操作行波線性加速器的方法及行波線性加速器的制造方法
【專利摘要】操作行波線性加速器的方法及行波線性加速器。方法包括：將第一電磁波從電磁波源耦合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端，第一電磁波在行波線性加速器的加速器結(jié)構(gòu)中具有第一振幅和第一頻率；通過利用第一電磁波加速第一電子束從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端生成具有第一能量的第一電子輸出；以及使用與加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端相接的頻率控制器來監(jiān)測第一電磁波的第一相移，其中頻率控制器將第一電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸入端處的相位與第一電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近的相位相比較，其中基于第一相移，頻率控制器將第一信號發(fā)送給振蕩器，并且其中基于第一電磁波的第一相移的幅度，振蕩器使得電磁波源生成第二電磁波，第二電磁波在加速器結(jié)構(gòu)中具有第二頻率。
【專利說明】操作行波線性加速器的方法及行波線性加速器
[0001]本申請是申請日為2010年01月25日、申請?zhí)枮?01080005576.7、發(fā)明名稱為“包
括用于交織多能量操作的頻率控制器的行波線性加速器”的中國專利申請的分案申請。
[0002]相關(guān)申請的交叉引用
[0003]該申請要求2009年10月16日提交的美國專利申請N0.12/581，086 ;2009年I月26日提交的美國臨時申請N0.61/147,447 ;以及2009年8月12日提交的美國臨時申請N0.61/233，370的權(quán)益；每個申請的整體內(nèi)容以引用方式并入與此。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0004]本發(fā)明涉及包括頻率控制器的行波線性加速器的交織操作用于生成至少兩個不同能量范圍的電子的系統(tǒng)和方法?？梢允褂秒娮觼砩芍辽賰蓚€不同能量范圍的X光。
【背景技術(shù)】
[0005]典型地使用大型集裝箱在國際和國內(nèi)運送物品。根據(jù)港口的程序加載和卸載這些集裝箱的數(shù)量。由于在港口接收的大量集裝箱，所以港口檢查員有可能無法打開集裝箱來檢查其內(nèi)含物。這會引起安全風(fēng)險。
[0006]為了解決不能打開和檢查運輸集裝箱的內(nèi)含物所引起的安全風(fēng)險，已經(jīng)開發(fā)貨物檢查裝置，在無需檢查員打開集裝箱的情況下掃描集裝箱的內(nèi)部。傳統(tǒng)貨物檢查裝置使用能夠穿透集裝箱來識別其內(nèi)含物的X光束或伽馬光束執(zhí)行運輸集裝箱的放射鏡檢查。為了檢查裝滿的運輸集裝箱，由于加速器提供的高能量輸出(以及由此的更大的穿透性)，典型地使用利用加速器產(chǎn)生X光束的貨物檢查裝置。
[0007]典型地，在貨物檢查系統(tǒng)中使用的線性加速器配置成產(chǎn)生單能量X光束。檢測器接收穿過運輸集裝箱沒有被吸收或散射的單能量X光束，并且產(chǎn)生運輸集裝箱的內(nèi)含物的圖像。可以將圖像顯示給檢查員從而檢查員可以執(zhí)行對內(nèi)含物的視覺檢查。
[0008]一些貨物檢查裝置使用配置成發(fā)出兩個不同能級X光束的雙能量線性加速器。借助雙能量X光檢查系統(tǒng)，可以通過利用兩個不同能量的X光束輪流照射物品來射頻識別材料。雙能量X光檢查系統(tǒng)可以確定材料的質(zhì)量吸收系數(shù)，以及由此確定材料的有效原子(Z)數(shù)。通過將利用低能量X光照射集裝箱獲得的衰減率與利用高能量X光照射集裝箱獲得的衰減率相比較來實現(xiàn)區(qū)分。區(qū)分是有可能的，這是因為不同的材料對于高能量X光和低能量X光具有不同的衰減程度，允許識別集裝箱中低Z數(shù)材料(諸如但不限于有機材料)、中Z數(shù)材料(諸如但不限于過渡金屬)以及高Z數(shù)材料(諸如但不限于放射材料)。這種系統(tǒng)因此可以提供貨物內(nèi)含物的圖像并且識別組成貨物內(nèi)含物的材料。
[0009]檢測被掃描的材料的Z數(shù)的雙能量X光檢查系統(tǒng)的能力使得這種檢查系統(tǒng)能夠自動檢測集裝箱中的不同材料，包括放射材料和諸如但不限于可卡因和大麻之類的違禁品。然而，傳統(tǒng)的雙能量X光檢查系統(tǒng)使用易受到頻率和功率起伏和溫度抖動影響的駐波線性加速器，在運行來將電子加速到低能量時引起來自線性加速器的光束能量不穩(wěn)定。能量起伏和抖動會產(chǎn)生圖像偽像，造成待識別的掃描材料的不正確的Z數(shù)。這會引起錯誤虛警(即使不存在目標材料，也識別出目標材料)和錯誤漏警(即使存在目標材料，也沒有識別出目標材料)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]如本文所披露的，提供了一種行波線性加速器，包括具有輸入端和輸出端的加速器結(jié)構(gòu)；電磁波源，耦合到加速器結(jié)構(gòu)來把電磁波提供給加速器結(jié)構(gòu)；以及頻率控制器，與加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端相接?？梢允褂妙l率控制器來將電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的相位與電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的相位相比較來檢測電磁波的相移。頻率控制器將信號發(fā)送給振蕩器，并且基于頻率控制器所檢測的相移幅度，振蕩器可以使得電磁波源生成修正頻率下的后續(xù)電磁波。電磁波源可以是速調(diào)管。
