致 谢 开 始 这 篇 致 谢 的 时 候, 以 为 这 是 最 轻 松 最 愉 快 的 部 分, 而 此 时 心 头 却 充 满 了 沉 甸 甸 的 回 忆 和 感 恩, 一 时 间 竟 无 从 下 笔 虽 然 这 远 不 是 一 篇 完 美 的 论 文, 但 完 成 这 篇 论 文 要 感 谢

中 国 科 学 技 术 大 学 博 士 学 位 论 文 论 文 课 题 : 一 个 新 型 简 易 电 子 直 线 加 速 器 的 关 键 技 术 研 究 学 生 姓 名 : 导 师 姓 名 : 单 位 名 称 : 专 业 名 称 : 研 究 方 向 : 完 成 时 间 : 谢 家 麟 院 士 王 相 綦 教 授 国 家 同 步 辐 射 实 验 室 核 技 术 及 应 用 加 速 器 物 理 2006 年 2 月

致 谢 开 始 这 篇 致 谢 的 时 候, 以 为 这 是 最 轻 松 最 愉 快 的 部 分, 而 此 时 心 头 却 充 满 了 沉 甸 甸 的 回 忆 和 感 恩, 一 时 间 竟 无 从 下 笔 虽 然 这 远 不 是 一 篇 完 美 的 论 文, 但 完 成 这 篇 论 文 要 感 谢 的 人 实 在 太 多 太 多, 仅 以 此 文 表 达 我 对 他 们 的 诚 挚 谢 意 感 谢 导 师 谢 家 麟 教 授 和 王 相 綦 教 授 五 年 来 的 悉 心 教 导 和 培 养 谢 先 生 治 学 严 谨, 学 识 渊 博, 思 想 深 邃, 视 野 雄 阔, 使 我 这 几 年 受 益 匪 浅 王 先 生 为 人 热 心 朴 实, 对 我 的 生 活 和 工 作 都 关 怀 备 至, 使 我 这 些 年 能 安 心 工 作 成 为 他 们 的 学 生 是 我 人 生 中 的 一 大 幸 事 从 论 文 的 选 题, 实 验 设 计 到 论 文 成 文 一 直 得 到 两 位 导 师 的 指 导 和 大 力 支 持, 使 我 能 够 顺 利 完 成 实 验 和 论 文 撰 写 衷 心 感 谢 五 年 来 中 国 科 学 技 术 大 学 国 家 同 步 辐 射 实 验 室 全 体 老 师 和 同 学 在 工 作 和 生 活 上 的 帮 助 特 别 是 室 友 王 荣 博 士, 冯 德 仁 师 兄, 罗 小 为 师 弟, 张 赫 博 士, 李 誉 辉 博 士, 感 谢 他 们 的 支 持 和 关 怀! 衷 心 地 感 谢 高 能 所 自 由 电 子 激 光 室 杨 学 平 老 师, 耿 顺 才 老 师, 王 子 华 老 师, 张 黎 文 老 师, 吴 刚 老 师, 戴 建 枰 老 师, 王 兰 芬 老 师, 徐 金 强 老 师, 李 亚 南 老 师, 陈 文 君 老 师, 范 耀 辉 老 师, 陆 辉 华 老 师, 顾 小 冯 博 士, 刘 圣 广 博 士 等, 在 工 作 生 活 和 精 神 上 对 我 的 帮 助 和 鼓 励 感 谢 庄 杰 佳 研 究 员 对 我 实 验 工 作 的 建 议 和 热 心 的 帮 助 若 没 有 高 能 所 自 由 电 子 激 光 室 全 体 老 师 和 同 学 对 我 工 作 的 支 持, 顺 利 地 完 成 论 文 是 不 可 能 的 在 此 对 他 们 表 示 再 一 次 的 感 谢! 特 别 感 谢 我 的 女 友 何 夏 青, 若 不 是 她 长 久 以 来 的 对 我 工 作 的 支 持 和 理 解, 就 不 可 能 有 今 天 的 我 特 别 感 谢 我 的 父 母 和 关 心 爱 护 我 的 家 人 朋 友 们 感 谢 那 些 给 我 无 私 帮 助 的 老 师 同 学 和 朋 友 们 2

