第3章驻波加速管.ppt
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广泛采用的是磁边耦合及磁轴耦合的双周期结构
6、主要特性参数 1.特性阻抗：
单位长度上消耗的微波功率PT与l的加速波 导所能建立起来的最大电压V平方值之比。
v2
r
2.渡越时间因子：
PT l
电子穿过加速波导所需的时间称为渡越时
间。
l E(z) sin( r )dz
T 0 l
l
0 E(z)dz
显示π /2工作特性，而由于边速腔链得以延长，分
流阻抗提高了，腔链由两种结构周期不同的腔体组 成，而变成了双周期结构。
③耦合孔位置：轴耦合、边耦合、环腔耦合
边耦合：把耦合腔从束流轴线上移开，放在加速 腔的外边，加速腔的外边有耦合孔和耦合腔（外 边腔）耦合，相邻的加速腔通过耦合（边）腔相 互耦合在一起，而相邻的加速腔之间的中孔只起 束流通过道作用，而不起功率耦合作用，这样加 速腔长度扩展了一倍，从而有可能获得最大的分 流阻抗，这是有名的边耦合驻波加速结构。
三极钛泵
4.排气机理：
有机气体：容易吸附，被电子轰击后分解沉积。 活性气体：如氧气、一氧化碳和氮气等靠与阳极筒内壁表
面的钛膜产生化学吸附，形成固态化合物。 氢 气：开始由离子掩埋，然后是由中性吸收和扩散到
钛膜形成氢化物。 惰性气体：被电离后，形成正离子，然后以离子的形式轰
击钛膜，离子得到电子而形成中性原子，然后 又反射到阳极泵壁，随之又被新蒸发的钛膜掩 埋。
真空区域划分
粗真空：
760～10Torr
低真空(中真空)： 10～10-3Torr
高真空：
பைடு நூலகம்
10-3～10-8Torr
超高真空：
10-8～10-12Torr
极高真空：
<10-12Torr
105～102 Pa
102-10-1 Pa 10-1～10-5 Pa 10-5～10-9 Pa
<10-9 Pa
钛泵
热钛泵：
靠加热或电子轰击使钛的温度升高到1200~1500℃,不 断升华并沉积于泵壁内表面,形成新鲜的活性薄膜,不断吸 收和掩埋气体分子而达到抽气的目的,也叫钛升华泵．
3．结构
二极钛泵： 永久磁铁：0.1～0.3T轴向磁
场 阳极：不锈钢薄壁圆筒组成。 钛阴极板：３～７KV电压。
1.电场作用将两个阴极间的电子拉向阳极，在向 阳极中心线运动时，速度是越来越快，穿过中 心线后，受到另一边阴极的斥力作用，开始减 速运动，快到阴极时，速度变为零而反转。
3、驻波加速管可与电子枪做成密封结构，使静态真 空度(10-8～10-9mmHg)及动态真空度(10-7mmHg)都比 行波加速管高出一个数量级。因此，电子枪可以采用氧 化物阴极。有利降低阴极工作温度，从而延长了电子枪 的使用寿命。
4.驻波加速结构场的建立具有较长的建成时间，一般 1.5us左右场值才能达到稳定值的90%。因此必须采用 长脉冲的微波功率源，脉冲宽度一般为4us，而行波加 速器微波功率脉冲宽度一般可以是2us。
1、在微波功率相同的条件下，驻波加速管可以在更短 的加速结构上使电子获得更高的能量。同时，束流的散 焦变得不十分严重，使聚焦系统可简单化。因此，驻波 加速器机型小、重量轻、结构简单总功率消耗小等优点。
2、驻波加速腔内加速电场高，便可降低对电子流注入 电压的要求，注入电压只需l～10KV,从而降低了对电子 枪的耐压要求,减小了电子枪的体积及结构尺寸。
5. 钛泵的排气机理
有机气体：容易吸附，被电子轰击后分解沉积。 活性气体：如氧气、一氧化碳和氮气等靠与阳极筒内壁表