[0011]頻率控制器可以操作地連接到振蕩器，頻率控制器可以發(fā)送信號來調(diào)整振蕩器的頻率設(shè)置，并且振蕩器可以生成使得電磁波源生成修正頻率下的后續(xù)電磁波的頻率信號。在另一示例中，來自振蕩器的頻率信號可以經(jīng)過放大器放大，并且放大器可以將經(jīng)過放大的頻率信號提供給電磁波源。行波線性加速器可以進一步包括電子槍，該電子槍耦合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端從而將一個或多個電子束提供給加速器結(jié)構(gòu)。
[0012]還提供了一種操作行波線性加速器的系統(tǒng)和方法。示例的系統(tǒng)和方法可以包括使用電磁波源所提供的第一電磁波把來自電子槍的第一電子束加速到第一能量，其中頻率控制器監(jiān)測第一電磁波的第一相移，并且基于第一相移的幅度將第一信號發(fā)送給振蕩器。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括使用電磁波源提供的并且具有不同于第一電磁波的振幅和相位速度的第二電磁波把來自電子槍的第二電子束加速到不同于第一能量的第二能量，其中頻率控制器監(jiān)測第二電磁波的第二相移，并且基于第二相移的幅度將第二信號發(fā)送給振蕩器。第一能量和第二能量可以交織。第一電子束可以以第一能量從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端發(fā)出并且與目標接觸從而產(chǎn)生第一 X光能量范圍內(nèi)的第一 X光束。第二電子束可以以第二能量從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端發(fā)出并且與目標接觸從而產(chǎn)生第二 X光能量范圍內(nèi)的第二 X光束。
[0013]另外，提供了一種操作行波線性加速器的系統(tǒng)和方法，包括將具有第一頻率和第一振幅的第一電磁波從電磁波源耦合到行波線性加速器的加速器結(jié)構(gòu)的輸入端，通過利用電磁波將電子槍注入到加速器結(jié)構(gòu)的第一電子束加速到第一能量，以及使用與所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端相接的頻率控制器來監(jiān)測所述電磁波的第一相移。頻率控制器可以將所述電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端處的相位與所述電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端處的相位相比較來監(jiān)測第一相移。頻率控制器可以將第一信號發(fā)送給第一振蕩器，并且基于頻率控制器所檢測的電磁波的相移的幅度，所述第一振蕩器可以使得所述電磁波源生成校正頻率下的后續(xù)電磁波。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括以第一能量從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端發(fā)出第一電子束并且將第一電子束與目標接觸從而產(chǎn)生第一 X光能量范圍內(nèi)的第一 X光束。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括將來自電磁波源的具有第二頻率和第二振幅的修正電磁波耦合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端，利用修正的電磁波將電子槍注入到加速器結(jié)構(gòu)中的第二電子束加速到不同于第一能量的第二能量，并且使用頻率控制器監(jiān)測修正的電磁波的第二相移。頻率控制器可以將修正的電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的相位與修正的電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的相位相比較來監(jiān)測第二相移并且將第二信號發(fā)送給第二振蕩器?；谛拚碾姶挪ǖ牡诙嘁频姆?，第二振蕩器可以使得電磁波源生成校正頻率下的后續(xù)的修正的電磁波。第一能量和第二能量可以交織。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括以第二能量從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端發(fā)出第二電子束并且將第二電子束與目標接觸從而產(chǎn)生第二 X光能量范圍內(nèi)的第二X光束。電磁波源可以是速調(diào)管。
[0014]還提供了一種操作行波線性加速器的系統(tǒng)和方法，包括將在行波線性加速器的加速器結(jié)構(gòu)中具有第一振幅和第一頻率的第一電磁波從電磁波源稱合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端，通過使用第一電磁波加速第一電子束從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端生成具有第一能量的第一電子輸出，并且使用與加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端相接的頻率控制器監(jiān)測第一電磁波的第一相移。頻率控制器可以將第一電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的相位與第一電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的相位相比較并且將第一信號發(fā)送給振蕩器?；诘谝浑姶挪ǖ牡谝幌嘁频姆?，振蕩器可以使得電磁波源生成第二頻率下的第二電磁波。