电场更换方向时间一致，从而能持续加速。 这种加速模型被称为驻波加速。图3 - 5利用盘荷波导形成的驻

20、波加速场分布由于电子的静止质量很轻，仅有9 x 10- 31g。它的动能很小时，速度就可以很快，比如1MeV的电子，它的速度就达到光速的94%。而动能为 20MeV的电子，其速度为光速的99.97 %。可见电子能量从 1MeV增加至20MeV ,而速度才约增加 6%。因此讲电子加速器 不如讲电子加能器，更确切些。综上所述，医用电子直线加速器是利用微波电磁场的行波加速方式或驻波加速方式，加速电子到高能的装置，目前一般能量范围为4 50MeV。电子是由电子枪产生的，为了避免电子在加速过程中横向散开，常常需要聚焦磁场来约束电子束流的横向运动；另外为了避免电子在加速过程中与加速管中残留气体分子碰撞，加

21、速还必须在真空条件下进行；为加速电子而需要在加速管中激励电磁场要由专门的微波功率源系统产生，并经微波功率传输系统馈入加速管内。图 36给出了医用行波电子直线加速器组成的方块图。脉冲调制器偏转磁头抬疗床图36 医用行波电子直线加速器主要系统组成示意图二.行波加速管微波在盘荷波导中传播的速度与盘荷波导内波导内径b和金属膜片孔径 a之差b a,膜片孔径，膜片的间隔，甚至膜片厚度t等有关，可以调节这些尺寸来控制相速度以满足同步加速的条件。因此一根特定的加速管是针对一定的工作频率来设计，加工，调整的。当此频率的微波功率馈入加速管后，在其中所激励起的行波电磁场其相速度Vp (z)就会按设计的要求增长，满足

22、 Vp ( z) V (z)条件。如果馈入盘荷波导加速管的微波工作频率偏离 所设计的频率，其传播的相速度将发生变化，影响电子直线加速器的工作。(一)相速度与盘荷波导几何尺寸的关系盘荷波导几何尺寸主要包括波导内径b,膜片孔径a,膜片间距D,膜片厚度t,如图37所示。D!II图37盘荷波导几何尺寸在这些尺寸中膜片厚度t对相速度影响很不敏感。膜片厚度的选择主要取决于机械强度以及膜片内孔圆弧倒角附近高频电击穿强度。在确定盘荷波导尺寸时，膜片厚度是可先选定的参量。对 10cm波段的加速管(f= 2998MHz或2856MHz ), 一般选t= 4 6mm，个别 也有选2mm的。膜片间距D对相速度的影响也

23、不是主要的。然而它对盘荷波导内建立起的行波场强却有较大的影响，如果盘荷波导内膜片太稀，则微波功率在单位距离内消耗相同的功率时，建立起的场强很低，从而不能满足加速的要求。膜片太密，会增加高频电流流过的表面面积，增加了功率损耗。因此，存在一个最佳的间距范围，最好在一个导波波长内有34个膜片(即D=g/3 /.- g/4 )。同时膜片间距的选择和盘荷波导加速管的工作模式选择是联系在一起的。所谓工作模式是相邻两个加速腔之间相移。一般选90度或120度。相移90度的称工作模式为n /2模；相移120度的称工作模式为 2n /3模。前者对应的膜片间距为g/4 ,后者对应为，小/3。膜片孔径的确定主要依赖于

24、盘荷波导中场强的要求。要求加速场强越高，则孔径a就应越小。但a/值一般在0.10-0.13 范围内。为了传播速度一定的波，当a值决定之后，b值就被唯一确定下来了。盘荷波导的皱褶深度b a是对波速最敏感的尺寸。当 ba越大，即越接近径向传播线波导波长的1/4，则波速越慢。从20世纪40年代中期至今50多年来人们一直发展各种计算方法，计算程序来计算盘荷波导尺寸于频率，波速，场强的关系。从60年代末期至今发展的以变分法，有限元法，um频率精有限积分法为基础的各种程序可以相当精确的计算盘荷波导尺寸，尺寸精度达 度达 105 - 106Hz。为了让大家对a和b量值之间关系有一个大致的了解，下式给出D=g

