一种紧凑型自适应毫米波电子直线加速器

本发明属于电子直线加速器，涉及大功率的毫米波，电子自激振荡产生大功率毫米波，毫米波与电子多次发生互作用，具体提供一种紧凑型自适应毫米波电子直线加速器。

背景技术：

1、加速器是一种人工利用电磁场等办法把带电粒子加速到所需要能量的装置，利用加速器可以产生具有不同能量的电子、重离子等粒子，然后将这些具有较高能量的粒子打向其它的物质，从而进一步产生更多种类的其它粒子，如中子、各种介子等，加速器有很多的类型，不同类型的加速器有其各自不同的特点以及应用场合。加速器最初的发展动力是基础核物理的研究需要，伴随着人们对微观世界更进一步探索的需求，我们必须要用更高能量的粒子去轰击其它物质，用来产生出我们难以直接去捕获的基本粒子，从而间接的分析和了解微观世界中物质的组成和运动规律，因此，加速器技术的研究、突破与创新得到了人们越来越广泛的关注。目前，我国以及世界上其它各大国家对低能电子直线加速器的研究非常重视，投入了大量的人力和物力的支持；同时，我国的加速器研究也正在蓬勃的发展并追赶着国际先进水平，研究加速器是非常有意义的。

2、低能电子直线加速器是近年来人们所广泛关注的热点之一，其在工业、农业以及医学方面已经展现出了巨大的应用价值。电子直线加速器最关键的指标就是最终输出电子束的品质，包括束斑尺寸以及束流能量等，而束流品质除了与输入的束流本身有关系外，其与电子直线加速器内的电场分布也有着非常密切的关系，而电子直线加速器内的电场分布又和加速腔体的尺寸息息相关，因此，优化调整电子直线加速器腔体的相关尺寸是优化最终束流品质的重要方法。

3、直流高压型加速器能量受到高压击穿的限制，导致带电粒子加速效果不好；传统高频直流加速器包括高频源产生系统和粒子加速系统，高频源产生系统包括电子枪、阴阳极、磁控管或速调管等用来产生高频率高功率源的器件，其中，高频源产生的电子不参与加速，主要用于产生大功率微波源信号；而粒子加速系统包括预调制腔、聚束腔、控制系统、瞄准系统、加速结构、输入输出耦合器等多种结构，加速系统所用电子并非高频源产生，需用不同阴极单独产生直流电子束，再经预调制后才能用于加速。

4、传统直线加速器结构复杂、体积庞大，各个部件相互独立，独立部件完成各自功能后拼接组装成一个整体，效率低下，应用并不广泛；一般而言，传统直线加速器大多采用高功率厘米波信号，器件尺寸大，既浪费了大量能量、又不能做到小型化，且多用驻波加速，不能用行波进行加速，厘米波行波加速难度大，不能将各部件整合紧凑。因此，探寻一种结构小巧紧凑、一体化、高效率的得以广泛应用的直线型加速器成为重要研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提出一种紧凑型自适应毫米波电子直线加速器，利用微波电真空器件加工工艺，能够实现小型化、紧凑型一体结构。

2、为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

3、一种紧凑型自适应毫米波电子直线加速器，由电子发射区1、换能区2、电子耗散区3、调相区4与电子加速区5依次连接构成，并形成密封结构；其特征在于：

4、所述换能区(2)包括若干个高频周期慢波结构(2-1)，沿轴向方向间隔排布并固定于金属管壁内侧；直流电子束在高频周期慢波结构中自激振荡产生大功率毫米波信号，同时电子束受到调制形成群聚电子束团；

5、所述电子耗散区3包括若干个周期磁环3-1，周期磁环3-1环绕设置在金属管壁外侧，且沿轴向方向等间隔排布；周期磁环产生耗散磁场，使大部分低能电子耗散掉，只留少部分轴向高速运动电子；

6、所述调相区4包括：直纹螺钉4-1、波纹管4-2、调相内管4-3、螺纹孔4-4及调相外管4-5，调相内管嵌套设置于调相外管内、且沿轴向相对移动，调相内管与电子耗散区密封连接，调相外管与电子加速区密封连接，调相内管与调相外管之间通过波纹管密封连接；调相内管与调相外管沿垂直于轴向方向均外延设置有圆盘结构，圆盘结构对应开设贯穿孔与螺纹孔，匹配直纹螺钉调节管间轴向距离。

