能量开关

所谓能量开关，简而言之就是一种改变加速管内电磁场分布的装置。它的目的在于保持加速管聚束段（靠近电子枪的一小段）场分布不变的前提下，改变其后的主加速段（电子速度接近光速）内的场强，从而在大范围改变加速管出口能量的同时保证其能谱不变。它的工作方式通常是通过某种方式改变加速管中的某一个谐振腔的谐振状态，从而改变整个谐振腔链的电磁场分布。
　　微波领域好像没有专门给它的学术名词，也许叫模式转换器更接近一些吧。
　　高剂量率的低能X线档在某些治疗中很有用。为了在低能X线档能得到较高的剂量率，必须使加速管的设计尽量达到最优化。改变SW加速管电子束能量的方法。最简单的方法就是改变输入到加速管的RF功率或者改变注入加速管的电子束流大小。但是，这些方法只能在较小的范围内改变电子的能量，超过了这个范围，电子的能谱性能马上就下降了。另一种方法是使RF源频率失谐或部分加速腔失谐。但这种方法会使系统的稳定性变差。在大范围内改变电子束能量的一种现实方法就是利用同一RF源提供不同相位和幅度的激励信号激发各个加速腔，然而这种结构的加速管变得非常庞大、复杂和昂贵。在高能驻波加速管中，现在更多采用的是“能量开关”。
　　“能量开关”技术，就是在加速管的群聚段和主加速段之间的某个耦合腔中插入一个调节机构，通过调节其参数使主加速段的加速场强可以在大范围内变化。而群聚的场强基本不变。Varian公司和日本电气株式会社在20世纪70年代中期就开始研究这种能量开关技术。能量开关有以下几个优点：
　　（1） 射束能谱宽度减小。这样就允许在偏转系统中使用更窄的能量缝，提高能量的稳定性和能谱特性。
　　（2） RF场相位变化对电子注能量的影响变小。
　　（3） 建立RF加速场所需的RF脉冲功率降低，有利于微波源的设计。
　　能量开关是在第一部分和第二部分之间使用结构精巧的能量开关减小进入第二部分的RF功率从而减小了第二部分的电场的强度，这样一来群聚电子注从加速场得到的能量较小。这种方法有利于减小脉冲功率和维持最小的射束能散。
　　能量开关可以采用非接触方法或缩短方法。非接触方法使用比较多，因为它允许传输的RF功率大，同时又可以维持第二部分具有较低的加速场。缩短方法可分为单边腔和双边腔缩短方法，在单耦合腔加速管中会引起射束在第二部分激发电场，使它在充电过程建立起减速电场。这就减少了符合射束能散度要求脉冲的宽度，降低X线的剂量率。对于对称的双边耦合腔结构加速管，可以通过缩短其中一个边腔，另一个腔不变来将加速器从高能模式切换到低能模式，反之亦然。
　　最简单的边耦合加速器，由两个轴向腔和一个作为能量开关的边耦合腔链组成，工作在Π/2模式。如果在耦合腔中加入纵向不对称的能量开关，开关杆一边长、一边短，则可以在保持谐振率恒定的情况下激发出纵向非对称的RF场，它从边腔耦合到轴向腔，短杆的磁耦合明显减弱而长杆的则明显增强。将这种边腔安装在边耦合加速管的特定部位，就可以在保持π/2工作模式的同时改变群聚段和主加速段加速场的比例，从而将主加速段的场强从高能模式转到低能模式而维持群聚腔的场强不变。
　　早期的能量开关因为有一些部件必须在真空中运动，因而存在可靠性的问题。同时也增加了维修的难度。
　　我国在能量开关技术的研究方面，落后国外十余年。目前在轴耦合加速管的能量开关方面，清华大学和机电部12所联合取得了一定的成绩，其研制的能量开关，结构包括包括步进电机、蜗轮蜗杆变速机构、滚珠丝杠、波纹软管、能量调变杆和腔壁隔板。其中的腔壁隔板的中心部分为突起鼻锥，外圈及中心设有冷却水路，圆周上设有轴向呈９０°交错排列的肾形耦合孔，能量调变杆插入肾形耦合孔中。经过试验测试，基本满足调节能量的要求，但是目前的技术进展，距离市场化还有一定的距离。在边耦合加速管方面，我们也有一定的进展。

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