面的钛膜产生化学吸附，形成固态化合物。 氢 气：开始由离子掩埋，然后是由中性吸收和扩散到
钛膜形成氢化物。 惰性气体：被电离后，形成正离子，然后以离子的形式轰
击钛膜，离子得到电子而形成中性原子，然后 又反射到阳极泵壁，随之又被新蒸发的钛膜掩 埋。
3、驻波加速原理
——驻波观点分析
Ez (z, t) Ez (z) cos t
Ez
(
z
)
n
An
cos
(2n
1)
D
z
同步加速条件
D T c2
满足同步条件下，电 子能量增益
W
e
D/2 D/2
n
An
cos
(2n
1)
D
z
cos t
dz
W e A0 e A1
1.工作原理
真空的实质就是具有较低气体分子浓度的空间。 因此, 只要降低空间的气体分子浓度就能获得真空, 而不必有实际上的排气过程。钛泵正是基于此原理 制造的。通过加热、电离等方法使钛原子与空间气 体分子发生一系列复杂的物理和化学反应, 使气体 分子伴随钛原子一起沉积下来, 从而达到降低空间 气体分子浓度的目的。这就是钛泵的基本工作原理。 这与压缩泵的原理( 即将气体从一方压缩到另一方 来获得真空) 有所不同。
2.轴向的磁场使电子作圆周运动，阻止电子直接 快速的飞向阳极。
电磁场的总作用是使电子以螺旋运动的形式 贴近阳极，在阳极周围形成一层电子云，增加 电子与残余气体碰撞产生电离的机会。
平均自由路程：
电子在真空中碰撞与下次碰撞之间所经历的 平均路程。
繁流二次电子： 气体分子与高速的电子碰撞产生电离，形成
一个或多个电子，这些电子受到电磁场的约束 而进入旋转电子云，当它电离时又产生新的电 子，称为繁流二次电子。
溅射：
气体离子撞击阴极，并从阴极表面释放一个 或多个原子的过程称为溅射。溅射出来的钛原 子沉积在阳极内壁和阴极板上，形成新鲜的钛 膜，维持钛泵的抽气能力。
溅射系数：
一个离子轰击钛板所溅射的钛原子数称为溅 射系数。
工作过程 潘宁放电：
首先, 电源启动, 在阴阳极板间产生高压。由于级 间距离很近, 根据E=U/d 可知, 电场强度E数值非常大, 尤其在阳极筒壁边缘处。在强大的电场和与之平行的磁 场作用下, 电子以螺旋线方式高速运动, 由于电子运动行 程的增加, 大大提高了与气体分子碰撞的几率。电子在 空间与气体分子碰撞产生正离子和二次电子, 产生的电 子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。此种放 电称为潘宁放电, 潘宁放电能在很低的压强下进行。
第三节 驻 波 型 加 速 管
1.电子驻波加速原理发展概述 驻波型加速管是在加速段末端不接吸收负载，而
接短路面，使微波在终端反射。在始端也放置短路面， 微波在加速段内多次反射，形成驻波场。在驻波场下 电子沿轴线方向不断前进同时给以加速，产生能量传 递，使电子获得高能量。
2.结构
由一系列相互耦合的谐振腔链组成。在谐振腔链中心 开孔，让电子通过，在腔中建立交变高频场。在驻波场 的作用下，电子沿轴线方向不断加速前进，能量不断提 高。
5、驻波加速管分类 ①每腔相移：π , π /2 ,2π /3,0
π /2模具有最大的模式间隔，具有最大的群速度。因此工作稳定性最好。 不过它有半数腔不激励，它只起功率耦合的作用，因此整个结构的分 流阻抗很低。
②结构包括周期数：单、双、三周期
把工作在 π /2模腔链中的耦合腔加以压缩，延
长加速腔 ，只要两者谐振频率保持一致，则腔链仍
化 减少电子与残余气体的碰撞损失
– 加速管真空系统的形式： 全密封驻波加速管 具有可拆卸密封的驻波加速管 具有可拆卸密封的行波加速管