25、/4 , 3 g = 1时, 粗估b值的关系式为b/ , .一 =0.3831+20（a/几）3,若al=0.1,=10cm,由上式可粗算出2b=7.8mmo（二）相速度和微波频率的关系一一色散关系根据给定的微波频率以及一定的相速度要求而设计和加工出来的盘荷波导加速管，是否只能在给定的微波频率下工作呢？不是的。在一定频率范围内微波还能在其中传播，存在这一个通频带，只是不同的频率的波在其中传播时，其相速度不同而已。 这是盘荷波导传输系统的一个重要特性。这种波速依赖频率的关系称为色散关系。色散这个词是从光学借用来的，在光学中，有一定的光谱（即光线有一定的频率分布）的光通过一个如三棱镜那样的折射系统

26、时，不同频率的光线因在三棱镜中有一定的频率传播速率，从而有不同折射率而被分散开，此特性称为色散。现在盘荷波导也有类似的特性，它不但能传播我们所设计的频率的微波，而且在设计频率附近的一个范围内的微波也能传播，只是不同的频率的微波有不同的相速度。这可解释为当微波频率变化时，主要起慢波作用的皱褶深度相对于导波波长发生了相对的变化。比如微波频率升高了， 即所要传播的微波的波长变短了，这时盘荷波导的皱褶深度b-a相对已经变短的微波波长而言，它显得长了，这样它将起着更大的慢波作用，相 速度变慢了。反之，微波频率降低了，则相速度要增加。图3-8给出一台国产医用行波加速管的相速度与频率依赖曲线一色散曲线该加速

27、管的设计频率为f0 = 2998MHz，预定相速度为3 P = 1。图中可以看出，当微波频率离开f°时，相速度会偏离原定的数值。频率增加时，相速度会降低；频率降低时，相速度会增加。图中 还可看出，实际上存在一条通频带，当频率高于某一数值或低于某一数值，波都不能传播。图3- 8 一台国产医用行波加速管的色散曲线色散特性是盘荷波导最主要的特性，从色散特性可以衡量一根加速管的相速度对微波频率的敏感程度。强色散的加速管，当微波频率稍有变化是， 其相速度将有很大的变化，影响加速管色散程度的主要参量是盘荷波导膜片孔径a/.-l。孔径a/减少，则色散程度增加。a/.越小色散就越厉害。微波频率变化，

28、导致相速度变动，从而会导致电子同步加速条件破坏，电子相对于波滑相。我们可将图2 22色散曲线画成角频率3和相位常数B之间的关系曲线，称为布里渊（Brillouin ）图，如图3 9。图中纵坐标用 3表示（3 =2二f）,横坐标用B表示2： /.'.3 p）,使用布里渊图方便之处在于33曲线上，每一点与原点距离的比值就是该点的相速度，即卩Vp= 3/ 3 ,而33曲线上每一点的斜率就是该点的群速度，即Vg= d3/d 3 （群速度常用来表示微波能量传输的速度）。另外，此慢波系统的通频带宽度，截止频率的位置在图上可以一目了然。图中，横坐标实际上表示在一个腔内的相移。在通频带的低端和高端分别

29、对应相移量为 0和二，在通频带中央，表示相移为二/2，从该图还可以求解模式间隔。图39 盘荷波导的布理渊图（三）加速场强和微波功率，膜片孔径的关系盘荷波导加速管中所激励起的加速场强首先取决于微波功率，与直流电路中电压和电功率的关系相类似，场强和微波功率的平方根成正比；其次加速场强和盘荷波导膜片孔径a大小有关，在相同功率下，a越小，场强越高；再其次还和行波的相速度有关，相速度越低，行波场强也越低。 此外，在加速管中由于膜片的存在，还会激励起无穷多个空间谐波，它们带走全部微波功率的10%30%。可以有复杂的公式来计算上述诸因素对加速场强Ez的影响。当3 P= 1时，有下面的简化公式：Ez >

