加速管

加速管是加速器的關鍵部件，它把從電子槍注入的電子在微波電場作用下加速到高能，最後打靶產生高能X射線。

基本介紹

• 中文名：加速管
• 外文名：accelerating tube
• 意義：加速器的關鍵部件
• 分類：行波加速管和駐波加速
• 運行：從電子槍注入的電子加速到高能

基本要求

加速管是高壓加速器的關鍵部件，現代大型靜電加速器端電壓的提高主要受到加速管耐壓水平的限制，粒子從離子源或電子槍發射出來以後，就進入加速管，進行加速。加速管應該滿足下面一些主要要求：

1.維持良好的真空度，以減少氣體分子和加速粒子間的散射作用，並提高加速管的耐壓性能。一般要求在10⁶毫米汞柱左右的真空度下工作。

2.有足夠的機械強度，在橫臥式靜電加速器里，在這方面有比較高的要求。

3.對加速粒子有良好的聚焦作用，以得到聚焦良好的粒子流， 減少加速過程中粒子的損失，提高加速效率。對加速管耐壓性能的提髙也有好處。

4.有良好的耐壓性能.加速管兩端的電勢差等於靜電加逑器的最髙電壓，所以它必須能在最高電壓下穩定工作，才能把粒子加速到較高的能量。

基本結構與光學特性

與絕緣支柱類似，為改善電場沿軸向分布的均勻程度，整根加速管由一段段的絕緣環與金屬片交迭封接而成。這些金屬片稱為加速電極，與絕緣支柱上的分壓片相連。在大型加速器中，加速管則一般接有獨立的分壓系統。

在大氣壓下工作的加速器，如大多數倍壓加速器,通常加速管較長而平均電位梯度較低。這種加速管往往分段較少，每段的長度為十幾到幾十厘米。其加速電極是長圓筒形，電極長度較電極間隙大很多，如下圖所示，在這種加速管中，電場集中在間隙附近，在圓筒電極內部幾乎沒有電場，粒子通過時僅以恆定速度漂移，因此這種加速管被稱為帶漂移管的加速管.相鄰的兩個圓筒電極構成雙圓筒靜電透鏡，對束流有一定的聚焦作用。這類加速管的電位梯度一般不超過1 MV/m。

自20世紀60年代中期以來，大氣型倍壓加速器開始向強流方向發展.此時非線性空間電荷效應變得很強，特別是在低能情況下，使束的光學性質變壞，給束的傳輸帶來困難。其解決辦法是在較短的距離內，儘快將粒子加速到較高的能量。為此發展了大氣型高梯度加速管，在這種加速管中，由於採用了延伸電極結構，管壁的電位梯度仍在0.4~0.7 MV/m，但在加速電極間的加速梯度可高達 3~5 MV/m。。

在高氣壓型的高壓加速器中，提高加速管的平均電位梯度，對於縮小鋼桶尺寸，降低造價是十分有意義的。為進一步改進電場分布的均勻程度，高梯度加速管的分段很細，一般不大於25 mm。加速電極的具體形狀有多種設計，近年來多採用，平板電極。只要束流孔徑與電極間距之比值足夠大，即可使粒子束與絕緣壁之間得到較為理想的禁止。此時加速電場沿加速管軸線的分布基本上是均勻的，故這種加速管被稱為均勻場加速管或等梯度加速管。帶電粒子進入均勻場區後，只受到軸向電場的加速作用，沒有徑向電場力，所以也沒有聚焦作用。 但是在加速管的入口與出口存在著場強的突變，相當於兩個膜片透鏡。設加速管長度為l，被加速粒子在人口處的歸一化電位為V1，在出口處的歸一化電位為V2，則均勻場區場強：

E= (V₂ -V₁)/l≈V₂/l

入口膜片透鏡的焦距

f₁=4ζV₁/E≈4ζl/n²

其中ζ為孔徑修正係數，一般情況下1<ζ<2.5，n2=V₂/V₁是加速管的歸一化電位比。出口膜片透鏡的焦距

f₂ = 4V₂/(-E)≈-4l

可見入口膜片透鏡具有較強的聚焦作用，而出口膜片透鏡僅有很弱的散焦作用。整個均勻場加速管可視為入口膜片透鏡、均勻場區與出口膜片透鏡的組合系統，其中入口膜片透鏡的作用是最主要的，它使整個加速管呈聚焦特性。但若入口透鏡太強，也會產生過聚現象，使束的像腰落在加速管內，在出口外成為發散束。