– 压强
1标准大气压(ATM)=101325帕(Pa)≈0.1MPa 1托(Torr)=1.333224×102帕(Pa)， 1帕(Pa)=7.5×10-3托(Torr)
5.驻波加速结构的窄带工作特性使得机器对频率自动稳定 系统有更高的要求，加之以驻波加速器的建成特性，机 器对环流器和隔离器的性能要求就更高了。
6.驻波加速器场的建成时间长以及聚束过程不充分，因此 电子能谱远差于电子行波加速器，
第四节 真空系统
真空技术应用 – 主要作用：
避免加速管内放电击穿 防止电子枪阴极中毒、钨丝材料的热子或灯丝氧
温控系统
原因： 1.加速器中许多部件会产生大量的热量。 2.某些部件需要保持在某精确的温度范 围内。 直线加速器常用水循环进行冷却，使 以上的部件保持在相对恒温的状态。
加速器水冷系统框图
2
2
——行波观点分析 驻波可以分解成两个行波 的叠加
Ez (z,t) EzF (z,t) EzB (z,t)
EzF
(z,
t)
n
En
cos
t
(2n D
1)
z
EzB
(z,
t)
n
En
cos
t
(2n 1) D
z
W ' e A0 e A1 22
2.分类：
冷钛泵 不需要加热发射电子，是一种表面吸附型的
溅射离子泵，其基本原理是泵内的电子在正交 电磁场作用下，沿阳极轴作螺旋运动。当气体 分子与高速旋转的电子碰撞时，则气体分子产 生电离，离子在电场的作用下轰击阴极钛板， 使钛强烈溅到阳极的表面，管壳内表面形成新 鲜的钛膜，把气体分子吸附或掩埋而达到抽气 的目的。
3.无载品质因素Q0：
射频周期内每个弧度内腔中储存的能量W
与所消耗的功率PT的比值
Q0
w PT
4.有效特征阻抗： 单位长度上所损耗的微波功率和电子在单
位上获得能量的平方值之比。
7、电子注入和群聚
采用群聚器，一般由两三个群聚腔组成，要求俘 获系数大，加速器出口能量高，能谱窄。
三、行、驻波加速管性能比较
6、主要特性参数 1.特性阻抗：
单位长度上消耗的微波功率PT与l的加速波 导所能建立起来的最大电压V平方值之比。
v2
r
2.渡越时间因子：
PT l
电子穿过加速波导所需的时间称为渡越时
间。
l E(z) sin( r )dz
T 0 l
l
0 E(z)dz
显示π /2工作特性，而由于边速腔链得以延长，分
流阻抗提高了，腔链由两种结构周期不同的腔体组 成，而变成了双周期结构。
③耦合孔位置：轴耦合、边耦合、环腔耦合
边耦合：把耦合腔从束流轴线上移开，放在加速 腔的外边，加速腔的外边有耦合孔和耦合腔（外 边腔）耦合，相邻的加速腔通过耦合（边）腔相 互耦合在一起，而相邻的加速腔之间的中孔只起 束流通过道作用，而不起功率耦合作用，这样加 速腔长度扩展了一倍，从而有可能获得最大的分 流阻抗，这是有名的边耦合驻波加速结构。
三极钛泵
4.排气机理：
有机气体：容易吸附，被电子轰击后分解沉积。 活性气体：如氧气、一氧化碳和氮气等靠与阳极筒内壁表
面的钛膜产生化学吸附，形成固态化合物。 氢 气：开始由离子掩埋，然后是由中性吸收和扩散到
钛膜形成氢化物。 惰性气体：被电离后，形成正离子，然后以离子的形式轰
击钛膜，离子得到电子而形成中性原子，然后 又反射到阳极泵壁，随之又被新蒸发的钛膜掩 埋。
真空区域划分
粗真空：
760～10Torr
低真空(中真空)： 10～10-3Torr
高真空：
பைடு நூலகம்
10-3～10-8Torr
超高真空：
10-8～10-12Torr
极高真空：
<10-12Torr
105～102 Pa