30、6.972、P，式中P为微波功率， 为空a间谐波系数（口叱0.90.7 ）, 3 P越小，越大；a越小，值越小，从而用于建立基波场强的功率就越小。比如a :- 0.1,: p= 1,：-0.75。（四）衰减系数及分流阻抗微波功率在盘荷波导传输的过程中，在盘荷波导内壁必然会激励起高频电流，这高频电流会引起加速管发热， 常称为高频损耗。它会引起微波功率沿加速管衰减，可用衰减系数来反映沿加速管功率损耗的程度，记为a。微波功率沿加速管的变化正比于a和该处功率P，dP即2aP，而衰减系数 a和盘荷波导尺寸，相速，频率有关。膜片孔径a 越小，adZ越大。a还和材料及其表面状态有关。高频电流的产生和微波电场

31、的建立是紧密联系在一起的。当然不同的加速管结构，不 同的加速管尺寸，不同的相速度，在相同的功率条件下， 会建立起不同幅值的场强。为了衡量这一性质，在行波加速管中引入行波分流阻抗Zt的概念，用来表示加速结构中建立起的加速场强的平方与单位长度加速结构所损耗的微波功率的比值表示为Zt2 2Ez = _Ez_dP 2aPdZ分流阻抗是一个重要的参数，人们总希望Zt大一些，在消耗相同的微波功率时能建立起更高的加速场强。Zt和盘荷波导的工作模式有关，工作于2二§模时，Zt最高。减少膜片厚度对Zt提高也有好处。在 10cm波段，一般Z T : 5060Ml】/m。（五）束流负载及微波功率损耗的分配

32、微波功率沿加速管的衰减还有一个原因是束流负载对微波功率的吸收。换言之，微波 功率建立起行波电场加速了电子束，束流获得了能量。束流能量的增加是以损耗微波能量为dP代价的。考虑到束流负载之后，公式中应该增加束流负载一项，即廿 =_2aP - IEZ , I为dZ束流强度，Ez为束流感受到的电场强度。结合前面公式，可得微波功率沿加速管分布得表达式-r2Z'2|P （ z）= P0e 2az 1- J （ eaz 1） I，式中Po为加速管入口处得微波功率；T 1称（2aP。） 2 为束流负载系数。图3 10画出了一台国产行波电子直线加速器沿主加速管功率分布曲线。图中所选的参数为 J= 0.9

33、5 , I = 0.1 A, Ez= 58 kV / cm , a= 0.00255 cm 1, Po= 1 .22 MW。H p/MW1.40H0 130 150170 190 2105070图3- 10 微波功率沿某国产行波直线加速器主加速管的分布曲线馈入行波加速管的微波功率大约40%50%转换为束流功率， 大约10%左右功率达到行波加速管末端，并通过输出耦合器馈入匹配的吸收负载。一般这部分功率是白白损耗掉的，但有的医用行波电子直线加速器是将这部分功率馈入加速管入空并加以利用。三.驻波加速管驻波加速管结构在驻波电子直线加速器中占有重要地位，它是驻波加速器的核心，它的性能很大程度上决定了整机

34、的性能。在其发展过程中，出现过各种各样的驻波加速器结构。根据不同的特点，它们有不同的分类： 一种是按每一个腔的平均相移来划分，分 为二模，2二§模，0模；一种是按结构包括的周期数来划分，分为单周期，双周期，三周 期；一种是按耦合孔位置来划分，分为轴耦合，边耦合，环腔耦合；一种按电磁场耦合方式 来划分，分为电耦合，磁耦合。目前在国际上广泛采用的是磁边耦合及磁轴耦合的双周期结 构。(一) 描述驻波加速结构性能的基本参数1 .单位长度的分流阻抗 ZEz(z)dz -L2率之比，记为Z, Z2 二匕，式中P为损耗在结构内的功率；LPLPLEz ( z)是结构周线上场强的幅值；V是跨越腔的最大

35、电压，单位长度的分流阻抗等于所建立起的跨越腔最大电压平方与单位长度上消耗的微波功为加速结构(腔)长度；等于轴上电场的线积分。2 度越时间因子T电子穿过加速结构(腔)是需要时间的，这时间称为度越时间。在度越时间内，腔中的 场是变化的，Ez ( z , t)= Ez ( z) cos (7)，电子不可能都感受到电场的幅值，因此 电子度越加速腔时，所获得的能量(厶W)总是小于 V，定义 W和V之比为度越时间因zEz ( z) cos () dz、亠”-rz,因此 W = eVT，式中 W = Ez(z) cos( )dz ； Ld 2-lL子 T，T =L；2Ez ( z) dz-L2T总小于1,其