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括將第一電子輸出與目標接觸從而產(chǎn)生第一 X光能量范圍內(nèi)的第一 X光束。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括將在加速器結(jié)構(gòu)中具有第三振幅和第三振幅的第三電磁波從電磁波源耦合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端，并且通過使用第三電磁波加速第三電子束生成具有不同于第一能量的第三能量的第三電子輸出，并且使用頻率控制器監(jiān)測第三電磁波的第三相移。頻率控制器可以將第三電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的相位與第三電磁波在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的相位相比較并且將信號發(fā)送給振蕩器?；陬l率控制器所檢測的第三電磁波的相移的幅度，振蕩器可以使得電磁波源生成第四頻率下的第四電磁波。所述系統(tǒng)和方法可以進一步包括將第三電子輸出與目標接觸從而生成第三X光能量范圍內(nèi)的第三X光束。電磁波源可以是速調(diào)管。
[0015]同樣如本文所披露的，提供了一種行波線性加速器，包括具有輸入端和輸出端的加速器結(jié)構(gòu)，電磁波源，耦合到加速器結(jié)構(gòu)來將電磁波提供給加速器結(jié)構(gòu)，電子能量譜監(jiān)測器，位于加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近，以及頻率控制器，與電子能量譜監(jiān)測器相接。電子能量譜監(jiān)測器提供(a)來自加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第一電子輸出的第一能量譜的指示，其中使用具有第一振幅和第一頻率的第一電磁波在加速器結(jié)構(gòu)中加速第一電子輸出，以及(b)來自加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第二電子輸出的第二能量譜的指示，其中使用具有第二振幅和第二頻率的第二電磁波在加速器結(jié)構(gòu)中加速第二電子輸出。第一振幅可以具有與第二振幅大致相同的幅度。第一頻率可以具有不同于第二頻率的幅度。頻率控制器可以將第一能量譜的指示與第二能量譜的指示相比較并且基于比較將信號發(fā)送給振蕩器。振蕩器可以使得電磁波源生成第三頻率和第三振幅下的第三電磁波從而將使用第三電磁波加速第三電子輸出的能量最大化并且由此穩(wěn)定。第三振幅可以具有與第一振幅大致相同的幅度。
[0016]還提供了一種行波線性加速器，包括具有輸入端和輸出端的加速器結(jié)構(gòu)，電磁波源，耦合到加速器結(jié)構(gòu)來將電磁波提供給加速器結(jié)構(gòu)，X光產(chǎn)量監(jiān)測器，位于加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近，以及頻率控制器，與X光產(chǎn)量監(jiān)測器相接。X光產(chǎn)量監(jiān)測器提供(a)第一 X光束在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第一產(chǎn)量的指示，其中使用通過具有第一振幅和第一頻率的第一電磁波在加速器結(jié)構(gòu)中加速的第一電子集來生成第一 X光束，以及(b)第二 X光束在加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第二產(chǎn)量的指示，其中使用通過具有第二振幅和第二頻率的第二電磁波在加速器結(jié)構(gòu)中加速的第二電子集來生成第二X光束。第二振幅可以具有與第一振幅大致相同的幅度。第二頻率可以不同于第一頻率的幅度。頻率控制器可以將第一X光束的第一產(chǎn)量的指示與第二 X光束的第二產(chǎn)量的指示相比較并且基于比較將信號發(fā)送給振蕩器。振蕩器可以使得電磁波源生成第三頻率和第三振幅下的第三電磁波并且將使用通過第三電磁波在加速器結(jié)構(gòu)中加速的第三電子集所生成的第三X光束的產(chǎn)量最大化。第三振幅可以具有與第一振幅大致相同的幅度。
[0017]還提供了用于調(diào)整行波線性加速器的系統(tǒng)和方法，包括提供LINAC中的相位速度范圍和振幅的電磁波，通過使用電磁波加速電子束來生成具有第一能級的第一 X光束，通過調(diào)整振幅和相位速度來修正電磁波，以及通過使用修正的電磁波加速電子束來生成具有第二能級的第二 X光束。
[0018]附圖簡述
[0019]在附圖中以示例方式而非限定方式圖示了本發(fā)明。
[0020]圖1圖示了多能量行波線性加速器的框圖；
[0021]圖2圖示了耦合到加速器結(jié)構(gòu)的目標結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0022]圖3圖示了在加速器結(jié)構(gòu)中的三個不同區(qū)域重疊電磁波的電子聚束；
[0023]圖4圖示了電子束通過聚束器之后的示例的TW LINAC的擴散曲線；
[0024]圖5圖示了高效率磁耦合的凹狀空腔行波LINAC的擴散曲線；
[0025]圖6圖示了在TW LINAC的加速器結(jié)構(gòu)中三個不同區(qū)域重疊電磁波的電子聚束；
[0026]圖7圖示了包括頻率控制器的TW LINAC的框圖；
[0027]圖8圖示了包括頻率控制器的TW LINAC的另一框圖；
[0028]圖9示出了包括頻率控制器的TW LINAC的操作的流程圖；
[0029]圖10示出了用于包括頻率控制器的TW LINAC的操作的示例計算機結(jié)構(gòu)的框圖；
