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小型化加速器用X波段多注速调管

崔萌 万知之 左向华 刘静 董成龙

崔萌, 万知之, 左向华, 等. 小型化加速器用X波段多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
引用本文: 崔萌, 万知之, 左向华, 等. 小型化加速器用X波段多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
Cui Meng, Wan Zhizhi, Zuo Xianghua, et al. X-band multi-beam klystron for compact accelerators[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
Citation: Cui Meng, Wan Zhizhi, Zuo Xianghua, et al. X-band multi-beam klystron for compact accelerators[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226

小型化加速器用X波段多注速调管

doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
详细信息
    作者简介:

    崔萌(1986—),女,硕士,工程师,从事真空电子器件的研究;529437713@qq.com

  • 中图分类号: TN122

X-band multi-beam klystron for compact accelerators

  • 摘要: 传统的医疗及工业用直线加速器系统中一直使用磁控管作为功率源,特别是一些紧凑型加速器系统中,磁控管因为其尺寸与重量的优势成为唯一选择。通过利用多注速调管的低电压、尺寸小、重量轻的特点,研制成功功率量级远超磁控管同时尺寸重量接近的多注速调管,这将会为医疗及工业领域带来新的应用模式与产品类型。为满足医疗及工业辐照用中低能电子直线加速器的需求,近年来已研制出各类型高峰值功率速调管,在癌症治疗、无损检测、工业辐照等方面获得了广泛应用。介绍了一种小型化加速器用X波段多注速调管,其具有工作电压低、效率高、体积小、重量轻等特点,可应用于中低能放疗设备及小型化无损检测整机的加速器系统中。本管研制中重点解决了一体化线包聚焦、集成式冷却等技术,样管尺寸为ϕ200 mm×400 mm,重量为25 kg。三支样管测试已可稳定获得峰值输出功率3 MW。
  • 图  1  EGUN仿真结果

    Figure  1.  Simulation result by EGUN software

    图  2  轴向磁感应强度分布曲线

    Figure  2.  Distribution curve of axial magnetic induction intensity

    图  3  电子注在磁场中的PIC模拟

    Figure  3.  Simulation of electron beam focusing in magnetic field

    图  4  电子枪的电场分布模拟

    Figure  4.  Simulation of electric field distribution of electron gun

    图  5  四种相邻模式下的磁场分布图

    Figure  5.  Magnetic field distribution in four adjacent modes

    图  6  大信号模拟结果

    Figure  6.  Simulation result of large signal

    图  7  输出窗驻波比模拟结果

    Figure  7.  Simulation result of VSWR of output window

    图  8  输出窗的电场分布模拟

    Figure  8.  Simulation of electric field distribution of output window

    图  9  整管图片

    Figure  9.  Picture of whole tube

    图  10  X波段多注速调管测试系统

    Figure  10.  Test system of X-band multi beam klystron

    图  11  输出功率、增益、效率测试曲线

    Figure  11.  Test curve of output power, gain and efficiency

    表  1  主要技术指标

    Table  1.   Main technical parameters

    frequencyduty circle/%pulse voltage/kVefficiency/%focus modedimensions
    X-band0.2≤70≥40electromagneticϕ200 mm×400 mm
    output power/MWpulse width/μspulse current/ Again/ dBcooling modeweight/kg
    ≥35≤110≥45oil≤30
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    表  2  三支样管测试结果

    Table  2.   Test results of three sample tubes

    tube numberpulse voltage/kVpulse current/Aoutput power/MWgain/dBefficiency/%
    1 70 96 3.1 47 46.1
    2 70 98 3.12 48 45.5
    3 70 96 3.06 47 45.5
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图(11) / 表 (2)
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-31
  • 修回日期:  2020-09-23
  • 网络出版日期:  2020-09-25
  • 刊出日期:  2020-09-29

小型化加速器用X波段多注速调管

doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
    作者简介:

    崔萌(1986—),女,硕士,工程师,从事真空电子器件的研究;529437713@qq.com

  • 中图分类号: TN122

摘要: 传统的医疗及工业用直线加速器系统中一直使用磁控管作为功率源,特别是一些紧凑型加速器系统中,磁控管因为其尺寸与重量的优势成为唯一选择。通过利用多注速调管的低电压、尺寸小、重量轻的特点,研制成功功率量级远超磁控管同时尺寸重量接近的多注速调管,这将会为医疗及工业领域带来新的应用模式与产品类型。为满足医疗及工业辐照用中低能电子直线加速器的需求,近年来已研制出各类型高峰值功率速调管,在癌症治疗、无损检测、工业辐照等方面获得了广泛应用。介绍了一种小型化加速器用X波段多注速调管,其具有工作电压低、效率高、体积小、重量轻等特点,可应用于中低能放疗设备及小型化无损检测整机的加速器系统中。本管研制中重点解决了一体化线包聚焦、集成式冷却等技术,样管尺寸为ϕ200 mm×400 mm,重量为25 kg。三支样管测试已可稳定获得峰值输出功率3 MW。

English Abstract

崔萌, 万知之, 左向华, 等. 小型化加速器用X波段多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
引用本文: 崔萌, 万知之, 左向华, 等. 小型化加速器用X波段多注速调管[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
Cui Meng, Wan Zhizhi, Zuo Xianghua, et al. X-band multi-beam klystron for compact accelerators[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
Citation: Cui Meng, Wan Zhizhi, Zuo Xianghua, et al. X-band multi-beam klystron for compact accelerators[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 103015. doi: 10.11884/HPLPB202032.200226
  • 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。