36、值和结构的场型分布Ez (z)有关，一般总希望结构具有较高的T值。通常T 0.80.85。3 单位长度上的有效分流阻抗Zs反映一个驻波加速管加速效率最本质的参量是单位长度上的有效分流阻抗。它等于电 子所获得能量平方与单位长度上所损耗的微波功率之比，记为Zs (或ZT2 ),2Zs = ( VT)= ZT 2( M Q /m) , ZT2与腔型密切有关。S波段的驻波加速腔，一般ZsPL1 85 100MQ /m。4 .无载品质因素Qo表示高频周期内每个弧度内消耗功率P在腔内所获得的储能 W，极为Qo。Q。(二)双周期驻波加速管结构 1.单周期驻波加速结构最简单的驻波加速结构是双端短路均匀盘荷波导

37、，各腔体通过膜片的中心孔之间电场相互耦合在一起。当然，单周期结构也可以用磁耦合方法来相互耦合。根据短路条件的不同， 可以分成0模，二2模，二模等。图3- 11画出了单周期驻波结构的 0模，二2模，二模场分布的示意图。单周期结构是一种均匀结构，构成驻波腔链的每一个腔体的振荡频率都相同，由N + 1个固有频率°相同的腔组成的耦合腔链可以有N+ 1个振荡频率它们的值分别为，式中 q 可取 0, 1, 2, N。1+ k cos XN相邻两个腔的相移记为 G, G= qN每一个状态相应一个工作模式，譬如，相邻腔的相移：. q= ( q = N)，则称工作于，如图3 11所示。图3 11单周期

38、驻波结构中 0,二，二模的场分布示意图k 二2N公式中的k值为腔间耦合系数，k值大则说明腔间耦合强。 利用公式可以画出单周期驻 波结构的色散关系， 如图3 12。它的形状和盘荷波导的形状相类似。所不同的，驻波加速 结构只能工作在孤立的点，有N+ 1个腔，就有N+ 1个孤立的谐振点，称为工作于不同的 模式。工作于不同模式时，有不同模式间隔。二.2模时，有最大的模式间隔，为二® 0图3 12单周期驻波结构的色散关系而二模的模式间隔最窄，仅为24N模式间隔窄则会使工作不稳定。利用.公式和群速度的定义V g dwc“，可求得不同工作模式时，所对应得群速度为: qsinNkD，可知二模工作时(

39、1+ kcos ) 32N-，群速度最大，并当一：2=1 (即的D =)g4卫=-：,群速度一：=0 。而二辽模，g'N时，其群速度为卩=kg 4综上，增加腔间耦合系数 k有利于增加模式间隔，频带宽度及群速度。2双周期驻波加速结构从上述对单周期结构分析可知，二2模具有最大的模式间隔，具有最大的群速度。因此工作稳定性最好。不过它有半数腔不激励，它只起功率耦合的作用，因此整个结构的分流 阻抗很低。为了保持二.2的优点，又能提高分流阻抗，人们研究了许多改进驻波加速结构的方法。有人提出把工作在 二：2模腔链中的耦合腔加以压缩，而延长加速腔，只要两者谐振频率保持一致，则腔链仍显示 二；2模工作特

40、性，如图 3- 13b所示。而由于加速腔得以延长，分流 阻抗提高了。腔链由两种结构周期不同的腔体组成，而变成双周期结构。图3 - 13 双周期边耦合驻波加速结构演变示意图美国LASL的E.A.Knapp等人进一步提出把耦合腔从束流轴线上移开，放在加速腔的 外边，加速腔的外壁上有耦合孔和耦合腔（称为边腔）耦合，相邻的加速腔通过耦合（边） 腔相互耦合在一起；而相邻的加速腔之间的中孔只起束流通道作用，而不起功率耦合作用， 如图3- 13c所示，这样加速腔长度扩展了一倍，从而有可能获得最大的分流阻抗。这就是 有名的边耦合驻波加速结构。其后他们对腔体不断加以优化，在束流通道上增加了鼻锥，以提高时间度越因