摘 要 众 所 周 知, 电 子 直 线 加 速 器 (E-LINAC) 在 多 种 国 民 经 济 领 域 具 有 广 泛 的 应 用, 但 它 的 结 构 复 杂 造 价 高 昂 维 护 要 求 高, 因 而 限 制 了 它 的 推 广 因 此, 如 何 使 其 结 构 简 单 化, 维 护 容 易, 造 价 降 低, 并 同 时 保 证 高 的 能 量 转 换 效 率, 这 对 E-LINAC 的 应 用 推 广 是 至 关 重 要 的 本 课 题 拟 在 技 术 上 对 于 一 个 极 大 程 度 上 简 化 的 E-LINAC 方 案 进 行 试 验 研 究, 并 使 得 新 型 E-LINAC(NCEL) 仍 然 有 良 好 的 性 能 : 即 速 调 管 阴 极 发 射 的 电 子 在 完 成 放 大 微 波 功 率 的 使 命 后, 将 之 加 以 能 量 和 相 位 的 筛 选, 然 后 注 入 到 加 速 管 中 进 行 加 速 这 中 新 结 构 有 可 能 为 E-LINAC 的 应 用 开 辟 新 的 领 域 为 了 进 一 步 简 化 系 统, 还 同 时 使 速 调 管 经 过 正 反 馈 使 之 工 作 在 自 激 振 荡 模 式, 并 可 采 取 措 施 保 证 其 频 率 功 率 稳 定 性 满 足 加 速 器 的 要 求 这 种 全 新 的 E-LINAC 建 成 后 因 其 结 构 紧 凑, 造 价 低 廉, 维 护 容 易, 故 可 对 E-LINAC 广 泛 地 用 于 科 研 教 学 和 生 产 起 重 要 的 推 动 作 用 本 课 题 研 究 的 新 型 简 易 加 速 器 的 一 个 特 点, 是 注 入 电 子 是 由 KS4064-5MW 速 调 管 产 生, 它 们 已 经 占 据 了 较 窄 的 相 位, 且 能 量 较 一 般 E-LINAC 中 使 用 电 子 枪 产 生 的 束 流 能 量 高, 且 流 强 易 于 大 幅 度 调 节 要 实 现 这 样 的 NCEL 有 许 多 关 键 的 问 题 需 要 解 决 电 子 束 团 的 性 能 参 量, 如 能 量 流 强 发 射 度, 以 及 速 调 管 自 激 振 荡 的 频 率 稳 定 度 等 都 必 须 符 合 加 速 器 的 要 求 文 中 对 大 功 率 速 调 管 的 用 毕 束 流 的 性 能 进 行 了 跟 踪 模 拟 和 实 测, 并 对 大 功 率 速 调 管 的 自 激 振 荡 做 了 详 尽 的 理 论 分 析 模 拟 计 算 和 试 验, 这 些 结 果 都 表 明 实 现 NCEL 是 可 行 的 最 后, 根 据 对 速 调 管 用 毕 束 流 性 能 的 测 量 结 果 设 计 了 合 适 的 加 速 管 和 聚 焦 磁 场, 并 将 加 速 管 和 速 调 管 连 成 了 一 体, 这 就 实 现 了 NCEL 由 于 NCEL 对 高 频 功 率 馈 入 系 统 的 特 殊 要 求 我 们 又 单 独 设 计 了 特 殊 的 移 相 器, 试 验 结 果 表 明 这 些 器 件 的 性 能 完 全 符 合 设 计 要 求 对 NCEL 进 行 了 一 系 列 的 测 量 试 验, 结 果 都 表 明 该 NCEL 样 机 可 很 好 地 运 行, 且 输 出 束 流 的 性 能 基 本 符 合 设 计 要 求 关 键 词 :LINAC,NCEL, 速 调 管, 用 毕 束, 自 激 振 荡, 能 量, 相 宽 度 3

Abstract THE KEY TECHNOLOGY RESEARCHES ABOUT A NOVEL COMPACT E-LINAC Wang Faya (National Synchrony Radiation Laboratory) Directed by Prof. Xie Jialin and Prof. Wang Xiangqi It is well-known that electron linear accelerator (E-LINAC) has been widely used for various applications. However, its construction is very complicated, its cost relatively high and its maintenance quite difficult, all of these disadvantages have limited its applications. Thus it is very important for extending the applications, to simplify the construction, reduce the cost and make the maintenance easier. Motivation of this research is to demonstrate the feasibility to remove these shortcomings and improve certain performance. The thought to simplify the E-LINAC system is by injecting the spent beam of a klystron into an accelerator section connected collinearly. For further simplification, the klystron can be operated as an oscillator by feeding back part of the microwave from output cavity to the input. If a high Q cavity is included in the feedback circuit to select the frequency, the frequency stability of the system might be made to satisfy the requirement of a LINAC. This novel compact electron LINAC (NCEL) might popularize the application of E-LINC. The point of the NCEL built during the research is that the injecting beam is the spent beam of KS4064-5MW klystron selected by a magnetic field, which has been bunched,occupies small phase width and has higher energy than those generated by an electron gun used in most of E-LINACS. Many problems should be solved to realize the NCEL. The performances of the electron beam, such as energy, intensity, emittance and so on, must satisfy the requirement of an E-LINAC. Based on the experimental results about the characteristics of the spent beam, a 10MeV NCEL has been designed and built. To date, most performances of the accelerated beam have been tested and accorded with the design requirements. Key words: LINAC, NCEL, klystron, oscillator, spent beam, energy, Phase width 4

