直线加速器系统讲义
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医用直线加速器的结构与原理
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第十讲直线加速器
L/4
L/ 4 Ezmdz
L
/4
cosd
/4
L/2
L/4
2 sin /4
/ 4
L
0.9
相运动特点
Ea
eVa cos eVs s
s
T Ts
横向散焦问题： 当非同步粒子加速相位（速度相位）为负时，即它们 进入加速电场时，受时间散焦区的影响，产生横向散 焦作用
解决方法： 1 阿尔法瑞兹法，用钨网膜放置于漂移管入口，改变 电场分布，有利于聚焦； 2 漂移管中放置四极透镜
能量调频方式
盘荷尺寸(a和b)虽然一般固定不变，但当增 大微波频率时，对该盘荷来说，皱褶深度相 对增大，导致相速度减小。故一般采用微波 调频的方式来改变相速度，从而调节最终粒 子加速能量
相运动特点
Ea
rf ,t
eVa cos eVs s
s
T Ts
Ea
z
s
s
非同步粒子能自动稳相之条件：
rf ,z s
对于光滑波导，满足
rf ,z
c
cos
p rf ,z c
c 1 ( kc )2
k
为了慢波以加速电子，则有
p rf ,z
c c 1 ( kc )2
k
kc为虚数，令kc＝iKc
Ez Ez0 J0 (iKcr) cos(rf t kz z)
零阶虚贝赛尔函数
2.28
1
1.266
J0 ( x)
fc 2 k 2 b
c
2
2.405 b
fc
c
g
慢波原理
如输电线路过长，可将线路视为负载。 如50Hz交流电的波长达6000km
线间距
线半径
L/ 4 Ezmdz
L
/4
cosd
/4
L/2
L/4
2 sin /4
/ 4
L
0.9
相运动特点
Ea
eVa cos eVs s
s
T Ts
横向散焦问题： 当非同步粒子加速相位（速度相位）为负时，即它们 进入加速电场时，受时间散焦区的影响，产生横向散 焦作用
解决方法： 1 阿尔法瑞兹法，用钨网膜放置于漂移管入口，改变 电场分布，有利于聚焦； 2 漂移管中放置四极透镜
能量调频方式
盘荷尺寸(a和b)虽然一般固定不变，但当增 大微波频率时，对该盘荷来说，皱褶深度相 对增大，导致相速度减小。故一般采用微波 调频的方式来改变相速度，从而调节最终粒 子加速能量
相运动特点
Ea
rf ,t
eVa cos eVs s
s
T Ts
Ea
z
s
s
非同步粒子能自动稳相之条件：
rf ,z s
对于光滑波导，满足
rf ,z
c
cos
p rf ,z c
c 1 ( kc )2
k
为了慢波以加速电子，则有
p rf ,z
c c 1 ( kc )2
k
kc为虚数，令kc＝iKc
Ez Ez0 J0 (iKcr) cos(rf t kz z)
零阶虚贝赛尔函数
2.28
1
1.266
J0 ( x)
fc 2 k 2 b
c
2
2.405 b
fc
c
g
慢波原理
如输电线路过长，可将线路视为负载。 如50Hz交流电的波长达6000km
线间距
线半径
医用电子直线加速器基本原理与结构
医用电子直线加速器基本原理与结构一、基本原理：医用电子直线加速器的基本原理是利用电子加速器对电子束进行高速加速，然后通过磁铁系统和束流控制系统对电子束进行准确定位和调整，最终通过束流传输系统将高能电子束或光子束投射到患者体内，达到肿瘤治疗的效果。
具体过程如下：1.加速：医用电子直线加速器通过高频电场(电子加速频率通常在3-30MHz)加速装置对电子进行加速，使其能量提高到治疗所需的高能级。
电子直线加速器中一般使用微波电子加速器，如马格努斯型加速器、超高频波导型加速器等。
2.聚焦：在加速过程中，电子束需要经过一系列的磁铁聚焦系统来控制束流的焦点位置和束径。
聚焦系统通常包括透镜磁铁和偏转磁铁，通过调整磁铁的磁场强度和配置来实现对电子束的聚焦和定位。
3.控制：束流控制系统是对电子束进行精确控制和调整的关键部分，它包括束流监测和矫正系统。
束流监测系统可以对电子束进行实时监测，并通过反馈机制对其进行调整和校正，以确保束流的稳定性和精度。
4.辐射治疗：通过束流传输系统，高能电子束或光子束被投射到患者体内的特定部位进行辐射治疗。
电子束和光子束的选择取决于患者的具体情况和治疗需求。
二、结构：1.微波电子加速器：用于加速电子束的装置，通常采用同轴加速器或波导加速器。
加速器中包括微波发生器、加速腔和注入系统等。
2.聚焦系统：通过控制磁场来聚焦束流。
包括透镜磁铁和偏转磁铁等，用于控制束流的焦点位置和束径。
3.控制系统：包括束流监测和矫正系统，用于对束流进行实时监测、调整和校正。
4.辐射治疗系统：包括束流传输系统和治疗装置。
束流传输系统是将电子束或光子束从加速器传输到患者体内的装置，通常包括束流导向器和准直器等。
治疗装置用于定位和照射特定部位。
5.控制台：用于操作和控制整个医用电子直线加速器的设备，包括监测仪器、调整装置和控制器等。
总结：医用电子直线加速器利用电子加速器对电子束进行高速加速，然后通过磁铁系统和束流控制系统对电子束进行准确定位和调整，最终将高能电子束或光子束投射到患者体内进行肿瘤治疗。
医用直线加速器的性能与特点ppt课件
ppt课件.