41、子。把圆筒型加速腔变成圆拱型，把加速腔的腔型优化设计成（图3- 14）的样子。图3- 15给出双周期边耦合驻波加速管的示意图。图3 - 14边耦合结构加速腔剖面图加速腔边耦合腔图3 15边耦合驻波加速管示意图由于双周期驻波加速结构是由两种几何结构不同的腔链相互耦合在一起组成的，因此该系统存在两条通频带（两条分立的色散关系曲线）一一加速腔“通频带”及耦合腔“通频带”，如图3 16所示。两条通频带之间不相交， 存在“禁带”。在二；2模处，禁带宽度为 ： ,=_ ,划是相邻加速腔的耦合系数，k2是相邻耦合腔的耦合系数。1 k2, 1匕图3- 16双周期驻波加速结构的色散关系由于加速腔为高 Q谐振腔(

42、Qa),要双周期结构能在 兀/2模上稳定工作，禁带宽度要:； .'2模结构向二模结构退=2模处会合，即要求k2之后，其加速腔和耦合腔的求小于丄。禁带太宽，加速腔通带和耦合腔通带分离，双周期Qa化。因此双周期结构中一个很重要的问题就是使结构的色散关系在1一 k1 c，即双周期结构，在考虑次临近耦合k1和1一 k 2谐振频率(-a，'c )不应严格相等，而应差一个J二丄的比值，这是一个重要的结论。:1- k2 不过这个数值不大，对 S波段结构，a和，c之差约小于1MHz。工作于7：/2模的双周期结构一经出现，马上受到全世界广泛注意和青睐，其原因，是因为它具有一系列优越的微波特性：(

43、1) 二.；2模工作在通频带中央， 与其他模式相比，模式分隔最大，群速度最大，工作稳定。(2) 储能集中在加速腔，而且结构具有最高的分流阻抗。(3) 在一级近似下，任何腔体的频率误差不导致加速场的幅值误差。(4) 在腔体无频率误差下，损耗和束流负载不引起加速场的相移，显示出零相移的特性。(5 )耦合腔中的场和耦合腔本身的频率误差无关，它是由损耗引起的，是二级小量。(6)禁带，端腔失谐，腔体频率误差，损耗，束流负载等对加速场的幅值或相移的影响失二级小量。这些特点汇合在一起，使得 二；2模双周期结构具有分流阻抗高，加工公差要求松，频率稳定性好，相移对束流负载不敏感，调谐方便等优点， 从而推动该结构

44、的迅速发展。具有优良的性能的边耦合驻波加速结构在国际上得到广泛的应用。不过边耦合结构加工较复杂， 焊接较麻烦，自20世纪70年代中后期，加拿大，中国，俄罗斯，印度都在发展磁轴耦合双 周期驻波加速结构。图3- 17给出了磁轴耦合的驻波加速结构示意图。它最大的特点是把边耦合腔放回到轴线上。加速腔和耦合腔通过偏离开轴线的肾形孔利用磁场相互耦合在一起， 如图3- 18所示。它最大的优点是整个结构保持了轴对称性性质，利于加工，调谐，简化了腔链焊接工艺。它的缺点是，轴耦合腔又在轴线上占据一定的位置，加速腔的长度要缩短， 使结构的分流阻抗稍有下降，但上述优点常常会弥补其不足，而保持大体相同的整体性能。图3

45、- 17磁轴耦合驻波加速结构示意图图3 18 磁轴耦合结构的肾形孔示意图四、两种加速结构的比较驻波加速管具有较高的效率，加速管与电子枪较短，结构紧凑。驻波建场时间比行波建场时间长，行波容许较短的脉冲宽度， 驻波希望有较宽的脉冲宽度，从微波功率源及脉冲调制器角度来说，脉冲愈宽，难度愈大。行波加速管对频率稳定度的要求比驻波加速管低，并且有数个不同的工作频率，每个工作频率对应不同的能量，驻波加速管的自动稳频系统只容许有一个工作点。行波加速管由于相振荡比较充分，相聚较好，因此输出电子束的能谱较窄（1%-3% ）,驻波加速管场强较高， 电子很快达到光速， 相振荡不充分， 加之建场时间较长， 所以能谱较