幾種高梯度加速管

為了減小電子負載、克服全電壓效應，必須採取有效措施削弱加速管各段之間的耦合，使微顆粒與引起微放電的離子不能長距離飛越.常見的削弱長管耦合效應的方法有二：一是採用小孔徑，二是引人抑制場。小孔徑可以限制次級粒子的運動範圍，減低微顆粒事件的撞擊能量。目前套用最廣泛的斜場加速管、螺旋斜場加速管與NEC公司的加速管均利用徑向電場作為抑制場，效果很好。

斜場加速管

在斜場加速管中，加速電極的法線與加速管軸線成一定的斜角。由於電極表面產生的次級粒子初始能量很低，在加速電場的作用下，將沿電極法線方向運動，因此走不長的一段距離後，就會打在其他電極上。這樣次級粒子的最高能量便受到限制，X射線本底大為降低，結果段間耦合被削弱，電子負載大大減小，在一定程度上克服了全電壓效應。斜場加速管的主要缺點是傾斜電場對被加速的離子束也有作用。電場的徑向分量也使束流偏離軸線。所以在這種加速管中，每隔一小段就要使傾斜方向交替變換一次，其結果是，被加速粒子的軌跡圍繞加速管軸線會有一個小的振盪。不同電荷態離子的軌跡也會產生歧離。如果設計合理，這還不至於造成束流大的損失，但會引起像差，增大束流的發散，並使脈衝束的脈寬增大。HVEC的斜場加速管用不鏽鋼做電極材料，絕緣環用硼矽玻璃，封接用PVA 膠，實際運行梯度的上限約為2MV/m。

螺旋斜場加速管

螺旋斜場加速管

在螺旋斜場加速管中，電極的形狀與普通斜場加速管類似，但相鄰電極法線在橫截面內投影的方向錯開一定的角度，成螺旋狀排列，這使得電場的徑向分量的方向連續變化，而不是像普通斜場加速管中那樣按段突變。因此，螺旋場中被加速粒子軌跡的振盪幅度較小，二次電子的最大能量也比普通斜場中的低。若螺旋斜場只向一個方向（如順時針方向）旋變，則被加速粒子經過一段加速管後，其橫截面投影位置會發生徑向位移而偏軸。因此在實際的螺旋斜場加速管中，旋變方向按順時針與逆時針交替改變。

金屬陶瓷加速管

這是NEC公司生產的一種加速管，它有許多獨特之處。在材料上它以金屬鈦做電極，陶瓷做絕緣環。鈦電極與陶瓷間墊鋁環，用壓力擴散焊封接.由於不用 PVA膠，既避免了有機物沾污，又可以高溫烘烤除氣。配以無油真空系統後，可以比較徹底地消除碳氫化合物沾污。加速管的真空度可達4×10^-6 Pa。NEC加速管在各小段的連線處設有“死區”，中間有一可加熱的小孔徑光闌。死區的電極排列形成一個柱透鏡，其電場的徑向分量對產生於光闌片的二次粒子有散焦作用，但對於沿軸運動的粒子不起作用。NEC加速管的電場完全是軸對稱的，對於離子束的傳輸沒有斜場那樣的副作用.加速管外裝有環狀火花間隙，以提供過電壓保護。通常三小段組成一個標準節，工作電壓為1MV。若扣除死區，以有效長度計算，加速管的工作梯度為2.3 MV/m。

此外，也有人採用橫向磁場作抑制場。較弱的橫向磁場可有效地偏掉電子，但不能改變微放電的閾電壓，因此通常只作為輔助手段。有一種磁抑制加速管採用較 強的橫向磁場來偏掉能量較低的次級粒子，從而削弱長管耦合效應，實現較高的加速梯度.為了避免磁場對主束起偏轉作用，要讓加速管中隔一定距離安放的磁鐵的極性交替地變化。