21
目前市场上常用的医用电子 直线加速器按能量分为三型：
低能医用直线加速器：只提
供一档X射线能量，大部分为
6MV。国产加速器多为此型
经济实用，可满足80%～85%
肿瘤患者需要
ppt课件.
22
中能医用电子直线加速器：
提供一档或二档X射线（6～ 10MV），并提供4～5档不同 能量的电子线（5～15MeV）
中能加速器除能治疗深部
肿瘤外，还可以治疗大部分表 浅肿瘤。
ppt课件.
23
高能医用电子直线加速器：提
供二档X射线，商业上称为双光子 方式，有些公司产品如:瑞典医科 达生产的加速器可以提供三档X射 线，称为三光子方式，多档设置的 目的是适应不同体厚病人不同肿瘤 深度治疗的需要。可提供更高能量 的电子线（5～22MeV），分为5～9 档，扩大了对表浅肿瘤的治疗深度 范围
ppt课件.
24
随着科学的不断发展和进
步，近代医用直线加速器还可
以提供更多的功能选择，如： 全自动多叶准直器系统MLC 适时影像系统（EPID） X刀治疗系统是利用加速器产
生的X射线束达到治疗的目的
ppt课件.
25
全自动多叶光栅（MLC）
ppt课件.
26
EPID
ppt课件.
27
ppt课件.
验证片
疗计划系统等设备。
ppt课件.
33
≪放射诊疗管理规定≫
放射治疗场所应当按照下列要求配备并使 用安全防护装置、辐射检测仪器和个人防护用 品：
✓ 多重安全联锁系统 ✓ 剂量监测系统 ✓ 影像监控 ✓ 对讲装置 ✓ 固定式剂量监测报警装置 ✓ 配备放疗剂量仪 ✓ 剂量扫描装置
医用直线加速器原理【放射治疗科】 ppt课件
We eEz L 设行波电场的强度为EZ ， 处于波峰上
的电子，经 L 距离后，获得的能量为
医学物理
行波加速管结构
•前端束流孔径由大变小，盘片间距由小变大－聚束段 •后面的束流孔径、盘片间距保持不变－光速段
医学物理
微波电场加速电子
+
++
谐振腔 TM010模
医学物理
•微波频率为3GHz，即电场在 1s内，方向变化30亿次
T 0.5C
医学物理
• 日本三菱公司ML-4M医用驻波电子直线加速器的频率特性曲线
束流偏转系统
医学物理
束流传输系统
• 束流传输系统的主要组成:[电子枪] ，聚焦线圈，导向线圈， 偏转系统（90°偏转，270°偏转）， [靶（电子窗）]
医学物理
导向线圈的位置及结构
医学物理
• 90º偏转
偏转方案
• 其它
– 返波管 – 行波管 – 回旋管
医学物理
微波产生
医学物理
磁控管的基本构造及工作原理
医学物理
多腔磁控管的基本构造
医学物理
•能量输出装置
医学物理
磁钢
医学物理
•调频机构 •冷却
医学物理
多腔磁控管的基本工作原理
几个重要概念：
•临界状态 •π型振荡 •同步条件
r m0v eH
2n (n 0,1,2,......) N
医学物理
相位移动
由于粒子质量相对论增长，导致粒子的回旋周 期增大，从而粒子所在的加速相位移动。
Tc=Trf Tc>Trf Tc<Trf
V(f )=Vacos(f )
V(f )=Vacos(f )
医学物理
的电子，经 L 距离后，获得的能量为
医学物理
行波加速管结构
•前端束流孔径由大变小，盘片间距由小变大－聚束段 •后面的束流孔径、盘片间距保持不变－光速段
医学物理
微波电场加速电子
+
++
谐振腔 TM010模
医学物理
•微波频率为3GHz，即电场在 1s内，方向变化30亿次
T 0.5C
医学物理
• 日本三菱公司ML-4M医用驻波电子直线加速器的频率特性曲线
束流偏转系统
医学物理
束流传输系统
• 束流传输系统的主要组成:[电子枪] ，聚焦线圈，导向线圈， 偏转系统（90°偏转，270°偏转）， [靶（电子窗）]
医学物理
导向线圈的位置及结构
医学物理
• 90º偏转
偏转方案
• 其它
– 返波管 – 行波管 – 回旋管
医学物理
微波产生
医学物理
磁控管的基本构造及工作原理
医学物理
多腔磁控管的基本构造
医学物理
•能量输出装置
医学物理
磁钢
医学物理
•调频机构 •冷却
医学物理
多腔磁控管的基本工作原理
几个重要概念：
•临界状态 •π型振荡 •同步条件
r m0v eH
2n (n 0,1,2,......) N
医学物理
相位移动
由于粒子质量相对论增长，导致粒子的回旋周 期增大，从而粒子所在的加速相位移动。
Tc=Trf Tc>Trf Tc<Trf
V(f )=Vacos(f )
V(f )=Vacos(f )
医学物理
医用电子直线加速器介绍-2023年学习资料
四、医用电子直线加速器的原理-1.基本原理-MV级电子线-高压脉冲-大功率微波-电子加速-电子打靶-脉冲调 器-磁控管-MV级X射线