46、宽( 10%-20% )，能谱越宽，愈不对称，打靶后产生的X 辐射分布愈不对称，为下一步均整工作带来困难。驻波加速管可以被看作一个阻抗变化的负载，在每次脉冲开始以及频率偏离工作频率 时，微波功率大量反射， 因此对微波传输系统要求很高； 行波加速管可视为阻抗不变化的负 载，并且可认为是一个匹配的负载，对微波传输系统要求不高。驻波加速管的加速场强度高， 所需电子初始能量较低， 设计得好的驻波加速管注入电压 在 1 10kV 即可，电子枪高度较小，高度只有 3cm 左右；行波加速管由于加速场强较低， 所需注入电压在 40-100kV ，电子枪的高度较高，高度在 1020cm 左右。第四节脉冲调制器在

47、使用微波电场加速电子的加速器中，为了尽可能得到高的加速电场，瞬时微波功率很大，达到MW量级，因此微波源都是脉冲工作的。脉冲调制器是向这种微波源提供脉冲功 率的电源。电子直线加速器的微波功率源基本上和大功率雷达发射机相同，是由磁控管振荡器（或速调管放大器）、脉冲调制器、触发器和直流电源组成。方框图如图41所示。中低能医用 电子加速器需用功率较小（5MW 以下），用磁控管振荡器就可满足，高能医用电子加速器 则用速调管作为微波功率源。图4 1微波源方框图微波源的任务是产生并输出具有一定频率、 一定脉冲包络宽度、一定重复频率、一定大 小功率的超高频振荡。 除振荡频率是由磁控管决定、 重复频率由触发器决

48、定外， 脉冲宽度和 脉冲功率由调制器决定。由此可见，调制器的任务就是输出一系列振荡器所需的、 具有足够 大功率的、一定重复频率和一定宽度、波形合适的脉冲电压。在电子直线加速器中， 除上述磁控管振荡器需要由脉冲调制器提供脉冲电压外，电子的注入也要求有一定波形、脉冲幅度的脉冲电压。电子注入一路的负载很轻，所以常常和磁控 管振荡器共用一台调制器，脉冲变压器副边的两组线圈给出重复频率和脉冲宽度相同、幅度不同的两路脉冲电压。一台加速器的性能、 工作的可靠性直接与微波源、调制器有关，为了正确运用电子直线加速器，了解调制器的原理、线路和工作特点是很有必要的。一、高压脉冲形成原理（一）、脉冲调制器的类型脉冲调

49、制器有四种：刚管调制器、线型调制器（也称软管调制器）、磁调制器和阵列调制器。这里只讨论前两种。如图42所示是刚管调制器的基本线路。它实质上是一个阻容放大器，开关管是真空 电子管（刚性开关管）。工作过程为：直流高压电源先通过充电电阻向储能电容充电，在充 电电压近似等于电源电压以后，把宽度一定的低压脉冲加到开关管的栅极，使开关管导通； 于是储能电容向负载电阻放电；从负载上得到一个宽度由低压脉冲决定的大功率脉冲。它的输出脉冲前沿比较陡，时间抖动小；能够满足对脉冲波形、宽度、功率、重复频率的各种要 求。缺点是体积大、重量重、造价高，在加速器领域未得到应用。42刚管调制器的基本线如图43所示是线型调制器

50、的基本线路。用传输线（或脉冲形成网）取代储能电容；用氢闸流管（或可控硅）取代了电子管；用充电电感做充电隔离元件。工作过程为：直流高压电源先通过充电电感向传输线充电，充电电压近似等于电源电压的2倍；然后，把一个宽度要求不严格的低电压脉冲加到开关管的栅极上，使开关导通；接着传输线通过导通的开关管向负载放电；最后，从负载上得到一个高压大功率、宽度由传输线长度决定的脉冲，只要传输线的特性阻抗与负载阻抗相等，输出脉冲电压就近似等于电源电压。这是使用最广的一种调制器。充电电感传输线/ /直流/-翳小。（i詁闸流管7图43线型调制器的基本线路传输线在线型调制器中起着储存能量和形成脉冲的双重作用。传输线的种类