102-10-1 Pa 10-1～10-5 Pa 10-5～10-9 Pa
<10-9 Pa
钛泵
热钛泵：
靠加热或电子轰击使钛的温度升高到1200~1500℃,不 断升华并沉积于泵壁内表面,形成新鲜的活性薄膜,不断吸 收和掩埋气体分子而达到抽气的目的,也叫钛升华泵．
3．结构
二极钛泵： 永久磁铁：0.1～0.3T轴向磁
场 阳极：不锈钢薄壁圆筒组成。 钛阴极板：３～７KV电压。
1.电场作用将两个阴极间的电子拉向阳极，在向 阳极中心线运动时，速度是越来越快，穿过中 心线后，受到另一边阴极的斥力作用，开始减 速运动，快到阴极时，速度变为零而反转。
3、驻波加速管可与电子枪做成密封结构，使静态真 空度(10-8～10-9mmHg)及动态真空度(10-7mmHg)都比 行波加速管高出一个数量级。因此，电子枪可以采用氧 化物阴极。有利降低阴极工作温度，从而延长了电子枪 的使用寿命。
4.驻波加速结构场的建立具有较长的建成时间，一般 1.5us左右场值才能达到稳定值的90%。因此必须采用 长脉冲的微波功率源，脉冲宽度一般为4us，而行波加 速器微波功率脉冲宽度一般可以是2us。
1、在微波功率相同的条件下，驻波加速管可以在更短 的加速结构上使电子获得更高的能量。同时，束流的散 焦变得不十分严重，使聚焦系统可简单化。因此，驻波 加速器机型小、重量轻、结构简单总功率消耗小等优点。
2、驻波加速腔内加速电场高，便可降低对电子流注入 电压的要求，注入电压只需l～10KV,从而降低了对电子 枪的耐压要求,减小了电子枪的体积及结构尺寸。
5. 钛泵的排气机理
有机气体：容易吸附，被电子轰击后分解沉积。 活性气体：如氧气、一氧化碳和氮气等靠与阳极筒内壁表
面的钛膜产生化学吸附，形成固态化合物。 氢 气：开始由离子掩埋，然后是由中性吸收和扩散到
钛膜形成氢化物。 惰性气体：被电离后，形成正离子，然后以离子的形式轰
击钛膜，离子得到电子而形成中性原子，然后 又反射到阳极泵壁，随之又被新蒸发的钛膜掩 埋。
3、驻波加速原理
——驻波观点分析
Ez (z, t) Ez (z) cos t
Ez
(
z
)
n
An
cos
(2n
1)
D
z
同步加速条件
D T c2
满足同步条件下，电 子能量增益
W
e
D/2 D/2
n
An
cos
(2n
1)
D
z
cos t
dz
W e A0 e A1
1.工作原理
真空的实质就是具有较低气体分子浓度的空间。 因此, 只要降低空间的气体分子浓度就能获得真空, 而不必有实际上的排气过程。钛泵正是基于此原理 制造的。通过加热、电离等方法使钛原子与空间气 体分子发生一系列复杂的物理和化学反应, 使气体 分子伴随钛原子一起沉积下来, 从而达到降低空间 气体分子浓度的目的。这就是钛泵的基本工作原理。 这与压缩泵的原理( 即将气体从一方压缩到另一方 来获得真空) 有所不同。
2.轴向的磁场使电子作圆周运动，阻止电子直接 快速的飞向阳极。
电磁场的总作用是使电子以螺旋运动的形式 贴近阳极，在阳极周围形成一层电子云，增加 电子与残余气体碰撞产生电离的机会。
平均自由路程：
电子在真空中碰撞与下次碰撞之间所经历的 平均路程。
繁流二次电子： 气体分子与高速的电子碰撞产生电离，形成
一个或多个电子，这些电子受到电磁场的约束 而进入旋转电子云，当它电离时又产生新的电 子，称为繁流二次电子。
溅射：
气体离子撞击阴极，并从阴极表面释放一个 或多个原子的过程称为溅射。溅射出来的钛原 子沉积在阳极内壁和阴极板上，形成新鲜的钛 膜，维持钛泵的抽气能力。
溅射系数：
一个离子轰击钛板所溅射的钛原子数称为溅 射系数。