四、医用电子直线加速器的原理-2.系统框图-真空系统-真空良好-灯丝电源-灯丝电流-控制和-阴极高压脉冲子枪-保护系统-发射电子-充气系统-调制器-磁控管-微波传输-加速管建立-产生-驻波场-射线-恒温水-靶
四、医用电子直线加速器的原理-6.剂量检测系统-●剂量监测系统由电离室、前置放大器及监测剂量仪组成。-•电 室提供了表征辐射线强度的信号，并通过检测电路的处理转换-成吸收剂量信号。-•电离室位于辐射系统之内，由若干 极片构成，其中有两对用于监-测辐射野内相互垂直的两个方向的均整度，有一片用于监测辐射的能-量变化，有两片用 检测辐射的吸收剂量。-•放射治疗对剂量检测系统的要求：安全性、准确性和长期稳定性。-●安全性配备两个独立的 量检测通道和一个时间保护通道。-•准确性主要用重复性和线性指标来表征。-●长期稳定性主要用日稳定性和周稳定 指标来表征。
四、医用电子直线加速器的原理-3.主要组成部分-EBE0E0E2EEE-加速系统-辐射系统-剂量检测系统机架、治疗床及辐射头-运动系统-控制系统-温控及充气系统
四、医用电子直线加速器的原理-4.加速系统-加速系统是医用电子直线加速器的核心。由加速管、微-波传输系统、 波功率源、脉冲调制器等组成。
四、医用电子直线加速器的原理-4.2微波传输系统-微波传输系统主要包括：-弯波导及直波导-软波导-定向耦合 -吸收水负载-三端环流器
四、医用电子直线加速器的原理-4.2微波传输系统-加速管-定向耦-三端环-弯波导-软波导-合器-流器-磁控 -钛泵-水负载
四、医用电子直线加速器的原理-4.3微波功率源-低、中能机常用磁控管作微波功率源。-磁控管是微波自激震荡器 体积小，工作电压低，但其工作频率易漂-移，因此需采用自动稳频系统，提高频率稳定度。-高能机需较高的微波功率 常用多腔速调管作为微波功率源。速调管-是微波功率放大器，体积大，工作电压高，需要有前置激励来驱动，-频率比 稳定，但也需自动调频系统使其与负载变化保持一致。
医用电子直线加速器原理优秀课件
驻波加速原理
❖ 利用电磁波的轴向电场分量不断的推动电子加速 ❖ 轴向电场的大小和方向是随时间交变的 ❖ 振荡的包络线是不变的 ❖ 只要电子的飞行（渡越）时间正好等于微波振荡的半周期，就能
满足持续加速
生命至尊责任至上
驻波加速原理（1）
生命至尊责任至上
驻波加速原理（2）
生命至尊责任至上
驻波加速原理（3）
生命至尊责任至上
医用电子直线加速器功能
❖ 产生射线 ❖ 使射线适合放疗
生命至尊责任至上
产生射线
生命至尊责任至上
适合放疗
生命至尊责任至上
XHA600医用电子直线加速器
生命至尊责任至上
主机结构
❖ 固定机架 ❖ 旋转机架 ❖ 治疗头 ❖ 底座
❖ 治疗床
治疗头
治疗床
旋转机架
固定 机架
底座
生命至尊责任至上
波导窗
软波导
环流器
加速管
吸收负载
定向耦合器
圆方转换 磁钢
E2V 磁控管
生命至尊责任至上
环流器
生命至尊责任至上
四端环流器
3口
1口
2口 4口
生命至尊责任至上
微波系统的组成
生命至尊责任至上
前向波
2
4
1 3
E2V
生命至尊责任至上
反射波
E2V
生命至尊责任至上
三端环流器------前向波
E2V
生命至尊责任至上
医用电子直线加速器原理优秀课件
生命至尊责任至上
医用电子直线加速器整机结构
生命至尊责任至上
医用加速器分类
❖ 按加速对象分 ❖ 医用电子加速器
❖ 医用电子直线加速器 ❖ 医用电子回旋加速器 ❖ 医用电子感应加速器
直线加速器系统讲义PPT课件
1. 脉冲功率（ PM ）
P MU MIM
2. 调制器的效率( M )
M P 出 P 入
3. 重复频率( f M )
fM 1TM
7
4. 脉冲波形
用于表示脉冲波形常用的三个参数
1）脉冲前沿 : 从稳定值的5%上升到90%所用的时间。
2）脉冲后沿 c : 从稳定值的90%下降到5%所用的时间。
5
四 简单工作原理 • 直流高压电源通过充电电感向传输线充电，当充到两倍
的电源电压后，处于等待状态。 • 当有一低压脉冲加到开关管（闸流管）的栅极上时，开
关管则导通。 • 传输线通过开关管向负载放电。 • 负载上得到一高压脉冲，其宽度由传输线长度决定。
6
§1.2 脉冲调制器的技术要求
一 基本参数
4
§1.1 引言
一 脉冲调制器的定义
凡是能够将一种信号的电压变化（或某种信息变化）去
改变振荡参数的设备叫调制器。脉冲调制器就是用脉冲的 电压去改变微波源的振荡幅度。
二 脉冲调制器在加速器中的应用
在使用微波电场加速带电粒子的加速器中的微波源大 多是脉冲工作的。
三 脉冲调制器的作用
负责提供给微波源（磁控管、速调管）一定振幅、一 定包络宽度、一定重复周期、功率为一定大小的高压脉 冲。
I l ----调制器的输出电流
14
Rl
ul il
1 Kul1
2
3.电子枪
1) 非线性阻抗。 2)相应于磁控管是高阻(在工作点附近 约几百K ）。