[0030]圖11圖示了來自PARMELA仿真的第一組的四個曲線；
[0031]圖12圖示了 6MeV光束的結(jié)果，其中對于6MeV光束和9MeV光束來說頻率相同；
[0032]圖13圖示了 6.3MeV的結(jié)果，其中對于6.3MeV光束和9MeV光束來說頻率相同。
[0033]發(fā)明詳述
[0034]對于配置成生成多個不同能量的加速器來說，加速器應(yīng)當(dāng)在各個能級單獨調(diào)節(jié)從而在最高能級提供最大效率，以及在各個能級使得穩(wěn)定性最大化。以下章節(jié)描述了可以在多個不同能級調(diào)節(jié)從而提供高穩(wěn)定、高效率X光束的行波線性加速器(TW LINAC)。在各個能級，可以通過改變由速調(diào)管提供的射頻(RF)電磁波的頻率和振幅以及電子槍注入的電子數(shù)來調(diào)節(jié)X光束。電磁波在本文也被稱為載波。電磁波(即，載波)在加速器結(jié)構(gòu)內(nèi)加速電子聚束從而生成X光束。改變電磁波的頻率和振幅使得電子聚束平均來說能夠針對多個不同能級保留在電磁波的波峰。這可以減小TW LINAC對RF電磁波的振幅和頻率的起伏，電子槍高壓的起伏以及加速器結(jié)構(gòu)的溫度抖動的影響，并且可以在各個能級使得效率最大化。
[0035]6.1多能量行波線性加速器架構(gòu)架構(gòu)
[0036]圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示例性多能量行波線性加速器的框圖。所圖示的行波線性加速器(TW LINAC)包括控制接口，用戶可以通過控制接口調(diào)整TW LINAC的設(shè)置、控制操作等?？刂平涌谂c可編程邏輯控制器(PLC)和/或連接到信號底板的個人計算機(PC)?；趶腜LC、PC和/或控制接口接收的指令，信號底板將控制信號提供給TWLINAC的多個不同的部件。
[0037]頻率控制器I從信號底板接收相位跟蹤和調(diào)節(jié)控制信息。頻率控制器I可以配置成工作在單個頻率設(shè)置或者在兩個或多個不同的頻率設(shè)置之間交替。例如，頻率控制器I可以配置成每秒400次地在9290Hz的頻率和9291Hz的頻率之間交替?？商娲?，頻率控制器I可以配置成在多于兩個不同頻率之間交替。在示例中，基于通過相同能量的前一脈沖上的TW LINAC的頻率的測量相移與針對下一脈沖的能量的設(shè)置點的對比，頻率控制器I調(diào)整振蕩器2的設(shè)置。通過修正振蕩器2所生成的RF信號的頻率，頻率控制器I可以逐脈沖地改變速調(diào)管6所產(chǎn)生的電磁波(載波)的頻率。可以實現(xiàn)10，000中一個或多個部分的量級下的頻移。
[0038]頻率控制器I可以是相位檢測頻率控制器，并且可以使用相位對頻率響應(yīng)來建立正確頻率設(shè)置。通過監(jiān)測和校正從加速器的輸入端到輸出端的相移，頻率控制器I可以校正加速器結(jié)構(gòu)8的RF頻率或溫度的中等和緩慢漂移。頻率控制器I可以作為自動頻率控制(AFC)系統(tǒng)工作。在示例中，頻率控制器I可以是多頻率控制器，并且可以工作在各個不同頻率的設(shè)置點，各個頻率與各個不同能量相關(guān)聯(lián)。在下面的章節(jié)6.3進一步討論包括AFC的頻率控制器。
[0039]振蕩器2生成具有頻率控制器I所提供的頻率的RF信號。振蕩器2是可以快速進行頻率(例如，在速調(diào)管調(diào)節(jié)器4所生成的脈沖之間)移位的穩(wěn)定的低水平可調(diào)節(jié)RF源。振蕩器2可以生成毫瓦級的RF信號。RF信號經(jīng)過放大器3 (例如，40瓦放大器)放大，并且提供給速調(diào)管6。放大器3可以是固態(tài)放大器或者行波管(TWT)放大器，并且可以將接收的RF信號放大到用于輸入到速調(diào)管6所需的水平。在示例中，放大器3可以配置成將輸出功率水平逐脈沖地變成適合于即將到來的LINAC脈沖的水平。可替代地，速調(diào)管調(diào)節(jié)器4可以將不同的高壓脈沖輸送到用于所需要的各個光束能量的速調(diào)管6。
[0040]速調(diào)管調(diào)節(jié)器4從信號底板接收加熱器和高壓(HV)水平控制，觸發(fā)脈沖和延遲控制，啟動和復(fù)位，以及感測和互鎖信號。速調(diào)管調(diào)節(jié)器4能夠生成高峰值功率脈沖到脈沖轉(zhuǎn)換器。速調(diào)管調(diào)節(jié)器4的有效輸出功率是高壓輸出脈沖的平坦頂部的功率。速調(diào)管調(diào)節(jié)器4可以配置成在頻率控制器I中的每個頻率變化生成新脈沖。例如，在頻率控制器I使得振蕩器2生成具有第一頻率的RF信號時可以生成第一脈沖，在頻率控制器I使得振蕩器2生成具有第二頻率的RF信號時可以生成第二脈沖，以及在頻率控制器I使得振蕩器2生成具有第一頻率的RF信號時可以生成第三脈沖，以此類推。
[0041]速調(diào)管調(diào)節(jié)器4以近似為方波脈沖的重復(fù)高能量形式將能量驅(qū)動到脈沖轉(zhuǎn)換器
5。脈沖轉(zhuǎn)換器5將接收的脈沖增大到具有中等到高遞增比率的較高能量電壓脈沖。將轉(zhuǎn)換后的脈沖施加到速調(diào)管6用于生成高能量微波脈沖。速調(diào)管調(diào)節(jié)器4的輸出脈沖的上升時間由脈沖轉(zhuǎn)換器5的上升時間占主導(dǎo)，并且由此脈沖轉(zhuǎn)換器5配置成具有近似方波的快速上升時間。
[0042]速調(diào)管6為直線束真空管，其基于接收的調(diào)節(jié)器脈沖和接收的振蕩器射頻(RF)信號生成高功率電磁波(載波)。速調(diào)管6提供為線性加速器供電的驅(qū)動力。速調(diào)管6相干地放大輸入RF信號從而輸出高功率電磁波，該高功率電磁波具有精確控制的振幅、頻率以及在TW LINAC加速器結(jié)構(gòu)中的輸入到輸出相位。速調(diào)管6工作在脈沖條件下，相比較連續(xù)功率裝置，使得速調(diào)管6能夠使用較小功率源來工作并且需要較少冷卻。速調(diào)管6典型地具有百分之一或更多量級的帶寬。