目 录 致 谢 -------------------------------------------------------------------------------------- 摘 要 -------------------------------------------------------------------------------------- Abstract------------------------------------------------------------------------------------ I II III 第 一 章 绪 论 ------------------------------------------------------------------------------ 1 1.1 E-LINAC 的 历 史 -------------------------------------------------------------- 2 1.2 E-LINAC 的 现 状 和 应 用 ----------------------------------------------------- 3 1.3 E-LINAC 的 组 成 部 件 及 其 特 点 ------------------------------------------ 4 1.4 本 课 题 的 意 义 及 相 关 背 景 --------------------------------------------------- 6 1.5 课 题 的 理 论 基 础 --------------------------------------------------------------- 8 1.6 选 择 能 量 与 相 位 的 输 运 系 统 ----------------------------------------------- 11 1.7 NCEL 与 传 统 的 E-LINAC 的 比 较 ---------------------------------------- 13 1.8 论 文 的 结 构 -------------------------------------------------------------------- 14 第 二 章 新 型 E-LINAC 的 注 入 束 团 ------------------------------------------------- 16 2.1 大 功 率 速 调 管 的 基 本 工 作 原 理 及 主 要 性 能 指 标 的 描 述 --------------- 16 2.2 大 功 率 速 调 管 用 毕 束 流 性 能 的 模 拟 结 果 --------------------------------- 20 2.3 大 功 率 速 调 管 用 毕 束 流 性 能 的 测 量 --------------------------------------- 32 2.4 用 毕 束 性 能 的 测 量 结 果 ------------------------------------------------------ 40 2.5 小 结 ------------------------------------------------------------------------------ 47 第 三 章 大 功 率 速 调 管 自 激 振 荡 ------------------------------------------------------ 48 3.1 相 关 背 景 ------------------------------------------------------------------------ 48 3.2 自 激 振 荡 相 关 的 理 论 研 究 --------------------------------------------------- 53 5

3.3 自 激 振 荡 稳 定 性 的 分 析 ------------------------------------------------------ 63 3.4 自 激 振 荡 的 试 验 结 果 --------------------------------------------------------- 69 3.5 结 论 ------------------------------------------------------------------------------ 78 第 四 章 NCEL 加 速 管 的 设 计 研 究 --------------------------------------------------- 80 4.1 引 言 ------------------------------------------------------------------------------ 80 4.2 两 种 类 型 的 加 速 管 设 计 ------------------------------------------------------ 83 4.3 粒 子 动 力 学 模 拟 结 果 --------------------------------------------------------- 89 4.4 测 试 结 果 ------------------------------------------------------------------------ 98 4.5 结 论 ------------------------------------------------------------------------------ 102 第 五 章 新 型 E-LINAC 系 统 的 设 计 ------------------------------------------------- 103 5.1 微 波 功 率 系 统 的 设 计 ---------------------------------------------------------- 103 5.2 真 空 排 气 系 统 的 设 计 ---------------------------------------------------------- 112 第 六 章 新 型 E-LINAC 样 机 试 验 结 果 ----------------------------------------------- 114 6.1 高 频 试 验 情 况 --------------- ---------------------- ----------------------------- 114 6.2 加 速 器 注 入 束 流 的 性 能 ------------------------------------------------------ 118 6.3 电 离 室 的 设 计 及 定 标 --------------------------------------------------------- 121 6.4 束 流 的 加 速 情 况 --------------------------------------------------------------- 125 6.5 分 析 铁 测 能 谱 的 相 关 问 题 --------------------------------------------------- 136 6.6 结 论 ------------------------------------------------------------------------------ 148 第 七 章 论 文 的 主 要 工 作 创 新 点 及 相 关 成 果 ------------------------------------- 151 附 录 I 简 易 加 速 器 调 试 期 间 剂 量 测 量 --------------------------------------------- 153 附 录 II 简 易 加 速 器 相 关 图 片 --------------------------------------------------------- 157 6

第 一 章 绪 论 按 加 速 粒 子 的 种 类, 加 速 器 可 以 分 为 电 子 加 速 器 质 子 加 速 器 和 重 离 子 加 速 器, 而 按 在 加 速 器 中 粒 子 运 动 的 轨 道, 又 可 分 为 直 线 加 速 器 和 圆 形 加 速 器 所 谓 电 子 直 线 加 速 器 ( 下 用 E-LINAC), 就 是 以 直 线 形 式 加 速 电 子 但 它 与 静 电 加 速 器 直 线 感 应 加 速 器 等 又 有 不 同, 主 要 在 于 它 采 用 射 频 场 加 速 电 子 E-LINAC 是 电 子 加 速 器 中 很 主 要 的 一 种 类 型 能 量 流 强 和 发 射 度 等 是 衡 量 一 种 加 速 器 性 能 的 重 要 指 标 它 有 两 种 基 本 形 式 : 驻 波 型 与 行 波 型 而 本 文 所 提 出 的 新 型 紧 凑 高 效 电 子 直 线 加 速 器 ( 下 用 NCEL), 是 指 行 波 E-LINAC 本 课 题 提 出 一 个 在 极 大 程 度 上 简 化 的 NCEL 结 构 且 同 时 保 证 良 好 性 能 的 新 方 案 [1][2], 将 微 波 功 率 源 ( 大 功 率 速 调 管 ) 与 加 速 管 连 成 一 体, 将 速 调 管 阴 极 发 射 的 电 子 在 完 成 微 波 功 率 放 大 的 使 命 后, 通 过 偏 转 磁 场 选 择 特 定 能 量 和 相 位 的 用 毕 束 流, 然 后 将 它 们 注 入 到 加 速 节 中 进 行 加 速 为 了 进 一 步 简 化 系 统, 还 同 时 将 一 般 工 作 在 放 大 模 式 的 速 调 管 经 恰 当 的 反 馈 使 之 工 作 在 自 激 模 式, 这 就 省 去 了 速 调 管 的 激 励 系 统 ( 包 括 晶 振 源 前 级 放 大 器 脉 冲 放 大 器 等 器 件 ) 图 1.1 是 新 型 E-LINAC 的 束 流 输 运 及 加 速 段 的 布 局 6 3 4 2 2 8 2 7 8 9 2 1 5 1: 速 调 管 收 集 极 2: 线 包 3:90 度 偏 转 磁 铁 4: 可 调 狭 缝 5: 真 空 阀 6: 钛 泵 7: 加 速 管 8:BCT 9: 铝 窗 图 1. 1 新 型 E-LINAC 的 束 流 输 运 及 加 速 管 的 布 局 在 行 波 电 子 直 线 加 速 器 中, 电 子 处 于 一 行 波 场 中, 不 断 受 到 行 波 场 的 加 速, 能 量 逐 渐 增 加 在 此 重 要 的 问 题 是 保 持 电 子 与 加 速 场 ( 行 波 场 ) 的 同 步 常 用 的 行 波 电 子 加 速 结 构 有 等 梯 度 和 等 阻 抗 两 种 加 速 结 构 不 论 使 用 上 述 哪 种 结 构 注 入 电 子 都 需 要 预 先 聚 束, 使 用 单 独 的 [3] 预 聚 束 器, 或 在 加 速 管 的 前 部 加 一 些 变 速 腔 等 多 种 方 式, 把 由 电 子 枪 注 入 的 连 续 电 子 束 群 7