因此，在设计调制器时，不考虑电子枪的负 载对调制器的影响。
15
§1.3 线型脉冲调制器的基本电路
2
充电隔离元件
5
储能元件
P MU MIM
2. 调制器的效率( M )
M P 出 P 入
3. 重复频率( f M )
fM 1TM
7
4. 脉冲波形
用于表示脉冲波形常用的三个参数
1）脉冲前沿 : 从稳定值的5%上升到90%所用的时间。
2）脉冲后沿 c : 从稳定值的90%下降到5%所用的时间。
5
四 简单工作原理 • 直流高压电源通过充电电感向传输线充电，当充到两倍
的电源电压后，处于等待状态。 • 当有一低压脉冲加到开关管（闸流管）的栅极上时，开
关管则导通。 • 传输线通过开关管向负载放电。 • 负载上得到一高压脉冲，其宽度由传输线长度决定。
6
§1.2 脉冲调制器的技术要求
一 基本参数
4
§1.1 引言
一 脉冲调制器的定义
凡是能够将一种信号的电压变化（或某种信息变化）去
改变振荡参数的设备叫调制器。脉冲调制器就是用脉冲的 电压去改变微波源的振荡幅度。
二 脉冲调制器在加速器中的应用
在使用微波电场加速带电粒子的加速器中的微波源大 多是脉冲工作的。
三 脉冲调制器的作用
负责提供给微波源（磁控管、速调管）一定振幅、一 定包络宽度、一定重复周期、功率为一定大小的高压脉 冲。
I l ----调制器的输出电流
14
Rl
ul il
1 Kul1
2
3.电子枪
1) 非线性阻抗。 2)相应于磁控管是高阻(在工作点附近 约几百K ）。
因此，在设计调制器时，不考虑电子枪的负 载对调制器的影响。
15
§1.3 线型脉冲调制器的基本电路
2
充电隔离元件
5
储能元件
直线加速器系统讲义
5
仿真线
加速管灯丝
T4
加速管
F K
匹
C1 75 00 pF
配
电
路 R3 25
6 GKH 1u 6. 8 n HV
ACCE L ERAT OR
6. 8 n 51
MFH MKH
GND
GKL
MFL
MKL
脉冲电压
脉冲变压器
脉冲电流
S N
C2 1 u F/2 kV
T3
磁控管灯丝
C F
7
MG5 19 3
16
•方框一：直流高压电源——三相全波整流电路，是调 制器的电源。
理论波形
电压
磁控管的伏安特性曲线
10
1） 磁控管阻抗是电压的非线性函数。
EaM EaM
EaM门
B
O I aM门
A C
1 ). 磁控管工作于C点,它对 调制器呈现的负载阻抗是 磁控管的静态电阻。
I aM
I aM
Rj
EaM I aM
磁控管的伏安特性曲线
11
2). 当 EaM EaM门 此时磁控管未振荡,电流极小,对调制
其中，U m R I m U RI
结论: 磁控管对调制器所呈现的负载电阻是随 EaM 而变化的 ,具有 Rd R j r 的特性。
2. 速调管
速调管的电子注电压与电子注电流之间服从于3/2次
方关系,即 Il ∝ ul 3 2,而对调制器所呈现的负载阻抗
与电压的平方根成反比:
设:
Rl ----速调管的阻抗
Ul ----调制器的输出电压
加速器的主要组成
加速器原理：加速器的核心---加速管 的工作原理。
加速器物理课件第10章直线加速器
2014-4-14 79 29
行波加速器
行波加速器运行在n=0的空间谐波情况下。一般 适宜加速短脉冲和速度接近于光速的粒子，比 如电子。 行波加速器---盘荷波导、螺旋波导等结构
盘荷波导：
2014-4-14
79
30
盘荷波导：
2014-4-14
79
31
螺旋波导
2014-4-14
79
32
驻波加速器
2014-4-14
79
8
在传播方向上z方向，两个临界波峰之间的距离λp比 实际的波长λ要长。这就意味着在Z的方向上波现象 以大于C的速度在传输。
在只有一个边界时，入射波 可以以任何方向入射均可传输
2014-4-14 79
图
9
两个导体壁的情况，就又多了一条限制，为了在每个边 界都满足条件，只有一个角度入射的波才能够传输。两 个壁之间的距离必须是半波长的整数倍此时波的纵向行 为为行波，横向行为为驻波。
其中A是常数，在半径为a的边界上，我们有：
Bessel 函数有许多根，每一个根对应一个TM波的模式，第一 个根为TM01，0指无方位上的变化，1指径向一个半波长。因 为 kr=2.405/a 所以为了满足边界条件kr是一个固定的数。
2014-4-14
79
15
色散关系曲线
相速
群速
在这个曲线上的任意一点同原点的连线的斜率给出了该点的相速 双曲线上所有的点都有 Vph>c，他们全在Vph=c的直线的上方。 d 双曲线上所有的点的斜率给出了该点的群速。 vg dk 在ω=ωc处，vg=0 色散曲线相对于原点是对称的，即波可以沿±z两个方向传播。
位置 n
p
k
n 0,1,2,3,..