    • 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所示。

      表 1  主要技术指标

      Table 1.  Main technical parameters

      frequencyduty circle/%pulse voltage/kVefficiency/%focus modedimensions
      X-band0.2≤70≥40electromagneticϕ200 mm×400 mm
      output power/MWpulse width/μspulse current/ Again/ dBcooling modeweight/kg
      ≥35≤110≥45oil≤30
    • 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。

    • 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,得到的仿真结果如图1所示,可以看出,电子注的层流性较好,满足使用要求。

      图  1  EGUN仿真结果

      Figure 1.  Simulation result by EGUN software

      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。图2为仿真得到的轴向磁场分布曲线,其均匀长度约120 mm,均匀区磁场大小约为0.30 T。对所设计的电子光学系统进行电子注聚焦验证,图3为模拟结果,可以看出电子注在此聚焦磁场内聚焦状态良好,流通率可以达到100%。

      图  2  轴向磁感应强度分布曲线

      Figure 2.  Distribution curve of axial magnetic induction intensity

      图  3  电子注在磁场中的PIC模拟

      Figure 3.  Simulation of electron beam focusing in magnetic field

      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]

      图4为所设计的电子枪的电场分布模拟,可以看出在聚焦极的边缘尖角处场强最大,其余大部分的电场均小于50 kV/cm。在实际应用中,将聚焦极的边缘加工成圆角,且进行抛光处理,提高聚焦极的表面光洁度,降低此处电场强度。此外,本管的电子枪采用循环变压器油作为绝缘介质,纯净和干燥的变压器油具有很高的击穿强度,一般在200~250 kV/cm[8]

      图  4  电子枪的电场分布模拟

      Figure 4.  Simulation of electric field distribution of electron gun

    • 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。图5表示从TM010到TM310四种模式下的磁场分布。仿真中发现TM110和TM210模式都存在极化模式,且本管谐振腔尺寸较小,不宜设置复杂的结构对高次模式进行抑制,因此谐振腔工作模式选取TM010基模[9]

      图  5  四种相邻模式下的磁场分布图

      Figure 5.  Magnetic field distribution in four adjacent modes

      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,图6为电子注群聚相位、谐波电流增长和电子速度变化的模拟结果,可以看出高频互作用状态良好,电子注群聚较佳,谐波电流小,可在68 kV的工作电压下,获得3 MW以上的峰值功率输出。腔体排布上采用了传统的长漂移段设计[10-11],以避免多腔体排布在长脉宽下可能出现的震荡现象。同时由于多注速调管更低的导流系数,电子间空间电荷力较低,在输出腔可以获得更好的电子相位聚焦,因此调整长漂移段距离及相应腔体频率后,可获得50%的整管效率,可保证本管在3 MW输出功率下长期稳定运行。

      图  6  大信号模拟结果

      Figure 6.  Simulation result of large signal

    • 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。

      图7为所设计的输出窗的驻波比模拟计算结果,在中心频率(9300±100)MHz的范围内,驻波比小于1.1,也未发现鬼模。图8为输出窗的电场分布模拟,可以看出在窗片中心位置的场强最大,其最大电场约为14.4 kV/cm,而真空中此材料所能承受的最大场强约为80 kV/cm,同时考虑到本管最大占空比为0.2%,且窗片处有油冷路径通过,所以设计的输出窗可以满足需求。此外,样管测试过程中,在波导测试系统中充入SF6气体[14],在标准大气条件下,在均匀电场中的击穿强度为89 kV/cm,约为空气的3倍,能起到良好的保护作用,避免因输出负载系统的微波元件打火而引起的输出窗损坏。

      图  7  输出窗驻波比模拟结果

      Figure 7.  Simulation result of VSWR of output window

      图  8  输出窗的电场分布模拟

      Figure 8.  Simulation of electric field distribution of output window

    • 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。

      图9为研制的小型加速器用X波段多注速调管的样管结构,管壳外部设置了输能装置、绝缘油进出口及各引线端口,这种结构不仅缩小了整管的体积和重量,又同时实现了速调管的耐压以及散热,且冷却系统简单,便于移动,不受应用场所的限制。

      图  9  整管图片

      Figure 9.  Picture of whole tube

    • 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,图10为该管所搭建的测试系统。该管目标应用于小型化加速器系统,作用前级功率源仅需点频工作。对三支样管进行测试,测试结果如表2所示。在所需的频点9300 MHz,占空比为0.2%测试时,当电压为70 kV,阴极电流96 A,峰值输出功率达到了3 MW以上,增益大于47 dB,效率大于45%,可以看出输出功率等参数保持了良好的一致性,工作状态稳定。

      表 2  三支样管测试结果

      Table 2.  Test results of three sample tubes

      tube numberpulse voltage/kVpulse current/Aoutput power/MWgain/dBefficiency/%
      1 70 96 3.1 47 46.1
      2 70 98 3.12 48 45.5
      3 70 96 3.06 47 45.5

      图  10  X波段多注速调管测试系统

      Figure 10.  Test system of X-band multi beam klystron

      图11给出了输出功率,增益及效率的测试曲线。测试结果表明,该管可在40 MHz频带范围内获得稳定的功率输出,峰值输出功率达到3 MW以上,增益大于45 dB,效率大于45%,达到设计要求。

      图  11  输出功率、增益、效率测试曲线

      Figure 11.  Test curve of output power, gain and efficiency

    • 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。

参考文献 (14)

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