聚 成 占 据 很 窄 相 位 的 束 团, 再 将 此 束 团 注 入 到 最 有 利 于 加 速 场 的 峰 位 附 近, 以 使 束 团 得 到 有 效 的 加 速 且 加 速 后 有 较 好 的 能 谱 1.1 E-LINAC 的 历 史 1925 年 瑞 典 的 Ising 提 出 了 采 用 射 频 场 加 速 带 电 粒 子 的 直 线 加 速 器 方 案, 但 未 见 到 关 于 该 方 案 的 任 何 试 验 报 道 [4] 1928 年 R. Wider o e 成 功 地 把 钠 和 钾 粒 子 加 速 器 到 50keV [3] 1931 年 K. H. Kingdon 提 出 了 一 个 E-LINAC 的 设 计 方 案 两 年 后,J. W. Beams 等 人 建 立 了 第 一 台 E-LINAC [3] E-LINAC 取 得 真 正 迅 速 发 展, 是 在 第 二 次 世 界 大 战 后 在 战 争 期 间, 雷 达 技 术 有 了 迅 速 的 发 展, 出 现 了 高 功 率 源 多 阳 极 磁 控 管, 脉 冲 功 率 达 到 了 兆 瓦 量 级, 工 作 频 率 达 3000MHz 以 上 同 时 在 1945 年,E. M. McMillan 和 B.И.И.Bekcp 分 别 阐 明 了 稳 相 原 理 因 此, 战 后 几 个 实 验 室 都 开 始 从 事 E-LINAC 的 研 制, 导 致 了 实 用 的 现 代 的 E-LINAC 的 迅 速 出 现 和 发 展 [3] 1946 年 由 D. W. Fry 和 W. Walkinshaw 领 导 的 物 理 小 组, 在 英 国 原 子 能 所 首 先 建 立 了 世 界 上 第 一 台 E-LINAC 从 1947 年 至 1960 年 美 国 Stanford 大 学 相 继 建 立 了 Mark I MarkII Mark III Mark IV 在 美 国 从 事 E-LINAC 研 制 的 还 有 MIT NBS 耶 路 大 学 阿 贡 国 军 实 验 室 洛 斯 阿 拉 莫 斯 科 学 实 验 室 等 单 位 法 国 的 E-LINAC 研 制 工 作 主 要 由 通 用 无 线 电 报 公 司 进 行 日 本 从 1955 年 开 始 研 制 E-LINAC 前 苏 联 于 1952 年 在 乌 克 兰 科 学 院 哈 而 科 夫 技 术 物 理 研 究 所 建 立 了 第 一 台 E-LINAC, 能 量 3.5MeV 我 国 从 1958 年 开 始 研 制 E-LINAC 中 国 科 学 院 原 子 能 所 一 部 ( 现 属 高 能 物 理 所 ) 与 有 关 单 位 一 起 于 1964 年 研 制 了 我 国 第 一 台 E-LINAC, 能 量 30MeV, 并 同 时 试 制 成 功 了 高 功 率 速 调 管 [3] 五 十 多 年 来,E-LINAC 获 得 了 迅 速 的 发 展, 在 医 疗 工 农 业 和 科 学 研 究 中 得 到 了 广 泛 的 应 用 这 虽 然 主 要 是 因 为 E-LINAC 有 一 系 列 突 出 的 优 点, 但 也 与 其 他 领 域 如 微 波 技 术 精 密 加 工 自 动 控 制 等 方 面 的 进 展 息 息 相 关 8