行波加速器
行波加速器运行在n=0的空间谐波情况下。一般 适宜加速短脉冲和速度接近于光速的粒子，比 如电子。 行波加速器---盘荷波导、螺旋波导等结构
盘荷波导：
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30
盘荷波导：
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31
螺旋波导
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驻波加速器
2014-4-14
79
8
在传播方向上z方向，两个临界波峰之间的距离λp比 实际的波长λ要长。这就意味着在Z的方向上波现象 以大于C的速度在传输。
在只有一个边界时，入射波 可以以任何方向入射均可传输
2014-4-14 79
图
9
两个导体壁的情况，就又多了一条限制，为了在每个边 界都满足条件，只有一个角度入射的波才能够传输。两 个壁之间的距离必须是半波长的整数倍此时波的纵向行 为为行波，横向行为为驻波。
其中A是常数，在半径为a的边界上，我们有：
Bessel 函数有许多根，每一个根对应一个TM波的模式，第一 个根为TM01，0指无方位上的变化，1指径向一个半波长。因 为 kr=2.405/a 所以为了满足边界条件kr是一个固定的数。
2014-4-14
79
15
色散关系曲线
相速
群速
在这个曲线上的任意一点同原点的连线的斜率给出了该点的相速 双曲线上所有的点都有 Vph>c，他们全在Vph=c的直线的上方。 d 双曲线上所有的点的斜率给出了该点的群速。 vg dk 在ω=ωc处，vg=0 色散曲线相对于原点是对称的，即波可以沿±z两个方向传播。
位置 n
p
k
n 0,1,2,3,..
电子直线加速器的工作原理课件
加速电压
加速管中的微波电场通常由微波源 产生，并由速调管进行调谐，以实 现高效加速。
微波传输与能量耦合
微波源
微波源产生微波能量，并通过微 波传输系统将其传输到加速管中
。
能量耦合
微波能量通过耦合结构传输到加 速管中，为电子束提供加速能量
。
传输效率
为了提高加速效率，需要确保微 波传输系统和能量耦合结构的稳
环保问题
电子直线加速器在运行过程中会产生一定的噪音和热量，需要采取相应的环保措 施，减少对周围环境的影响。
THANKS
感谢观看
作用而获得能量。
加速管通常采用高电压、高频率 的电源，以实现电子的高效加速
。
加速管的长度和直径根据加速电 子的能量和束流强度而定，一般 采用金属材料或复合材料制造。
微波功率源
微波功率源是电子直线加速器 的能源部分，其作用是将电能 转换为微波能，为加速管提供 能量。
微波功率源通常采用磁控管或 速调管等微波器件，其工作频 率根据加速电子的能量而定。
微波功率源的输出功率和稳定 性对加速器的性能和稳定性有 重要影响。
真空系统
真空系统的作用是提供高真空环境，以减少电子与气体分子的碰撞损失，提高加速 效率。
真空系统通常包括真空泵、真空测量系统和真空容器等部分。
真空度要求根据加速电子的能量和束流强度而定，一般要求达到10^-6 Torr或更低 。
控制系统
束流品质
束流强度
束流强度是指单位时间内通过加速器 的电子数量。高束流强度能够提供更 强的电子束，适用于需要大剂量电子 束的应用，如放射治疗和放射成像。
束流纯度
束流纯度是指电子束中特定能量或特 定质量电子的比例。高纯度电子束能 够提高实验或应用的精度和效果。
加速管中的微波电场通常由微波源 产生，并由速调管进行调谐，以实 现高效加速。
微波传输与能量耦合
微波源
微波源产生微波能量，并通过微 波传输系统将其传输到加速管中
。
能量耦合
微波能量通过耦合结构传输到加 速管中，为电子束提供加速能量
。
传输效率
为了提高加速效率，需要确保微 波传输系统和能量耦合结构的稳
环保问题
电子直线加速器在运行过程中会产生一定的噪音和热量，需要采取相应的环保措 施，减少对周围环境的影响。
THANKS
感谢观看
作用而获得能量。
加速管通常采用高电压、高频率 的电源，以实现电子的高效加速
。
加速管的长度和直径根据加速电 子的能量和束流强度而定，一般 采用金属材料或复合材料制造。
微波功率源
微波功率源是电子直线加速器 的能源部分，其作用是将电能 转换为微波能，为加速管提供 能量。
微波功率源通常采用磁控管或 速调管等微波器件，其工作频 率根据加速电子的能量而定。
微波功率源的输出功率和稳定 性对加速器的性能和稳定性有 重要影响。
真空系统
真空系统的作用是提供高真空环境，以减少电子与气体分子的碰撞损失，提高加速 效率。
真空系统通常包括真空泵、真空测量系统和真空容器等部分。
真空度要求根据加速电子的能量和束流强度而定，一般要求达到10^-6 Torr或更低 。