51、很多，架在电线杆上用来传输 50Hz交流照明用电的双平行导线，就是一种最简单的传输线，在无线电 系统中，为传输射频功率并防止辐射损耗而采用的同轴电缆也是一种传输线，此外，还有象天线、波导和谐振腔这一类的传输线。但是由于真正的传输线在实际中很难应用，因此人们用集中参数的仿真线代替传输线。仿真线又称人工线或脉冲形成网络，它是把传输线的分布参量集中起来，根据开路传输线的特性仿造的，它形成脉冲的理论就是传输线理论。构成仿真线的类型有多种，有串联谐振式网络、谐振式网络、链形和梯形网络等。在加速器的调制 器重大多采用等电感等电容的链形网络，电感在网络中排列像一条链子，简称链形网络。它相当于把一段均匀传输线

52、分成几个依次连接的长度相等的小部分，而把每一部分的分布电感的总和，用集中参数的电感 L代表，再把每一部分的分布电容的总和用集中参数的电容C代表，就可以得到如图 44所示的简易等效网络，也叫做等电感和等电容网络。(1)在这网络中，有等电感和等电容网络图4 4仿照均匀传输线放电形成脉冲的理论：假设网络的特性阻抗是 p ,充上的电压为VE,在向匹配负载电阻RH=p放电时，能得到一幅值为 Ve/2宽度为t的矩形脉冲；则可算得储存在 总电容nC上的总能量为nCV/2,消耗在负载RH上的能量为vft/4 p。令这两种能量相等， 就得到2 2VE t nCV E= （2）4p 2解此等式得到tC=2np将式

53、（3）代入式（1）求出p tL=（4 ）2n当n越大，脉冲前沿越陡，脉冲顶部的波动亦越小。传输线形成的脉冲可以是矩形的, 而仿真线形成的脉冲只能是近似于矩形脉冲。（二）线型调制器的充电电路为使线型调制器的储能元件在输出脉冲期间向负载放电，就必须在脉冲间隔期间，利 用电源对储能元件充电。普通的充电电路是由电源、储能元件和负载电阻（或脉冲变压器的初级绕组）组成。 为了防止电源在脉冲输出期间被开关管短路，还需要在电源和开关之间安插一充电隔离元 件，这个元件常用电感。，叫充电电感。充电电路分直流充电电路和交流充电电路两种，加速器的脉冲调制器功率都比较大， 常用等待充电电路，就是在直流谐振充电电路中串联

54、充电二极管而构成。图45所示为线型调制器的充电电路方框图。图4 5充电电路方框图在开关导通期间，储能元件向负载放电；同时，直流电源也通过充电隔离元件向开关管放电。只要充电隔离元件的阻抗足够大，就可以忽略直流电源泄露电流的影响。在储能元件放电过程结束、开关管恢复正向阻断能力之后，直流电源才开始通过充电隔离元件向储能元件充电，然后，开关管被触发，储能元件再放电，整个调制器就这样周而复始地工作。充电电路应满足以下三个要求：（1）每次充电结束，仿真线上充电电压大致相同；（2）脉冲输出期间，使电源和开关管充分离开；（3）有较高的充电效率。直流谐振充电电路的等效电路如图46所示，由于充电时间比放电时间长得

55、多，充电电流变化很缓慢，所以仿真线在充电期间可以看作一个等效电容CO,其值等于仿真线的总电容，C0=nC，仿真线的电感、脉冲变压器的励磁电感比充电电感小得多，都可看作短路。LCo=±采用线性电感的直流充电电路图4 6图4 7为直流谐振充电的充电电压和充电电流波形。当t=To/2时仿真线可以充到接近两倍的电源电压，如果在这时刻放电，负载可得到最大电压。直流谐振充电的充电电压和充电电漩疲形图47如果采用这种充电方式，调制器的重复周期Tm、脉宽、充电电感和仿真线总电容之间的关系是确定的，不能随便改动。用这种充电方式，当重复频率？m改变（亦即 Tm改变）时，L值应作相应改变，这显然是很不方便的。因此，在需要用改变重复频率去调节输出剂 量的加速器上，常用的是等待充电电路，就是在