[3] 1.2 E-LINAC 的 现 状 和 应 用 现 有 的 E-LINAC, 大 部 分 工 作 于 S 波 段 (~3GHz) 少 量 工 作 于 L 波 段 (~ 1.3GHz) X 波 段 (~9GHz) 和 C 波 段 (~6GHz) 工 作 于 L 波 段, 主 要 为 了 获 得 高 流 强, 工 作 于 X 和 C 波 段 的 优 点 是 体 积 较 小 在 全 世 界 的 E-LINAC 中, 大 部 分 是 低 能 的 ( 小 于 100MeV), 主 要 供 医 疗 工 农 业 和 辐 射 化 学 等 方 面 的 应 用 在 医 疗 上, 主 要 利 用 E-LINAC 产 生 的 高 能 电 子 束 或 打 靶 产 生 的 x-ray 治 癌 目 前 全 世 界 几 千 所 医 院 中 都 安 装 了 E-LINAC 一 般 都 工 作 于 S 波 段, 基 本 可 以 分 为 两 大 类 :(1) 能 量 低 于 10MeV, 主 要 用 于 x-ray 治 疗 ;(2) 能 量 在 10-35MeV 之 间, 能 提 供 几 种 能 量 的 x-ray 和 电 子 束 近 来 发 展 了 用 快 中 子 和 π 介 子 治 癌 作 为 一 个 强 的 辐 射 源,E-LINAC 在 工 农 业 辐 射 化 学 辐 射 生 物 学 和 中 子 活 化 分 析 等 方 面 获 得 了 广 泛 的 应 用 大 部 分 工 农 业 上 应 用 的 E-LINAC 的 能 量 在 1-30MeV, 与 其 它 类 型 的 加 速 器 和 发 射 源 相 比, 其 突 出 优 点 是 束 功 率 强, 束 流 和 能 量 可 以 在 宽 广 范 围 内 调 节 选 取 适 当 的 靶 材 料 还 可 以 产 生 γ -ray 和 中 子 在 工 业 上,E-LINAC 常 用 于 无 损 探 伤 作 为 强 辐 射 源,E-LINAC 比 放 射 源 更 经 济 更 安 全 为 了 扩 大 辐 照 在 国 民 经 济 中 的 应 用 和 提 高 劳 动 生 产 率, 许 多 国 家 都 建 立 了 辐 照 中 心 在 高 能 物 理 研 究 中 的 高 能 E-LINAC 的 发 展 趋 势 可 概 括 为 [5] : 两 个 前 沿, 三 个 方 面 和 一 个 探 索 两 个 前 沿, 即 高 能 量 和 高 亮 度 前 沿 三 个 方 面 应 用, 即 同 步 辐 射 光 源, 自 由 电 子 激 光 和 能 源 技 术 一 个 探 索, 即 新 加 速 原 理 的 探 索 9

[3] 1.3 E-LINAC 的 组 成 部 件 及 其 特 点 尽 管 E-LINAC 的 用 途 多 种 多 样, 性 能 指 标 千 差 万 别, 但 其 基 本 组 成 部 件 是 相 同 的 主 要 包 括 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 控 制 系 统 恒 温 系 统 束 流 输 运 系 统 和 附 属 设 备 等 它 的 简 单 工 作 过 程 如 下 : 调 制 器 产 生 两 个 高 压 脉 冲, 一 个 激 励 功 率 源, 大 功 率 高 频 脉 冲 经 过 微 波 传 输 系 统, 进 入 加 速 管, 建 立 加 速 场 另 一 个 高 压 脉 冲 稍 加 延 迟, 加 到 电 子 枪, 引 出 电 子 束, 电 子 束 流 注 入 加 速 管, 受 到 高 频 场 加 速 这 样 的 加 速 过 程 从 每 秒 钟 几 次 到 几 十 几 百 次, 决 定 于 调 制 器 产 生 脉 冲 的 重 复 频 率 聚 焦 系 统 保 证 束 流 在 加 速 过 程 中 顺 利 地 通 过 加 速 管, 保 持 低 的 发 射 度 加 速 到 高 能 的 电 子 束 最 终 由 输 出 窗 射 出, 经 过 输 运 系 统 到 达 使 用 区 域 控 制 部 分 的 任 务 是 实 现 远 距 离 操 作 及 监 控 整 个 加 速 器 的 运 行 情 况 以 下 分 别 具 体 叙 述 各 部 分 的 特 点 电 子 枪 是 电 子 源, 它 提 供 电 子 束 流 一 个 好 的 电 子 枪 应 当 满 足 下 列 要 求 : 1) 通 常 脉 冲 流 强 约 几 百 毫 安 对 于 强 流 电 子 直 线 加 速 器, 希 望 脉 冲 束 流 达 几 十 安 培 束 流 应 能 从 零 到 极 大 值 连 续 可 调 对 一 定 的 状 态, 又 希 望 束 流 稳 定 2) 通 常 束 流 脉 宽 约 为 1-3 s 希 望 有 陡 的 上 升 和 下 降 特 性, 而 顶 部 则 希 望 平 坦 3) 束 应 有 良 好 的 光 学 特 性 : 小 的 束 斑 点, 束 腰 部 位 于 阳 极 后 面 几 厘 米 处 束 轨 道 希 望 有 层 流 特 性, 发 散 小 在 束 截 面 内 电 荷 分 布 尽 可 能 均 匀, 特 别 不 希 望 出 现 中 空 的 束 相 对 加 速 器 轴, 束 应 有 良 好 的 对 称 性 和 准 直 度 4) 通 常 阴 极 负 高 压 达 40-140kV, 阴 极 工 作 温 度 也 很 高, 应 有 良 好 的 真 空 机 械 和 绝 缘 性 能 5) 具 有 长 的 寿 命, 例 如 1000 小 时 以 上, 易 损 坏 部 件 应 能 方 便 地 更 换 脉 冲 调 制 器 产 生 供 电 子 枪 磁 控 管 或 速 调 管 使 用 的 高 压 脉 冲 脉 冲 的 特 征, 包 括 上 升 和 下 降 时 间 脉 宽 度 及 顶 部 平 顶 度, 主 要 决 定 于 人 工 线 的 参 数 脉 冲 幅 度 和 功 率 要 根 据 具 体 要 求 决 定 对 功 率 源 调 制 器 要 求 功 率 源 输 出 功 率 调 制 器 输 出 功 率 功 率 源 效 率 功 率 源 提 供 加 速 管 建 立 加 速 场 所 需 的 高 频 功 率 在 E-LINAC 中, 使 用 微 波 功 率 源 主 要 有 磁 控 管 和 速 调 管 10