控制系统
束流品质
束流强度
束流强度是指单位时间内通过加速器 的电子数量。高束流强度能够提供更 强的电子束，适用于需要大剂量电子 束的应用，如放射治疗和放射成像。
束流纯度
束流纯度是指电子束中特定能量或特 定质量电子的比例。高纯度电子束能 够提高实验或应用的精度和效果。
直线加速器系统讲义
开关元件
负 载
15
调制器原理图
2 1
充电电感
+12 k V
5
充电二极管
CR1
仿真线
加速管灯丝
T4
R1
F
加速管
PS R1 2 .5 k
3
R2
CR2
4
CX1159
K
6
A
ACCELERA TO R GKH
3G
H A K
R32
G
反 峰 电 路
R2 25
1
5
触 发 电 路
3 1u 4 2 C1 7 50 0 pF HV 6 .8 n
1 T P IU (sin 2t ) dt 0 T 0
26
4 电容中的交流电
i
+q
-q
1）电容具有储存电荷作用
C q u
（2-16） （2-17）
u
d q Cd u 2）交变的电流在流过电容时： dq i dt 将式（2-17）代入（2-18）得：
i C du CUm cost I m sin( t ) dt 2 1 Im u sint i (t )dt C C
能元件等效为一电容;
2. 假设负载具有单向导电性; 3. 假设开关管性能好,储能元件放电结束时可立即关断 ; 4 假设充电元件是线性的,即其阻抗大小与电流无关,且 等于一个常数。
32
要讨论的问题：利用谐振充电的特点，在 储能元件上可获得两倍电源电压的储能。 二 等效电路分析
K
E0
•
L
C R
从等效电路可写出充电电路的微分方程：
（2-18） （2-19） （2-20）
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1. 脉冲功率（ PM ）
PM U M I M
2. 调制器的效率( M )
M P出 P入
3. 重复频率( fM )
f M 1 TM
6
4. 脉冲波形
用于表示脉冲波形常用的三个参数
1）脉冲前沿 : 从稳定值的5%上升到90%所用的时间。
2）脉冲后沿 c: 从稳定值的90%下降到5%所用的时间。
4
四 简单工作原理 • 直流高压电源通过充电电感向传输线充电，当充到两倍
的电源电压后，处于等待状态。 • 当有一低压脉冲加到开关管（闸流管）的栅极上时，开
关管则导通。 • 传输线通过开关管向负载放电。 • 负载上得到一高压脉冲，其宽度由传输线长度决定。
5
§1.2 脉冲调制器的技术要求
一 基本参数
5
仿真线
加速管灯丝
T4
加速管
F K
匹
C1 75 00 pF
配
电
路 R3 25
6 GKH 1u 6. 8 n HV
ACCE L ERAT OR
6. 8 n 51
MFH MKH
GND
GKL
MFL
MKL
脉冲电压
脉冲变压器
脉冲电流
S N
C2 1 u F/2 kV
T3
磁控管灯丝
C F
7
MG5 19 3
16
•方框一：直流高压电源——三相全波整流电路，是调 制器的电源。
2. 工作比 ( S )
S TM
8
三 调制器的负载
1. 磁控管
调制器
输出脉冲
磁控管
RL
CRL
CL
VS
（磁控管等效电路）
➢由于RL的存在，则磁控管在工作时消耗能量，并转换成热量。
➢由于CRL的存在，则磁控管在工作时可等效为二极管。
➢由于CL寄生电容的存在，将影响脉冲电压的上升及下降的
速率。
9
电流
实际波形
加速器的主要组成
加速器原理：加速器的核心---加速管 的工作原理。
微波技术：微波源（磁控管、速调管）； 微波传输系统。
加速器装置：控制系统、冷却系统、真空 系统、充气和聚焦系统。
脉冲调制器：脉冲功率源。
1
冷却、真空、聚焦系统
控
制
系
统
微波功率源 微波传输系统
脉冲调制器
充气系统
2
第一章 绪论
§1.1 引言 一 脉冲调制器的定义 二 脉冲调制器在加速器中的应用 三 脉冲调制器的作用 四 简单工作原理 §1.2 脉冲调制器的技术要求 §1.3 脉冲调制器的基本电路
Il ----调制器的输出电流
13
Rl
ul il
1 Kul1 2
3.电子枪
1) 非线性阻抗。 2)相应于磁控管是高阻(在工作点附近 约几百K ）。
因此，在设计调制器时，不考虑电子枪的负 载对调制器的影响。
14
§1.3 线型脉冲调制器的基本电路
2
充电隔离元件
5
储能元件
1
直
3 4
流 高 压 电
触 发
17
第二章 充电电路
§2.1 引言
一 基础知识
二 充电电路的组成
三 充电电路的种类
四 直流充电电路
五 充电电路应满足的要求
§2.2 RLC直流谐振充电电路
一 充电电路的等效电路 二 等效电路分析
三 等待充电电路
18
§2.1 引言
一 基础知识
1 交流电路的基本表示式