[0043]速調(diào)管6為放大器，因此，速調(diào)管6所生成的輸出RF信號具有與輸入到速調(diào)管6的低功率RF信號相同的頻率。由此，可以簡單地通過改變驅(qū)動速調(diào)管6所使用的低功率RF信號的頻率實現(xiàn)驅(qū)動LINAC所使用的高功率RF電磁波的頻率。這可以借助低功率固態(tài)電子裝置在脈沖之間來簡單地執(zhí)行。類似地，可以僅通過改變放大器3的功率輸出來在脈沖之間改變來自速調(diào)管的電磁波的輸出功率。
[0044]波導(dǎo)7將速調(diào)管6耦合到TW LINAC的加速器結(jié)構(gòu)8的輸入。波導(dǎo)7包括波導(dǎo)耦合器和真空窗。波導(dǎo)7將速調(diào)管6所生成的高功率供電的電磁波(載波)輸送到加速器結(jié)構(gòu)8。波導(dǎo)7的波導(dǎo)稱合器可以將電磁波功率的一部分米樣到LINAC的輸入。包括波導(dǎo)率禹合器和真空窗的波導(dǎo)12將加速器結(jié)構(gòu)8的輸出耦合到RF負載。波導(dǎo)12的波導(dǎo)耦合器可以將電磁波功率的一部分采樣到LINAC的輸出。可以使用頻率控制器I的相位比較器將來自波導(dǎo)7的波導(dǎo)耦合器的信號與來自波導(dǎo)12的波導(dǎo)耦合器的信號相比較從而確定電磁波通過加速器結(jié)構(gòu)8的相移。頻率控制器I使用電磁波的相移確定即便要應(yīng)用于速調(diào)管的頻率校正。波導(dǎo)7或波導(dǎo)12可以是矩形或圓形金屬管，配置成在無強度明顯損失的情況下用于在LINAC中加速電子的頻率下選擇性地導(dǎo)波。金屬管可以是低Z，高傳導(dǎo)率材料，例如銅。為了給最高場梯度提供臨近最大輸入功率，波導(dǎo)耦合器可以填充SF6氣體。可替代地，波導(dǎo)可以被排空。
[0045]真空窗允許高功率電磁波進入加速器結(jié)構(gòu)8，同時將加速器結(jié)構(gòu)8的排空的內(nèi)部與充滿氣體或排空的外部分隔開。
[0046]槍調(diào)節(jié)器9控制電子槍(未示出)，電子槍將電子射入加速器結(jié)構(gòu)8中。槍調(diào)節(jié)器9從信號底板接收網(wǎng)格驅(qū)動電平和當(dāng)前反饋控制信號信息。槍調(diào)節(jié)器9進一步從信號底板接收槍觸發(fā)脈沖和延遲控制脈沖以及槍加熱器電壓和HV電平控制。槍調(diào)節(jié)器9通過指示槍何時以及如何射出來控制電子槍(例如，包括使用的重復(fù)速率以及網(wǎng)格驅(qū)動電平)。槍調(diào)節(jié)器9可以使得電子槍以對應(yīng)于速調(diào)管6所提供的高功率電磁波(載波)的脈沖重復(fù)速率的脈沖重復(fù)速率來射出電子。
[0047]示例電子槍包括陽極、網(wǎng)格、陰極和燈絲。加熱燈絲使得陰極釋放電子，電子以高速遠離陰極并且向著陽極加速。陽極可以將發(fā)射電子流聚焦成直徑受控的光束。網(wǎng)格可以位于陽極和陰極之間。
[0048]電子槍隨后是聚束器，位于電子槍之后并且典型地與加速結(jié)構(gòu)相結(jié)合。在一個實施例中，聚束器由加速結(jié)構(gòu)的前幾個單元組成。聚束器將電子槍射出的電子封裝成聚束并且產(chǎn)生初始加速度。實現(xiàn)聚束，這是因為取決于電子接近電磁波的波峰的程度，電子從電磁波接收更多能量(更大加速度)。因此，在電磁波上重疊更高的電子趕上從而使得在電磁波上重疊較低的電子變慢。聚束器將速調(diào)管6提供的高功率電磁波施加到電子聚束從而實現(xiàn)電子聚束和初始加速度。
[0049]高功率電磁波經(jīng)由波導(dǎo)7從速調(diào)管6注入到加速器結(jié)構(gòu)8中。待加速的電子通過電子槍注入到加速器結(jié)構(gòu)8中。電子進入加速器結(jié)構(gòu)8中并且典型地在加速器結(jié)構(gòu)8(可以包括聚束器)的前幾個單元中形成聚束。加速器結(jié)構(gòu)8為真空管，包括一系列由光圈分隔開的調(diào)節(jié)空腔。加速器結(jié)構(gòu)8的調(diào)節(jié)空腔通過導(dǎo)電材料例如銅來界定從而防止高功率電磁波的RF能量從加速器結(jié)構(gòu)8輻射掉。
[0050]調(diào)節(jié)空腔配置成管理加速器結(jié)構(gòu)8內(nèi)的電磁場的分布以及電子束內(nèi)的電子分布。高功率電磁波以與聚束的電子近似相同的速度行進，使得電子連續(xù)經(jīng)歷加速電場。在TWLINAC的第一部分中，每個后續(xù)的空腔都長于其前一空腔從而解決了增加的顆粒速度。典型地，前大約12個單元之后，電子達到光速的大約98%，并且剩余的單元都具有相同的長度?；驹O(shè)計標準是，電磁波的相位速度與加速器結(jié)構(gòu)8中出現(xiàn)加速度的位置上的顆粒速度相匹配。
[0051]—旦加速器結(jié)構(gòu)8加速電子束，電子束可以被導(dǎo)向目標，例如位于加速器結(jié)構(gòu)8最后的鎢目標。電子束對目標的轟擊生成X光束(在下面章節(jié)6.4討論)。電子可以在撞擊目標之前被加速到不同的能量。在交織操作中，電子可以交替地被加速到兩個不同的輸出能量，例如，加速到6兆電子伏特(MeV) I和9MeV?？商娲?，電子可以被加速到不同的能量。
[0052]為了實現(xiàn)輕量和致密尺寸，TW LINAC可以工作在X波段(例如，在8GHz和12.4GHz之間的RF頻率)。高工作頻率，相對于傳統(tǒng)S波段LINAC，將加速器結(jié)構(gòu)8的長度減小了大約三的倍數(shù)，對于給定數(shù)量的加速空腔，伴隨著質(zhì)量和重量的減少。結(jié)果，TW LINAC的所有主要成分可以相對致密裝配地封裝?？商娲?，Tff LINAC可以工作在S波段。這種TWLINAC需要較大組件，但是可以為較高能量X光束(例如，至高到大約18MeV)提供可商購的高功率電磁波源。