磁 控 管 是 一 个 自 激 振 荡 管 用 它 作 功 率 源, 设 备 比 较 简 单 它 的 一 个 缺 点 是 功 率 和 频 率 稳 定 性 差, 不 仅 磁 场 阳 极 电 压 的 变 化, 而 且 负 载 特 性 的 变 化 都 会 影 响 到 管 子 的 输 出 功 率 和 频 率 磁 控 管 的 效 率 通 常 约 50-60% 速 调 管 是 利 用 速 度 调 制 原 理 制 成 的 一 种 高 功 率 射 频 放 大 器, 由 电 子 枪 相 互 作 用 空 间 和 收 集 极 三 部 分 组 成 它 与 磁 控 管 相 比 有 以 下 优 点 : 稳 定 性 好, 输 出 功 率 高, 可 以 并 联 使 用, 寿 命 长 速 调 管 的 典 型 效 率 ~40%, 比 磁 控 管 低 微 波 传 输 系 统 指 除 加 速 管 外 的 整 个 微 波 通 道, 包 括 一 些 通 常 的 微 波 元 件, 如 隔 离 器 移 相 器 吸 收 负 载 和 耦 合 器 等 要 求 各 部 件 能 承 受 额 定 功 率 和 注 波 比 小 希 望 微 波 通 道 ( 包 括 输 入 输 出 耦 合 器 和 加 速 管 ) 驻 波 比 小 于 1.3 的 频 带 在 工 作 频 率 附 近 有 几 个 兆 周 带 宽, 在 工 作 频 率 附 近 驻 波 比 小 于 1.1 关 于 加 速 管 的 相 关 特 性, 将 在 第 四 章 中 详 细 叙 述 在 E-LINAC 中, 位 于 纵 向 聚 束 区 域 中 的 电 子, 在 横 向 受 到 射 频 场 的 散 焦 作 用 当 束 流 很 强 时, 空 间 电 荷 效 应 也 会 使 电 子 束 产 生 很 大 的 发 散, 必 须 加 上 聚 焦 磁 场 它 通 常 是 由 一 组 螺 线 管 建 立 纵 向 磁 场 当 电 子 的 速 度 非 常 接 近 光 速 时, 射 频 场 和 空 间 电 荷 的 散 焦 力 也 趋 于 零 因 此 在 较 高 能 量 的 加 速 器 后 部, 散 焦 的 问 题 相 对 减 轻, 一 般 只 要 隔 一 定 距 离 加 上 一 组 透 镜 就 行 在 加 速 器 中 需 要 保 持 良 好 的 真 空, 主 要 是 为 了 减 少 与 气 体 分 子 碰 撞 而 引 起 的 电 子 束 流 强 的 损 失 和 防 止 高 频 打 火 监 测 系 统 包 括 各 种 安 全 联 锁 保 护 线 路 和 对 束 特 性 进 行 监 测 的 相 应 设 备, 使 人 能 远 距 离 对 加 速 器 进 行 调 整 和 操 纵 恒 温 系 统 是 指 加 速 管 的 恒 温 水 控 制 系 统 由 于 加 速 管 壁 上 的 欧 姆 损 耗, 产 生 大 量 的 热, 这 部 分 热 量 就 靠 恒 温 水 流 带 走, 以 便 使 加 速 管 保 持 恒 定 的 温 度 输 运 系 统 和 辅 助 设 备 与 加 速 器 的 应 用 范 围 有 关 特 别 是 供 研 究 用 的 E-LINAC, 往 往 有 几 个 试 验 区 输 运 系 统 的 任 务 是 把 加 速 器 输 出 束 传 输 到 试 验 区, 使 束 仍 然 保 持 低 的 发 射 度 它 通 常 由 聚 焦 四 极 透 镜 准 直 器 偏 转 磁 铁 和 真 空 管 道 构 成 辅 助 系 统 主 要 包 括 电 源 水 塔 房 屋 等 最 后 应 当 指 出, 由 于 加 速 器 产 生 很 强 的 射 线, 应 注 意 剂 量 防 护, 保 证 工 作 人 员 的 绝 对 安 全 健 康 11