1）电压、电流的瞬时值：
i Im sin(t 1) u Um sin(t 2 )
理论波形
电压
磁控管的伏安特性曲线
10
1） 磁控管阻抗是电压的非线性函数。
EaM EaM
EaM门
B
O I aM门
A C
1 ). 磁控管工作于C点,它对 调制器呈现的负载阻抗是 磁控管的静态电阻。
I aM
I aM
Rj
EaM I aM
磁控管的伏安特性曲线
11
2). 当 EaM EaM门 此时磁控管未振荡,电流极小,对调制
（2-1） （2-2）
其中， Im , Um 为电压、电流极大值， 为角频率，
为初始相位。
19
2）电压、电流的相位差：
( 1 2 )
2 电阻中的交流电
（1）欧姆定律仍然适用
u Ri
i I msint
将式（2-4）代入式（2-3），
u R I m sint u R I m sint U m sint
•方框二：充电隔离元件——充电电感、充电二极管， •方框三：触发器——控制开关管（闸流管）的导通。 •方框四：开关管（闸流管）——控制调制器充放电的时间。 •方框五：储能元件——由电容、电感组成的一脉冲形成网络。 • 方框六：脉冲变压器——共由三组线圈组成，原边一组，付
边两组（磁控管电子枪各一组）。 •方框七：负载。
器呈现的阻抗极大,即:
r
EaM I aM
(0 EaM EaM门）
.3). 当 EaM EaM门 时, 磁控管建立振荡, 此后 EaM
增加时, I aM 将沿着AB线变化,此时磁控管对调制器 呈现的负载电阻为磁控管的动态电阻 Rd ,即:
Rd
EaM I aM
( EaM门 EaM EaM ）
12
3
§1.1 引言
一 脉冲调制器的定义
凡是能够将一种信号的电压变化（或某种信息变化）去
改变振荡参数的设备叫调制器。脉冲调制器就是用脉冲的 电压去改变微波源的振荡幅度。
二 脉冲调制器在加速器中的应用
在使用微波电场加速带电粒子的加速器中的微波源大 多是脉冲工作的。
三 脉冲调制器的作用
负责提供给微波源（磁控管、速调管）一定振幅、一 定包络宽度、一定重复周期、功率为一定大小的高压脉 冲。
开关元件
器
6
负 载
源
15
调制器原理图
G 1 A 5
1
+1 2k V
PS
2
充电电感
充电二极管
CR1
R1
R1
CR2
2. 5 k
R2
3G
H
R32
A
K
6.3VAC
T1
稳压220VAC
R34
De-Q比较触发 De-Q采样
R35
反 峰 电 路
R2 25
3
4
CX1159
触
3
发
4
电
2
路
6.3VAC
T2
稳压220VAC
结论: 磁控管对调制器所呈现的负载电阻是随 EaM 而变化的 ,具有 Rd R j r 的特性。
2. 速调管
速调管的电子注电压与电子注电流之间服从于3/2次
方关系,即 Il ∝ ul 3 2,而对调制器所呈现的负载阻抗
与电压的平-速调管的阻抗
Ul ----调制器的输出电压
3）脉冲顶部波动系数 G
G
顶部的变化量 EaM 稳定值 E aM
E
90%
5%
c t
7
5. 脉冲宽度 ( )
几个约定: 1) 计算调制器最大工作比时从0电平计算。 2) 计算平均电流时从幅度50%计算。 3) 估算负载输出射频宽度时60 ~ 80%。
二 由基本参数导出的两个常用参数
1. 平均功率 ( Pcp ) Pcp PM / S
其中，U m R I m U RI
PM U M I M
2. 调制器的效率( M )
M P出 P入
3. 重复频率( fM )
f M 1 TM
6
4. 脉冲波形
用于表示脉冲波形常用的三个参数
1）脉冲前沿 : 从稳定值的5%上升到90%所用的时间。
2）脉冲后沿 c: 从稳定值的90%下降到5%所用的时间。
4
四 简单工作原理 • 直流高压电源通过充电电感向传输线充电，当充到两倍
的电源电压后，处于等待状态。 • 当有一低压脉冲加到开关管（闸流管）的栅极上时，开
关管则导通。 • 传输线通过开关管向负载放电。 • 负载上得到一高压脉冲，其宽度由传输线长度决定。
5
§1.2 脉冲调制器的技术要求
一 基本参数
5
仿真线
加速管灯丝
T4
加速管
F K
匹
C1 75 00 pF
配
电
路 R3 25
6 GKH 1u 6. 8 n HV
ACCE L ERAT OR
6. 8 n 51
MFH MKH
GND
GKL
MFL
MKL
脉冲电压
脉冲变压器
脉冲电流
S N
C2 1 u F/2 kV
T3
磁控管灯丝
C F
7
MG5 19 3
16
•方框一：直流高压电源——三相全波整流电路，是调 制器的电源。
2. 工作比 ( S )
S TM
8
三 调制器的负载
1. 磁控管
调制器
输出脉冲
磁控管
RL
CRL
CL
VS
（磁控管等效电路）
➢由于RL的存在，则磁控管在工作时消耗能量，并转换成热量。