加速管的鍛鍊

加速管鍛鍊的目的是儘可能減小預擊穿電流，消除初始微顆粒事件的來源。鍛鍊的強度要加以適當的控制，過激的鍛鍊與大的打火可導致加速管耐壓性能的下降，稱為退鍛鍊。加速管的鍛鍊方法主要有以下幾種

電流鍛鍊

電流鍛鍊對新電極最有效.這種方法緩慢地增加電壓，使預擊穿電流得到控制。預擊穿電流可以來源於場致發射、微放電或微顆粒事件。隨著電流鍛鍊的進行，連續的預擊穿電流逐漸減小，隨機的電流尖峰脈衝的頻率也逐漸下降。這意味著電極表面的微突起、鬆散附著的微顆粒以及吸附的氣體被清除了。由於此過程是在較低的電壓下進行的，不足以引起擊穿。電流鍛鍊的目標，通常是使所加電壓最後達到計畫運行電壓的125%。

打火鍛鍊

打火鍛鍊通常用於發生擊穿後退鍛鍊的加速管，有時也用於新加速管.這種方 法通過重複打火達到破壞局部隱患的目的。

弧光放電鍛鍊

20世紀80年代初，伊索亞(Isoya)等發展了用於加速管的弧光放電鍛鍊技術。這項技術藉助相對髙功率的電漿轟擊電極表面，使電極溫度升高到400~500℃，從而清除表面吸附的氣體與碳氫化合物沾污。為減小濺射現象，該技術用氫氣作為放電氣體，並採用了相對較髙的氣體壓強（10~40 Pa).放電過程中，氫氣保持較高的流速，以便將電極釋放出的氣體帶走。經弧光放電鍛鍊的加速管，微放電現象大為削弱，髙電壓下的X射線也大椹度減少，最高電壓梯度可達3 MV/m。用PVA膠粘接的加速管不能承受高溫，因此不宜使用弧光放電鍛鍊方法。

行波加速管

加速管採用行波方式加速電子，它由無氧銅精車成的盤荷波導釺焊而成，採用2π/3模式使加速管有較高的束流崩潰閾電流及有較高的分流阻抗。

行波電子直線加速器的加速管是一段盤荷波導，它由一段光滑的圓形波導，周期性地放置具有中孔的圓形膜片組成，它可看成用碟片來對圓波導加負荷，故稱其為盤荷波導，它實質上是一個慢波結構。從微波功率源（速調管或磁控管）發出的微波功率，經過微波功率傳輸系統、輸入耦合器送到加速管，在這慢波結構中建立起一個與電子速度“同步”的行波，這個行波不斷對電子進行加速。行波的剩餘功率通過輸出耦合器饋出，並損耗在吸收負載里。盤荷膜片的中央圓孔既供電磁波通過，也供電子束通過。在中孔的軸線上具有強度很高的加速電場，一般可達60-100千伏/厘米。為保證電子在通過加速管能獲得有效的加速，要求盤荷波導有嚴格的加工精度（±5μ）和良好的光潔度，在貨櫃檢測系統中，加速管把從電子槍注人的電子在微波電場的作用下加速到能量為9MeV，然後打靶產生X射線。該加速管採用行波方式加速電子，工作頻率為2856MHz,加速管由無氧銅精車成的盤荷波導釺焊而成，採用2/3π模式使加速管有較高的束流崩潰閾電流及有較高的分流阻抗。

駐波加速管

駐波加速(管)結構在駐波電子直線加速器中占有重要地位，它是駐波加速器的核心，它的性能很大程度上決定了整機的性能。加速管採用駐波方式加速電子，駐波加速結構的分流阻抗高，在給定的微波功率下，可以激勵較高的加速場強，有利於加速器的小型化。

在三十年的發展進程中，出現過各種各樣的駐波加速(管)結構。根據不同的特點，它們有不同的分類。

一種是按每一個腔的平均相移來劃分，分為π模，2π/3模，0模。

一種是按結構包括的周期數來劃分，分為單周期，雙周期，三周期。

一種是按耦合孔位置來劃分，分為軸耦合，邊耦合，環腔耦合、同軸耦合等。

一種是按電磁場耦合方式來劃分，分為電耦合，磁耦合。

與其它結構相比，軸耦合結構對稱，工藝性好，徑向尺寸小，便於射線禁止和減輕機箱重量。