1.4 本 课 题 的 意 义 及 相 关 背 景 1.4.1 课 题 的 意 义 众 所 周 知,E-LINAC 在 多 种 国 民 经 济 领 域 具 有 广 泛 的 应 用, 但 是 它 的 结 构 复 杂 造 价 高 昂 维 护 要 求 高, 因 而 限 制 它 的 推 广 因 此, 如 何 使 其 结 构 简 单 化 使 之 易 于 维 护 降 低 造 价, 同 时 保 证 高 的 能 量 转 换 效 率, 这 对 E-LINAC 的 应 用 推 广 是 至 关 重 要 的 本 课 题 拟 在 技 术 上 对 于 极 大 程 度 上 简 化 的 E-LINAC 方 案 进 行 试 验 研 究, 并 使 得 新 型 E-LINAC 仍 然 有 良 好 的 性 能 : 即 速 调 管 阴 极 发 射 的 电 子 在 完 成 放 大 微 波 功 率 的 使 命 后, 将 之 加 以 能 量 和 相 位 的 筛 选, 然 后 注 入 到 加 速 管 中 进 行 加 速 这 中 新 结 构 有 可 能 为 E-LINAC 的 应 用 开 辟 新 的 领 域 为 了 进 一 步 简 化 系 统, 还 同 时 使 速 调 管 经 过 正 反 馈 使 之 工 作 在 自 激 振 荡 模 式, 并 可 采 取 措 施 保 证 其 频 率 功 率 稳 定 性 满 足 加 速 器 的 要 求 这 种 新 型 E-LINAC 建 成 后 因 其 结 构 紧 凑, 造 价 低 廉, 维 护 容 易, 故 可 对 E-LINAC 广 泛 地 用 于 科 研 教 学 和 生 产 起 重 要 的 推 动 作 用 [1][2] 1.4.2 相 关 背 景 由 大 功 率 速 调 管 馈 能 的 十 兆 伏 级 的 电 子 直 线 加 速 器 是 加 速 器 中 应 用 最 为 广 泛 的 但 传 统 的 LINAC 结 构 复 杂 造 价 昂 贵, 由 此 限 制 了 其 应 用 的 推 广 而 一 个 科 学 仪 器 设 计 者 应 同 时 考 虑 性 能 和 造 价, 这 项 研 究 就 是 为 证 明 一 种 使 用 速 调 管 用 毕 束 流 的 造 价 较 低 性 能 良 好 极 大 简 化 的 直 线 加 速 器 新 方 案 的 可 行 性 这 种 把 速 调 管 用 毕 束 流 注 入 到 与 之 连 为 一 体 的 加 速 节 中 的 想 法 在 LINAC 发 展 早 期 曾 被 提 及 过 有 人 提 出, 让 速 调 管 用 毕 束 流 通 过 一 限 流 小 孔 直 接 注 入 到 加 速 节 中 ; 同 时 通 过 一 分 离 的 波 导 将 高 频 能 量 馈 入 到 加 速 节 中 还 有 人 提 出, 将 速 调 管 输 出 腔 中 的 电 子 束 和 高 频 场 同 时 引 出, 让 它 们 一 起 通 过 一 段 特 制 的 传 输 波 导, 来 控 制 束 流 和 高 频 的 相 对 相 位, 然 后 注 入 加 速 管 中 被 加 速 然 而 就 作 者 所 知, 还 没 有 见 到 实 现 这 些 方 案 的 文 字 报 道 最 近, 文 献 中 报 道 了 一 种 新 颖 的 紧 凑 的 12

加 速 / 振 荡 直 线 加 速 结 构, 该 结 构 是 基 于 高 频 能 量 压 缩, 同 时 在 加 速 管 中 产 生 自 激 振 荡 该 作 者 指 出, 要 实 现 这 种 结 构 还 有 许 多 问 题 需 要 解 决 本 课 题 提 出 的 NCEL 的 特 点 之 一 是 : 通 过 偏 转 磁 铁 从 用 毕 束 流 中 筛 选 能 量 和 相 位 合 适 的 部 分 束 团 作 注 入 之 用 ; 计 算 机 模 拟 和 实 验 测 量 结 果 都 表 明 这 种 NCEL 是 可 以 实 现 的 13

1.5 课 题 的 理 论 基 础 众 所 周 知, 大 功 率 速 调 管 的 电 子 束 流, 由 阴 极 产 生 后 首 先 受 到 输 入 腔 及 其 后 的 中 间 各 腔 的 速 度 调 制, 使 其 在 输 出 腔 处 得 到 很 好 的 群 聚 而 与 腔 场 最 大 限 度 地 交 换 能 量, 因 而 给 出 尽 可 能 大 的 高 频 功 率 输 出 如 果 忽 略 输 出 腔 以 前 的 速 度 调 制 和 束 腔 耦 合 对 电 子 束 流 能 量 的 影 响, 则 输 出 腔 的 最 佳 电 压 接 近 但 不 大 于 束 流 的 脉 冲 高 压, 以 避 免 束 流 反 转 因 此, 在 输 出 腔 间 隙 存 在 与 高 压 脉 冲 电 压 幅 值 相 近 的 高 频 场 大 多 数 电 子 是 在 输 出 腔 高 频 场 减 速 相 区 通 过 的, 它 们 的 部 分 动 能 转 化 为 场 能 同 时, 有 少 部 分 电 子 是 在 输 出 腔 场 加 速 相 区 通 过 的, 它 们 会 被 加 速 到 接 近 束 流 直 流 高 压 一 倍 的 动 能, 这 些 电 子 占 有 很 小 的 相 位 区 间 由 于 用 毕 电 子 束 流 的 能 量 和 相 位 是 相 关 的, 所 以 当 我 们 用 偏 转 铁 来 选 择 特 定 能 量 的 束 流 时, 也 就 选 择 了 它 们 的 相 位, 然 后 可 将 这 部 分 已 形 成 束 团 的 束 流 注 入 到 加 速 节 中, 这 样 它 们 就 可 得 到 有 效 的 加 速 当 然, 获 得 加 速 的 电 子 只 占 用 毕 束 流 中 的 极 小 部 分 ; 但 是, 速 调 管 是 低 阻 抗 器 件, 它 的 束 流 流 强 可 达 上 百 安 培, 而 加 速 器 是 高 阻 抗 器 件, 它 能 接 受 的 流 强 在 几 百 毫 安, 所 以 用 毕 束 流 中 的 这 小 部 分 自 然 可 满 足 LINAC 的 要 求 图 1. 2 典 型 多 腔 速 调 管 中 电 子 运 动 轨 迹 随 时 间 的 变 化 图 1.2 给 出 一 个 典 型 多 腔 速 调 管 中 电 子 随 时 间 变 化 的 运 动 轨 迹 [6] 图 中 代 表 电 子 运 动 轨 迹 的 直 线 的 斜 率 代 表 该 电 子 组 的 速 度 由 图 可 见, 经 过 输 出 腔 以 后, 14