➢由于CRL的存在，则磁控管在工作时可等效为二极管。
➢由于CL寄生电容的存在，将影响脉冲电压的上升及下降的
速率。
9
电流
实际波形
加速器的主要组成
加速器原理：加速器的核心---加速管 的工作原理。
微波技术：微波源（磁控管、速调管）； 微波传输系统。
加速器装置：控制系统、冷却系统、真空 系统、充气和聚焦系统。
脉冲调制器：脉冲功率源。
1
冷却、真空、聚焦系统
控
制
系
统
微波功率源 微波传输系统
脉冲调制器
充气系统
2
第一章 绪论
§1.1 引言 一 脉冲调制器的定义 二 脉冲调制器在加速器中的应用 三 脉冲调制器的作用 四 简单工作原理 §1.2 脉冲调制器的技术要求 §1.3 脉冲调制器的基本电路
Il ----调制器的输出电流
13
Rl
ul il
1 Kul1 2
3.电子枪
1) 非线性阻抗。 2)相应于磁控管是高阻(在工作点附近 约几百K ）。
因此，在设计调制器时，不考虑电子枪的负 载对调制器的影响。
14
§1.3 线型脉冲调制器的基本电路
2
充电隔离元件
5
储能元件
1
直
3 4
流 高 压 电
触 发
17
第二章 充电电路
§2.1 引言
一 基础知识
二 充电电路的组成
三 充电电路的种类
四 直流充电电路
五 充电电路应满足的要求
§2.2 RLC直流谐振充电电路
一 充电电路的等效电路 二 等效电路分析
三 等待充电电路
18
§2.1 引言
一 基础知识
1 交流电路的基本表示式
1）电压、电流的瞬时值：
i Im sin(t 1) u Um sin(t 2 )
理论波形
电压
磁控管的伏安特性曲线
10
1） 磁控管阻抗是电压的非线性函数。
EaM EaM
EaM门
B
O I aM门
A C
1 ). 磁控管工作于C点,它对 调制器呈现的负载阻抗是 磁控管的静态电阻。
I aM
I aM
Rj
EaM I aM
磁控管的伏安特性曲线
11
2). 当 EaM EaM门 此时磁控管未振荡,电流极小,对调制
（2-1） （2-2）
其中， Im , Um 为电压、电流极大值， 为角频率，
为初始相位。
19
2）电压、电流的相位差：
( 1 2 )
2 电阻中的交流电
（1）欧姆定律仍然适用
u Ri
i I msint
将式（2-4）代入式（2-3），
u R I m sint u R I m sint U m sint
•方框二：充电隔离元件——充电电感、充电二极管， •方框三：触发器——控制开关管（闸流管）的导通。 •方框四：开关管（闸流管）——控制调制器充放电的时间。 •方框五：储能元件——由电容、电感组成的一脉冲形成网络。 • 方框六：脉冲变压器——共由三组线圈组成，原边一组，付
边两组（磁控管电子枪各一组）。 •方框七：负载。
器呈现的阻抗极大,即:
r
EaM I aM
(0 EaM EaM门）
.3). 当 EaM EaM门 时, 磁控管建立振荡, 此后 EaM
增加时, I aM 将沿着AB线变化,此时磁控管对调制器 呈现的负载电阻为磁控管的动态电阻 Rd ,即:
Rd
EaM I aM
( EaM门 EaM EaM ）
12
3
§1.1 引言
一 脉冲调制器的定义
凡是能够将一种信号的电压变化（或某种信息变化）去
改变振荡参数的设备叫调制器。脉冲调制器就是用脉冲的 电压去改变微波源的振荡幅度。
二 脉冲调制器在加速器中的应用
在使用微波电场加速带电粒子的加速器中的微波源大 多是脉冲工作的。
三 脉冲调制器的作用
负责提供给微波源（磁控管、速调管）一定振幅、一 定包络宽度、一定重复周期、功率为一定大小的高压脉 冲。
开关元件
器
6
负 载
源
15
调制器原理图
G 1 A 5
1
+1 2k V
PS
2
充电电感
充电二极管
CR1
R1
R1
CR2
2. 5 k
R2
3G
H
R32
A
K
6.3VAC
T1
稳压220VAC
R34
De-Q比较触发 De-Q采样
R35
反 峰 电 路
R2 25
3
4
CX1159
触
3
发
4
电
2
路
6.3VAC
T2
稳压220VAC
结论: 磁控管对调制器所呈现的负载电阻是随 EaM 而变化的 ,具有 Rd R j r 的特性。
2. 速调管
速调管的电子注电压与电子注电流之间服从于3/2次
方关系,即 Il ∝ ul 3 2,而对调制器所呈现的负载阻抗
与电压的平-速调管的阻抗
Ul ----调制器的输出电压
3）脉冲顶部波动系数 G
G
顶部的变化量 EaM 稳定值 E aM
E
90%
5%
c t
7
5. 脉冲宽度 ( )
几个约定: 1) 计算调制器最大工作比时从0电平计算。 2) 计算平均电流时从幅度50%计算。 3) 估算负载输出射频宽度时60 ~ 80%。
二 由基本参数导出的两个常用参数
1. 平均功率 ( Pcp ) Pcp PM / S
其中，U m R I m U RI