[0053]聚焦系統(tǒng)10控制圍繞加速器結(jié)構(gòu)8的強大電磁體。聚焦系統(tǒng)10從信號底板接收當(dāng)前電平控制，并且控制聚焦線圈的當(dāng)前電平來聚焦通過加速器結(jié)構(gòu)8行進的電子束。聚焦系統(tǒng)10被設(shè)計成聚焦光束從而將電子集中到能撞擊目標的小區(qū)域的特定直徑的光束。光束可以通過控制提供給電磁體的電流來聚焦和對齊。在示例中，聚焦電流在脈沖之間不變化，并且電流保持在允許電磁體基本上會聚用于各個不同工作能量的光束的值。
[0054]六氟化硫(SF6)控制器控制可以抽送到波導(dǎo)中的SF6氣體的量(例如，在特定氣壓下)。SF6控制器從底板接收氣壓控制信息并且使用接收的信息來控制提供給波導(dǎo)的SF6氣體的氣壓。SF6氣體為強負電分子，賦予它用于自由電子的親和力。因此，SF6氣體用作電介質(zhì)氣體和絕緣材料，并且可以提供給波導(dǎo)7和波導(dǎo)12從而熄滅可能發(fā)生的電弧。SF6氣體增加可以通過
[0055]I 一個電子伏特等于1.602x10-19焦耳。因此，6MeV=9.612x10-13焦耳。
[0056]波導(dǎo)7發(fā)射的峰值功率的量，并且可以增加TW LINAC的電壓等級。
[0057]真空系統(tǒng)(例如，離子泵真空系統(tǒng))可用來在速調(diào)管6和加速器結(jié)構(gòu)8中保持真空。真空系統(tǒng)也可以用來在波導(dǎo)7的部分中生成真空。在空氣中，強烈電和磁場引起電弧，破壞微波，并且可以損壞速調(diào)管、波導(dǎo)或加速器結(jié)構(gòu)。另外，在加速器結(jié)構(gòu)8內(nèi)，與空氣分子撞擊的任何光束被碰撞出光束聚束并且損耗。排空腔室防止或者最小化這種情況發(fā)生。
[0058]真空系統(tǒng)可以將當(dāng)前真空水平(氣壓)報告給信號底板。如果速調(diào)管6或加速器結(jié)構(gòu)8的氣壓超過氣壓閾值，真空系統(tǒng)可以將命令發(fā)送給信號底板從而中斷速調(diào)管6直到達到可接受的真空水平。
[0059]Tff LINAC的許多部件會發(fā)熱。例如由于加速器結(jié)構(gòu)8末端的目標的電子撞擊以及速調(diào)管6引起加速器的內(nèi)壁上的電磁波功率損失，所以會發(fā)熱。由于溫度增加引起金屬膨脹，所以溫度變化影響加速器結(jié)構(gòu)、速調(diào)管、波導(dǎo)等內(nèi)的腔體的大小和形狀。這會引起光波與光束同步的頻率隨溫度變化。加速器的正確操作需要仔細維護與光束聚束的通道的腔體同步頻率。因此，使用冷卻系統(tǒng)11保持恒定溫度并且最小化同步頻率的漂移。[0060]冷卻系統(tǒng)11將水或冷卻液循環(huán)到需要冷卻的區(qū)域，例如速調(diào)管6和加速器結(jié)構(gòu)8。通過信號底板，冷卻系統(tǒng)11接收水流速率以及溫度控制信息。冷卻系統(tǒng)11可以用來監(jiān)測速調(diào)管6和加速器結(jié)構(gòu)8的溫度，并且可以配置成在這些部件中保持恒定溫度。然而，加速器結(jié)構(gòu)和速調(diào)管的金屬溫度在LINAC工作在高重復(fù)速率時可能升高10度，這可能弓I起電磁波的漂移。頻率控制器可以用來補償漂移的影響。
[0061]圖2圖示了耦合到加速器結(jié)構(gòu)8 (部分示出)的目標結(jié)構(gòu)20的截面圖。目標結(jié)構(gòu)
20包括目標22來執(zhí)行電子能量到X光的主要轉(zhuǎn)換。目標22例如可以是鎢和錸的合金，其中鎢是X光的主要來源，錸提供導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。通常，目標22可以包括一個或多個目標材料，具有近似大于或等于70的原子數(shù)從而提供有效的X光生成。在示例中，X光目標可以包括低Z材料，諸如但不限于銅，其可避免或最小化被輸出電子碰撞時中子的生成。
[0062]在來自電子束的電子進入目標時，它們以熱量和X光(光子)的形式放出能量，并且失去速度。在操作中，加速的電子束碰撞到目標上，生成軔致輻射和k核X光(見以下章節(jié)
6.4) ο
[0063]目標22可以安裝在金屬夾具24中，可以是良好導(dǎo)熱體和導(dǎo)電體，諸如銅。夾具24可以包括電子收集器26來收集在目標22中沒有被阻止和/或在目標22中生成的電子。收集器26可以是電子吸收材料模塊，諸如基于導(dǎo)電石墨的化合物。通常，收集器26可以由原子數(shù)大約小于或等于6的一個或多個材料組成從而提供對目標22所生成的X光的電子吸收性和透光性。收集器26可以通過絕緣層28 (例如，陽極氧化鋁層)與夾具電隔離。在示例中，收集器26為重陽極氧化鋁塊。
[0064]準直儀29可以附接到目標結(jié)構(gòu)。準直儀29將X光束形成為適當(dāng)形狀。例如，如果使用TW LINAC作為貨物檢查系統(tǒng)的X光源，準直儀29可以將光束形成扇形。X光束隨后可以穿透目標(例如，貨物集裝箱)，并且目標相反端的檢測器可以接收沒有被吸收或散射的X光?？梢允褂媒邮盏腦光來確定目標特性(例如，貨物集裝箱的內(nèi)含物)。
[0065]可以使用X光強度監(jiān)測器31監(jiān)測X光在工作期間的光量(見圖2)。X光強度監(jiān)測器31的非限定示例是離子腔。X光強度監(jiān)測器可以位于X光源處或附近，例如，朝向目標。在一個實施例中，基于X光強度監(jiān)測器31從LINAC的一個脈沖到另一個脈沖的測量，頻率控制器可以向一個或多個振蕩器發(fā)送信號以使得電磁波源生成某一頻率和幅度的電磁波從而使得X光在某個能量上的光量最大化。
