系统方案组成详解

典型行波电子直线加速器［3］总体系统方案示意图如图7-1 所示，主要包括电子枪、盘荷波导、微波源系统、微波传输系统、离子源系统、真空系统、聚焦系统、恒温系统、束流输出系统、控制系统和电源系统等。

图7-1　典型行波电子直线加速器总体系统方案示意图

1.电子枪

为电子加速器产生并提供电子束的器件称为电子枪。其一般分热发射和场致发射两种，也有少量光致发射的电子枪。目前多采用三电极结构，即发射电子的阴极，对电子束起聚焦作用的栅极和吸出电子的阳极。通常阴极负高压为40～120 kV，脉冲电流为几百毫安，束流宽度为1～3 μs，并且对于电子束的品质和寿命需要有一定的要求。最简单的电子枪是皮尔斯二极枪。

2.盘荷波导

盘荷波导是加速器的主体。行波电子直线加速器分为常阻抗和常梯度两种。通常以常阻抗居多，现在几乎都采用高导电无氧铜制造。由于电子直线加速器对加速波导的频率与相位特性提出的精度要求很高，因此对盘荷波导的加工精度及表面粗糙度等工艺要求也非常高。

3.微波源系统

行波电子直线加速器的工作频率一般在S 波段，少量在L、C、X 波段。微波功率源提供在这些波段建立加速电场所需的微波功率，主要有速调管和磁控管两种。一般来说，5 MW 以下的功率采用磁控管，更高功率的微波源采用速调管。但这并不是绝对的，速调管在频带、频率稳定性等参数的表现更为优良，根据应用和需求的不同，即使在较低功率的加速器中，速调管的应用也相当广泛。

4.微波传输系统

微波传输系统主要包括隔离器、耦合器、真空窗、吸收负载等，还有若干标准波导。这些部件不仅应当能够承受额定功率，而且输入的驻波比要较小。一般需要微波通道（耦合器及加速管）驻波比小于1.3 的工作频率附近有几个MHz 带宽以上，并在工作频率附近驻波比小于1.1。过大的驻波比会引起真空窗和隔离器打火，使隔离器因过热而损坏，导致微波源工作不稳定。为了获得好的通带特性，耦合器的调整是关键。

耦合器是矩形波导和圆形加速管之间的连接部件。一方面射频功率通过它进入加速管，另一方面它使矩形波导中的TE10 型波转换为盘荷波导中的TM10型波。耦合器结构种类有多种，其中腔式耦合器最为常用，它可以承受较高的射频功率，但匹配调整复杂一些，并且耦合器前半部分的驻波场会影响电子的纵向运动，耦合器中场的径向非对称性会使电子束发生径向扰动。

为了防止波导打火，通常在矩形波导中充以几个大气压的干燥空气、氮气或氟利昂气体，应注意防止波导壁变形或损坏。当功率很高时，常常采用抽真空（1.333×10-4 Pa）的办法防止击穿。经过加速管后的微波剩余功率，通过输出耦合器、真空窗，在吸收负载上被吸收掉。吸收负载通常是一个通水的尖劈形玻璃负载，吸收的热量被水流带走，有时也用水冷的干负载。在不需要监视输出射频功率时，可以采用同轴内腔吸收负载，此时可以做到紧凑一体化。

5.离子源系统

作为空间应用装置，要保持系统电中性，向外抛射与电子束电量相等的离子束流即可以实现。当然，也可以利用空间弱等离子体环境实现电子的补充，在地面上如果系统接地良好则不存在电子补给问题。

6.真空系统

真空系统一般由钛离子泵机组及真空检测、控制等装置组成，以建立和维持加速波导、束流输运管道及部件中的高真空。加速波导中真空度一般应优于6.7×10-7 torr（1 torr=133.3 Pa）。真空系统是加速器在地面运行调试的必要设备。(www.xing528.com)

7.聚焦系统

聚焦系统包括纵向磁场的螺线管、磁四极透镜以及横向聚焦等。在低能加速器中，可以减少磁四极透镜和横向聚焦，有些情况下可以不使用。在低能加速器中，加速管往往焊成一根整管，采用水套结构，聚焦线圈做成薄饼状，用铜带（垫绝缘薄层）绕制，可以提高电流密度，使线圈体积大大减小，聚焦线圈套在加速管的水套外径上。由于空间应用环境和需求不一样，空间加速器并不适合采用线圈聚焦，在低能的情况下可以考虑永磁。

8.恒温系统

恒温系统通常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，以便使加速器保持一定的温度。在考虑恒温问题时，应区分三个不同的概念：温升、温度梯度和温度稳定度。

加速管在通恒温水的条件下，加上微波功率后由于管壁上欧姆损耗发热，加速管的温度将指数上升，并在新的温度下达到平衡，这两温度之差就叫温升。加速管在新的温度下达到平衡后，加速管纵向温度差称为温度梯度。水温稳定度及它所直接影响的整个加速管温度分布上的稳定，叫作温度稳定度，即恒温控制精度。温升主要决定于加速管壁上功耗的大小，恒温水流量和加速管与恒温水管接触面的大小有关，而温度梯度则还与水流系统的安排有关。这是三个不同的概念，要求也不一样。要求最严格的是恒温水的稳定度，其次是温度梯度，而温升的大小严格讲对加速束流特性并无什么影响。

由于加速器的频率、相移等受温度的影响很大，因此电子行波加速器对温度稳定度和温度梯度都有严格的要求。例如，多数医用电子直线加速器要求温度稳定为±1 ℃，1～2 m 长的波导上温度梯度小于2 ℃。在一些大型的加速器中，这一要求更高。因此对水冷管道的结构、布置与恒温装置有严格要求。

作为空间应用时，水冷不再具备优势，通常的应用有恒温箱，如相变材料冷却装置。温度直接影响加速器的出束质量好坏，因此天基系统的恒温装置应当有更加严格的设计。

9.束流输出系统

束流输出系统将加速器中的电子引出输运到实验或工作区，一般包括束流变换器（BCT）、波纹管等。

10.控制系统

控制系统管理和控制加速器的运行、保护、调整等，是保证加速器方便、安全工作的核心装置。

11.电源系统

电源属于外设，却是至关重要的一环。对于微波源、电子枪、冷却恒温装置、真空泵、螺线管等都需要电源的支持。性能良好的电源是加速器正常工作的要素之一。

加速器详细方案示意图如图7-2 所示。

图7-2　加速器详细方案示意图