大 部 分 群 聚 的 电 子 束 流 在 输 出 腔 激 发 使 它 们 减 速 的 电 场, 这 些 电 子 的 部 分 动 能 转 化 为 微 波 场 能 同 时 有 小 部 分 电 子 由 于 在 输 出 腔 电 场 的 加 速 相 区 通 过 腔 间 隙 的, 会 得 到 可 与 束 流 能 量 相 比 的 额 外 的 能 量 如 果 能 选 择 这 部 分 电 子 注 入 到 加 速 器 中, 则 它 们 的 能 量 高 所 占 相 区 窄, 即 纵 向 相 空 间 小, 将 能 保 证 加 速 后 有 很 好 的 能 谱 和 加 速 效 率 为 进 一 步 简 化 加 速 器 系 统, 考 虑 了 采 用 速 调 管 的 自 激 振 荡 工 作 模 式 这 样 可 以 省 去 晶 体 振 荡 器 连 续 波 放 大 器 和 脉 冲 放 大 器 等 器 件 但 是, 自 激 振 荡 工 作 模 式 的 速 调 管 作 为 E-LINAC 的 微 波 功 率 源 应 满 足 特 殊 的 要 求 首 先, 作 为 自 激 工 作 模 式 的 输 出 功 率 较 它 激 模 式 不 应 有 过 多 的 差 异 这 对 大 功 率 速 调 管 而 言, 因 为 其 功 率 放 大 倍 数 很 大, 反 馈 的 激 励 功 率 只 占 输 出 功 率 的 很 小 一 部 分, 所 以 这 个 条 件 是 很 容 易 满 足 的 其 次, 自 激 工 作 模 式 的 输 出 高 频 频 率 的 稳 定 性 必 需 满 足 加 速 器 的 要 求 这 是 自 激 工 作 模 式 是 否 可 行 的 关 键 问 题 以 下 从 试 验 上 简 单 说 明 在 采 取 一 定 的 措 施 后, 这 个 要 求 也 是 可 以 满 足 的 关 于 自 激 问 题 的 详 细 讨 论, 可 参 阅 第 三 章 根 据 振 荡 器 工 作 原 理, 正 反 馈 自 激 振 荡 需 要 满 足 下 面 的 条 件 A 1, (1.1) 2n m. (1.2) 2 上 两 式 中 A 为 速 调 管 的 功 率 增 益, 为 反 馈 回 路 的 耦 合 系 数, 为 束 流 渡 越 相 角, 为 反 馈 回 路 相 移, n 1为 振 荡 模 数, m 为 总 的 漂 移 段 数 式 (1.2) 中 右 边 的 第 二 项 表 示 每 个 腔 引 入 的 相 移 式, 这 是 由 于 群 聚 中 心 滞 后 输 入 腔 相 位 所 致 式 2 (1.1) 说 明 必 需 有 与 速 调 管 放 大 倍 数 成 反 比 的 耦 合 系 数, 系 统 才 能 维 持 振 荡 大 功 率 速 调 管 的 功 率 增 益 一 般 在 50dB 左 右, 因 此 很 小 的 值 就 可 满 足 要 求, 这 也 说 明 了 振 荡 模 式 与 放 大 模 式 输 出 的 功 率 不 会 有 明 显 的 差 异 式 (1.2) 中 的 渡 越 相 角 随 束 流 速 度 或 能 量 而 变, 这 是 速 调 管 自 激 振 荡 时 频 率 变 化 的 主 要 因 数 故 在 同 一 振 荡 模 数 下, 的 变 化 要 求 用 的 变 化 来 补 偿, 即 V L, Q, 0, (1.3) 15

式 中 V,L,Q 分 别 为 速 调 管 调 制 器 脉 冲 高 压, 反 馈 回 路 传 输 线 的 长 度 和 谐 振 腔 的 品 质 因 数 此 式 说 明 在 反 馈 回 路 中 引 入 较 长 的 传 输 线 和 较 高 的 品 质 因 数 的 谐 振 腔, 都 会 使 自 激 振 荡 给 出 较 好 的 频 率 稳 定 度 本 课 题 的 物 理 基 础 就 是 基 于 以 上 几 点 的 考 虑 16