[0066]頻率控制器I可以與X光強度監(jiān)測器31相接。頻率控制器I可以用來監(jiān)測來自X光強度監(jiān)測器(提供X光量的指示)的測量值并且使用該信息為振蕩器提供信號。振蕩器可以調(diào)節(jié)電磁波源以基于來自頻率控制器的信號生成某個頻率的電磁波。在實施例中，頻率控制器可以配置成將來自X光強度監(jiān)測器的指示在理想的X光能量范圍內(nèi)發(fā)射的第一X光束的光量的測量值與來自X光強度監(jiān)測器的指示在該X光能量范圍內(nèi)的第二 X光束的光量的測量值相比較?？梢允褂秒姶挪ㄔ诩铀倨鹘Y(jié)構(gòu)中加速的電子集生成第二X光束，該電磁波具有與第一 X光束的生成中使用的電磁波的振幅大致相同。例如，如果電磁波在幅度上相差小于大約0.1%,小于大約1%,小于大約2%,小于大約5%,小于大約10%或更多，電磁波可以具有大致相同的振幅。輸送到LINAC用于生成第二 X光束的電磁波的頻率在幅度上可以與輸送到LINAC用于生成第一 X光束的電磁波的頻率相差很小量(δ f)。例如，δ f為在kHz頻率中大約10000中的一個或幾個的量級的差別。在一些實施例中，Sf可以為大約0.0OOOOIMHz或更多，大約0.0000IMHz或更多，大約0.0OlMHz或更多，大約0.0lMHz或更多，大約0.03MHz或更多，大約0.05MHz或更多，大約0.08MHz或更多，大約0.1MHz或更多，或大約0.15MHz或更多的量級的差別。頻率控制器可以向振蕩器發(fā)送信號，從而振蕩器使得電磁波源生成某個頻率的后續(xù)電磁波從而在LINAC的后續(xù)操作中使得X光量最大化。
[0067]頻率控制器可以通過監(jiān)測⑴電磁波從加速器結(jié)構(gòu)的輸入到輸出的相移和(ii)來自X光強度監(jiān)測器的光量來調(diào)節(jié)電磁波的頻率。
[0068]在另一實施例中，頻率控制器也可以與電子能量譜監(jiān)測器27相接(見圖2)。電子能量譜監(jiān)測器的非限定示例為電子電流監(jiān)測器。例如，電子電流監(jiān)測器可以配置成測量到達目標組件中的電子電流收集器26的電流(見圖2)。電子能量譜監(jiān)測器可以位于加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近。電子能量譜監(jiān)測器可以用來監(jiān)測對于LINAC的給定脈沖的電子輸出的電子電流?；趤碜噪娮幽芰孔V監(jiān)測器的測量值，頻率控制器向振蕩器發(fā)送信號，從而振蕩器將電磁波源調(diào)節(jié)到期望頻率。在該實施例中，頻率控制器可以配置成將來自加速器結(jié)構(gòu)的輸出的第一電子輸出的第一能量譜的指示與來自加速器結(jié)構(gòu)的輸出的第二電子輸出的第二能量譜的指示相比較，并且基于比較值向振蕩器發(fā)送信號。例如，頻率控制器可以配置成將來自LINAC的一個脈沖的第一電子輸出的第一電子電流與來自另一脈沖的第二電子輸出的電子電流相比較?？梢允褂门c生成第一電子輸出所使用的大致相同的振幅的電磁波來生成第二電子輸出。例如，如果電磁波在幅度上差別小于大約0.1%，小于大約1%，小于大約2%，小于大約5%，小于大約10%或更多，則它們可以具有大致相同的幅度。輸送到LINAC的用于生成第二電子輸出的電磁波的頻率可以與輸送到LINAC用于生成第一電子輸出的電磁波的頻率在幅度上相差很小量(S f)。例如，δ f為在kHz頻率的10000中的大約一個或幾個的量級的差別。在一些實施例中，δ f可以是大約0.000001MHz或更多，大約
0.0000 IMHz或更多，大約0.0OlMHz或更多，大約0.0lMHz或更多，大約0.03MHz或更多，大約0.05MHz或更多，大約0.08MHz或更多，大約0.1MHz或更多，或大約0.15MHz或更多的量級的差別?；趤碜灶l率控制器的信號，振蕩器可以使得電磁波源生成某一頻率的后續(xù)的電磁波從而穩(wěn)定后續(xù)電子輸出的能量。
[0069]在實施例中，頻率控制器可以通過監(jiān)測(i)電磁波從加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端的相移和(ii)電子輸出的電子電流來調(diào)節(jié)電磁波的頻率。
[0070]在另一實施例中，頻率控制器可以主要通過監(jiān)測來自加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端的電磁波的相移來調(diào)節(jié)電磁波源，并且作為輔助方法可以監(jiān)測X光強度監(jiān)測器的光量以及電子輸出的電子電流。
[0071]頻率控制器可以配置成基于對相位、X光量、和/或如上所述來自LINAC的脈沖的輸出電子的能量譜的監(jiān)測來在迭代處理中調(diào)節(jié)電磁波源的頻率。即，頻率控制器可以配置成在迭代處理中調(diào)節(jié)電磁波源，從而，借助給定操作能量的LINAC的各個后續(xù)脈沖，X光量進一步提高直到它到達最大或者保持在最大，或者電子輸出的能量譜的穩(wěn)定度進一步提高或保持。
[0072]6.2多能量行波線性加速器操作原理
[0073]在單能量LINAC中，加速器結(jié)構(gòu)8配置成使得電子聚束通過加速器結(jié)構(gòu)8重疊在高能量電磁波的波峰，除了加速器結(jié)構(gòu)8的包括聚束器的前幾個單元之外。可以通過確保電磁波的能量場保持與被加速的電子聚束同相來實現(xiàn)這一點。重疊在電磁波的波峰的電子聚束比離開波峰的電子聚束接收更多能量，這提高了 LINAC的效率。而且，電磁波的峰值為O斜率。因此，如果發(fā)生起伏使得電子聚束離開波峰，則給予電子聚束的能量僅改變極小的量?；谶@些原因，理想的是使得電子聚束重疊在電磁波的波峰。