工作过程 潘宁放电：
首先, 电源启动, 在阴阳极板间产生高压。由于级 间距离很近, 根据E=U/d 可知, 电场强度E数值非常大, 尤其在阳极筒壁边缘处。在强大的电场和与之平行的磁 场作用下, 电子以螺旋线方式高速运动, 由于电子运动行 程的增加, 大大提高了与气体分子碰撞的几率。电子在 空间与气体分子碰撞产生正离子和二次电子, 产生的电 子继续与气体分子碰撞产生新的正离子和电子。此种放 电称为潘宁放电, 潘宁放电能在很低的压强下进行。
第三节 驻 波 型 加 速 管
1.电子驻波加速原理发展概述 驻波型加速管是在加速段末端不接吸收负载，而
接短路面，使微波在终端反射。在始端也放置短路面， 微波在加速段内多次反射，形成驻波场。在驻波场下 电子沿轴线方向不断前进同时给以加速，产生能量传 递，使电子获得高能量。
2.结构
由一系列相互耦合的谐振腔链组成。在谐振腔链中心 开孔，让电子通过，在腔中建立交变高频场。在驻波场 的作用下，电子沿轴线方向不断加速前进，能量不断提 高。
5、驻波加速管分类 ①每腔相移：π , π /2 ,2π /3,0
π /2模具有最大的模式间隔，具有最大的群速度。因此工作稳定性最好。 不过它有半数腔不激励，它只起功率耦合的作用，因此整个结构的分 流阻抗很低。
②结构包括周期数：单、双、三周期
把工作在 π /2模腔链中的耦合腔加以压缩，延
长加速腔 ，只要两者谐振频率保持一致，则腔链仍
化 减少电子与残余气体的碰撞损失
– 加速管真空系统的形式： 全密封驻波加速管 具有可拆卸密封的驻波加速管 具有可拆卸密封的行波加速管
– 压强
1标准大气压(ATM)=101325帕(Pa)≈0.1MPa 1托(Torr)=1.333224×102帕(Pa)， 1帕(Pa)=7.5×10-3托(Torr)
5.驻波加速结构的窄带工作特性使得机器对频率自动稳定 系统有更高的要求，加之以驻波加速器的建成特性，机 器对环流器和隔离器的性能要求就更高了。
6.驻波加速器场的建成时间长以及聚束过程不充分，因此 电子能谱远差于电子行波加速器，
第四节 真空系统
真空技术应用 – 主要作用：
避免加速管内放电击穿 防止电子枪阴极中毒、钨丝材料的热子或灯丝氧
温控系统
原因： 1.加速器中许多部件会产生大量的热量。 2.某些部件需要保持在某精确的温度范 围内。 直线加速器常用水循环进行冷却，使 以上的部件保持在相对恒温的状态。
加速器水冷系统框图
2
2
——行波观点分析 驻波可以分解成两个行波 的叠加
Ez (z,t) EzF (z,t) EzB (z,t)
EzF
(z,
t)
n
En
cos
t
(2n D
1)
z
EzB
(z,
t)
n
En
cos
t
(2n 1) D
z
W ' e A0 e A1 22
2.分类：
冷钛泵 不需要加热发射电子，是一种表面吸附型的
溅射离子泵，其基本原理是泵内的电子在正交 电磁场作用下，沿阳极轴作螺旋运动。当气体 分子与高速旋转的电子碰撞时，则气体分子产 生电离，离子在电场的作用下轰击阴极钛板， 使钛强烈溅到阳极的表面，管壳内表面形成新 鲜的钛膜，把气体分子吸附或掩埋而达到抽气 的目的。
3.无载品质因素Q0：
射频周期内每个弧度内腔中储存的能量W
与所消耗的功率PT的比值
Q0
w PT
4.有效特征阻抗： 单位长度上所损耗的微波功率和电子在单
位上获得能量的平方值之比。
7、电子注入和群聚
采用群聚器，一般由两三个群聚腔组成，要求俘 获系数大，加速器出口能量高，能谱窄。
三、行、驻波加速管性能比较