7、进一步的，所述电子发射区1包括：热阴极1-1、电子束1-2、绝缘支撑环1-3及阳极1-4，热阴极与阳极通过绝缘支撑环密封连接；热阴极外壁呈圆柱状、内壁呈碗状，其碗底中心位置安装阴极发射体；阳极外壁呈圆柱状、内壁呈碗状，其碗底中心位置开设电子束通道；阴极发射体发射电子束经阳极聚束后沿轴向传播。

8、进一步的，所述电子加速区5包括：盘荷结构5-1、输出矩形波导管5-2与钛窗5-3，盘荷结构固定连接于金属管壁内侧、且垂直于轴向方向设置，若干个盘荷结构沿轴向方向排列；钛窗密封设置于电子加速区的末端，输出矩形波导管贯通金属管壁设置、且位于盘荷结构与钛窗之间。

9、更进一步的，盘荷结构采用金属圆环片。

10、更进一步的，输出矩形波导管口添加微波介质窗，形成真空密封。

11、进一步的，工作过程中，阴极加负高压，阳极加正高压或接地。

12、进一步的，工作过程中，由直纹螺钉调节调相内管与调相外管之间的轴向距离，从而达到调节电磁波相位的目的，使电子在进入电子加速区时落入电磁波的负半周期。

13、上述紧凑型自适应毫米波电子直线加速器中，电子发射区1负责产生直流电子束，该直流电子束在进入换能区2后在其高频周期慢波结构中自激振荡产生大功率毫米波信号，同时该电子束被调制形成群聚电子束团，大部分电子将能量交给高频场，动能下降，少部分电子动能增加；大功率毫米波信号与群聚电子束团共同进入电子耗散区3，利用外部周期磁场将大部分低能电子耗散掉，极少部分沿轴向高速运动的电子不受磁场影响而通过，毫米波信号传输不受影响；大功率毫米波信号和耗散后的电子束团进入调相区4，通过距离调节改变毫米波相位，使电子束团与毫米波相位保持匹配后，共同进入加速区5，通过调节盘荷结构尺寸，将大功率毫米波的能量交给电子束团，实现毫米波以行波状态加速电子；最终，毫米波通过输出波导输出，加速后的高能电子从钛窗输出。

14、从工作原理上讲：

15、本发明提供了一种紧凑型自适应毫米波电子直线加速器，通过阴极发射端面发射直流电子束，并在阴阳极间结构下实现电子聚束；该直流电子束在高频周期慢波结构中自激振荡产生大功率毫米波信号并沿轴向传播，同时该电子束将会发生速度调制、密度调制从而实现群聚，形成类似于高斯脉冲发射式的电子束团，大部分电子落入到高频场的减速区，电子失去能量而减速，并将能量交给高频场，使其放大，少部分电子落入高频场的加速区，得以获能而加速；在此基础上配置电子耗散区，在耗散磁场影响下，大部分低能电子受洛伦兹力偏转而打向金属管壁，仅保留理想数量的沿轴向传播的高速电子束团，以保证电子加速性能；进一步的，大功率毫米波信号和耗散后的电子束团进入到调相结构时，通过调节调相内管与调相外管之间轴向距离可以改变毫米波相位，使电子束团与毫米波相位保持匹配；电子束团进入到电子加速区时落入毫米波的负半周期，负半周期相对于电子束团是加速区，通过调节盘荷结构尺寸，使电子速度与电磁波的相速保持同步，不断将大功率毫米波的能量交给电子束团，实现毫米波以行波状态加速电子；最终，毫米波通过管壁上的输出波导输出，加速后的高能电子在合适位置处从钛窗输出。

16、综上所述，本发明有益效果在于：

17、本发明提供了一种紧凑型自适应毫米波电子直线加速器，首先，采用高频周期慢波结构构成换能区，使电子束在换能区通过自激振荡产生大功率毫米波信号，无需外加微波功率源，且电磁波信号完全处于真空环境下，利用真空中击穿场强比空气中大的特性，能够实现小型化紧凑结构；同时，电子束无需额外进行电子预调制，通过换能区的结构设计自适应生成高斯脉冲式电流；然后，匹配电子耗散区的结构设计，对低能电子进行消耗，仅保留理想数量的沿轴向传播的高速电子束团，以保证电子加速性能；最后，创造性的提出调相内管与调相外管嵌套构成的调相结构，通过调节二者的轴向距离，能够调节电磁波的相位，保证电子进入到电子加速区时落入电磁波的负半周期，从而通过电子加速区实现其不断加速，其结构简单、灵活方便；综上，本发明具有结构紧凑、小型化、低成本、自适应集成于一体等优点，利于批量化加工制作。