小型化加速器用X波段多注速调管
加速器应用领域的性能提升及技术革新与功率源的发展紧密相连,每一次功率源领域的技术突破都会带来加速器应用的革命性进展,特别是在医用放疗、无损探伤应用中,功率源尺寸及功率量级的突破可以使得新的应用模式成为可能。现有医用及无损检测加速器系统中常用磁控管作为微波功率源,而在X波段加速器系统中,磁控管受散热和磁场聚焦的限制,功率不易提升,目前国外用于加速器系统的X波段磁控管脉冲功率最高为2.2 MW[1-2]。微波源的功率限制导致加速管的尺寸的加长,不利于医用及检测用加速器的小型化发展。为解决上述问题,设计出一种输出功率达到3 MW的X波段多注速调管,提升平均功率的同时,可缩短加速管的尺寸,更利于系统集成,同时得益于速调管的工作特点,可工作于高重复频率(500 Hz)及高占空比(0.2%)下,可使加速器系统获得更高的剂量率及扫描分辨率。本管设计中还采用了一体化线包聚焦、集成式收集极的方案,样管尺寸为ϕ200 mm×400 mm,整体重量仅为25 kg。此外,为方便加速器机头移动,本管型冷却方式设计为一体化绝缘油冷却,既解决了电子枪的耐压问题,又实现了整管散热。
1 主要技术指标
根据加速器系统对功率源提出的新要求,确定本管设计参数,同时充分考虑整机电源及冷却机的使用条件,确定了整管的聚焦及冷却方式。该多注速调管的主要技术指标如
表 1. 主要技术指标
Table 1. Main technical parameters
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2 研制方案
2.1 方案的选取
结合第一节中主要技术指标,给出该多注速调管技术方案。对于X波段谐振腔体,考虑机械加工难度及腔体焊接过程中可能带来的频率漂移,本管采用了同轴谐振腔[3]。同时,为降低阴极负荷提升使用寿命,应尽可能提高阴极发射面积,因此需要将各电子注彼此间隔开来。此外,为满足小型化的实际应用要求,应尽可能地减小整管的体积和重量,增强整个系统的灵活性,同时还应设计高效率的整管散热。考虑以上各个因素,最终电子枪采用阴控多注结构,高频互作用段采用同轴圆柱谐振腔,聚焦系统采用一体线包聚焦,输能系统采用同轴输入,波导盒型窗输出,冷却方式采用一体油冷结构。
2.2 电子光学系统
根据本管技术指标,计算得到导流系数约为6.0 μP。为了保证本管耐压、热稳定性以及寿命要求,电子枪采用阴控多注结构,6组阴极呈环状分布,共用1组热丝进行加热,以此降低阴极发射负荷。通过仿真设计确定各电极形状,得到满足参数要求且层流性良好的电子注,提高整管电子注流通率。利用EGUN仿真软件对电子枪参数进行模拟优化设计,得到的仿真结果如
由于外形尺寸和重量的限制,设计中聚焦系统采用一体线包聚焦[4],铜带直接绕在管体上,并与速调管封装为一个整体。这种结构不仅可以减小速调管的体积和重量,而且磁场强度可调,有利于提高电子束流通率。利用CST软件对聚焦系统进行计算及三维设计,选择适当的线包匝数,调整阴极发射电子轨迹与聚焦磁场的匹配关系。
本管的工作电压比较高,达到70 kV,电子枪区的金属电极和电子枪绝缘陶瓷表面的电场强度很高,电子枪打火和击穿将导致速调管工作不稳定,因此电子枪的耐压设计极为关键。为增加电子枪绝缘耐压能力,提高工作可靠性,在结构上,高压瓷环采用大尺寸外波纹瓷环,可增加高压电极间放电距离,提高耐压。同时,在真空-陶瓷-金属三接头处加防晕环,降低该处的电场。此外,提高电子枪零件的表面光洁度,减少电极表面的微凸起,有利于真空间隙的耐压[5-7]。
2.3 高频互作用段
设计的高频段采用5个同轴谐振腔参差调谐分布,各谐振腔通过固定外半径,调整内半径来调谐至指定频率。通过改变内径,可以得到不同的工作模式。
由于工作瞬时带宽要求不高,输入腔、输出腔均采用单间隙结构,其中输入腔采用N型同轴输入,输出腔采用BJ84波导输出。通过模拟计算,优化设计,确定高频段各腔的频率和Q值,使整管实现45 dB高增益和40%高效率的要求。
利用AJDISK大信号程序进行模拟计算,
2.4 输出窗
输出窗采用长盒型窗[12-13],可以降低陶瓷窗片处的电场强度和高频损耗。输出窗片采用氧化铝陶瓷,此材料具有机械强度高、介质损耗小、介电强度高、焊接性能和真空密封性能好等特点。此外,在工艺上,采用钎焊方式,可以避免接触面缝隙引起局部高频打火而导致窗片炸裂或输出功率不稳定。应用电磁场软件对输出窗进行计算模拟优化,获得最佳的输出窗结构尺寸,使驻波比和窗片表面的电场强度最小。
2.5 一体冷却结构设计
本管冷却方式采用一体冷却结构,整管封装入一密闭壳体,密封容器注入绝缘油,通过油冷机的循环运行,将整管产生的热量带走,实现电子枪、管体、聚焦线圈和收集极的一体冷却。在速调管中,大部分的热能都集中在收集极,因此设计出散热效果良好的收集极尤为重要。该收集极的6个电子注分别对应6个小收集极,这样能量分散到各个收集极,避免了热能的集中。同时在外部设置多个叶片状,设计合理的冷却回路,使绝缘油与收集极及外围散热片充分接触,能尽快将热量传导出去,利于收集极的散热。
3 样管测试结果
已根据设计指标研制出小型化加速器用X波段多注速调管样管并完成测试,整管尺寸为ϕ200 mm×400 mm,重量为25 kg,
表 2. 三支样管测试结果
Table 2. Test results of three sample tubes
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4 结 论
本文主要介绍了小型加速器用X波段多注速调管的研制工作,包括结构设计,工作参数优化,各关键技术的计算机模拟仿真、样管的制作及测试。结果表明:采用6个电子注和具有5个同轴谐振腔的X波段多注速调管,在占空比为0.2%测试时,当电压为70 kV,峰值输出功率达到了3.1 MW,增益大于45 dB,互作用效率大于45%。该管的技术指标达到国际领先水平,可替代磁控管作为功率源,应用于小型化加速器整机,大幅缩短加速管长度,使加速器系统能够获得更高的射线能量和剂量率。目前该管已完成整管的研制工作,各项参数均满足技术指标,且工作稳定,后续将继续开展该速调管在X波段加速器系统应用的研究工作。
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