[0074]圖3圖示了在加速器結(jié)構(gòu)的開始(僅在離開聚束器之后)，在加速器結(jié)構(gòu)的中間，以及在加速器結(jié)構(gòu)的最后(僅在撞擊目標之前)重疊電磁波32 (也稱為載波)的電子聚束30。圖3圖示了 LINAC的更高能量操作，其中電子聚束30可以在加速器結(jié)構(gòu)的各個區(qū)域大致重疊在電磁波32的波峰(大致同步)。
[0075]在多能量LINAC中，加速器結(jié)構(gòu)典型地配置成使得電子聚束30以較高能量操作重疊在高能量電磁波32的波峰，如在圖3所示。然而，為了在電子束上給予較少能量用于較低能量操作，可以通過減小速調(diào)管6的輸出功率來減小電磁波的強度(振幅)(例如，通過減小到速調(diào)管6的輸入驅(qū)動功率或通過減小速調(diào)管高壓脈沖)。作為在用于較低能量操作的電子束上給予較少能量的另一示例，也可以通過有效地增大來自電子槍的光束電流(稱為光束加載)(在下面章節(jié)6.3討論)來減小電磁波所賦予的加速度。較低強度電磁波比較高強度電磁波以更低的速率加速電子聚束。因此，在降低RF場振幅來降低X光束的能量時，電子聚束在聚束器中并非快速地獲得能量并且因此在聚束器的最后結(jié)束在波峰之后。這使得電子聚束在加速器結(jié)構(gòu)的聚束器區(qū)域最后落入波峰之后。如果RF頻率對于低能級與高能級相同，則聚束將在加速器結(jié)構(gòu)中保持在波峰之后，得到不理想的寬能量譜。
[0076]在電子聚束沒有通過電磁波的波峰時，降低了 LINAC的效率，并且因此比另外生成較低功率X光束所必需的功率需要更大的功率。更重要的是，由于電子聚束不在波峰，所以任何起伏會使得電子聚束在電磁正弦波上向上或向下移動。由此，X光束的能量將根據(jù)RF頻率和振幅起伏和加速器結(jié)構(gòu)溫度的變化而波動。這改變了賦予電子聚束的能量的量，這引起不穩(wěn)定并且降低了所得到的X光束的可重復(fù)性。
[0077]三個典型的起伏來源包括來自RF源的頻率起伏，來自加速器結(jié)構(gòu)的溫度變化以及來自RF源的振幅起伏。所有三種起伏來源都`會引起電子聚束在電磁正弦波上向上或向下移動。另外，RF源的振幅起伏也會引起通過LINAC的加速場的振幅的起伏。
[0078]駐波LINAC具有從加速器結(jié)構(gòu)的一端到另一端的固定數(shù)量的半波長，等于諧振加速腔的數(shù)量。因此，電磁波的相位速度在駐波LINAC中不會變化。對于駐波LINAC來說，在電磁波的頻率變化時，電磁波移動離開加速器結(jié)構(gòu)的諧振頻率，并且電磁波的振幅降低。然而，相位速度仍然不變，并且加速器結(jié)構(gòu)仍然具有相同數(shù)量的半波長。因此，駐波LINAC不能調(diào)整成使得電子聚束重疊在用于多個能級的電磁波的波峰處。
[0079]行波LINACS具有以下特性，不同于具有離散模式(如在駐波LINAC中那樣)，它們具有連續(xù)通帶，其中相位速度(電磁波的速度)隨著變化頻率連續(xù)變化。在TW LINAC中，電磁波的相位速度可以隨著頻率變化而變化。
[0080]圖4圖示了用于示例性TW LINAC的擴散曲線34。圖4中的擴散曲線34繪出了用于示例性TW LINAC的角頻率(ω = 23^，其中€為加速器結(jié)構(gòu)中電磁波的頻率)對傳播常數(shù)(β =2π/λ，其中λ為加速器結(jié)構(gòu)中電磁波的波長)。傳播常數(shù)β為沿TW LINAC的Z軸每單位距離的RF電磁波的相移。TW LINAC中的電磁波的相位速度等于從原點到工作點ω，β的直線的斜率，ω/β，等于電磁波的頻率乘以波長(?λ)。如圖所示，電磁波的相位速度隨著變化頻率連續(xù)變化。群速度(電磁波脈沖傳播的速度)由dco/di3，擴散曲線的斜率給出。由以下方程給出相位S φ (Z)在角頻率δ ω的變化所引起的TW LINAC中的縱向位置ζ處的變化:
[0081 ] δ φ (ζ) = δ ω f dz/ (?ω/(1β)=δ ω / dz/Vg= δ ω tf (ζ) (I)
[0082]其中tf (ζ)為從LINAC的開始到位置ζ的填充時間。
[0083]重要的是認識到，通常對于LINAC來說，擴散曲線以及由此的相位速度和群速度可以根據(jù)單元不同而變化。在這里作為示例的TW LINAC中，對于最大能量操作來說，大多數(shù)LINAC具有等于光速的恒定相位速度。然而，把結(jié)構(gòu)設(shè)計成具有近似恒定的梯度，這意味著群速度隨著沿LINAC的距離近似線性地降低。因此，在頻率以較低能級(例如，以6MeV)改變(升高)來操作時，為了獲得最大可能的能量，在電子以近似光速行進的加速度部分內(nèi)，相位速度不再恒定。
[0084]隨著在TW LINAC中電磁波的角頻率增加，電磁波的相位速度降低。由此，如果生成高能量電子束所使用的電磁波的角頻率為ωI并且生成低能量電子束所使用的電磁波的角頻率為《2，則ω?/β?α?)的斜率將比ω 2/β 2 (L2)的斜率陡峭。因此，生成高能量X光束的電磁波的相位速度高于生成低能量X光束的電磁波的相位速度?？梢赃x擇生成高能量X光束所使用的電磁波的角頻率，使得用于電磁波通過大部分LINAC的相位速度(ω I/β I)近似等于光速。
[0085]圖5圖示了用于高效磁耦合的凹狀空腔行波LINAC的擴散曲線36。在圖5的擴散曲線36中，y軸代表角頻率而X軸代表傳播常數(shù)。如圖所示，在高效磁耦合的凹狀空腔TWLINAC配置中，相位速度隨著變化頻率連續(xù)變化。然而，圖5的擴散曲線36示出了角頻率與圖4的擴散曲線34所示的相位速度之間的不同關(guān)系。例如，在圖5的擴散曲線36中，與高能量電子束相關(guān)聯(lián)的角頻率高于與低能量電子束相關(guān)聯(lián)的角頻率。這與圖4的擴散曲線34形成相反，其中與高能量電子束相關(guān)聯(lián)的角頻率低于與低能量電子束相關(guān)聯(lián)的角頻率。角頻率與相位速度之間的關(guān) 系對于不同LINAC可以不同，并且因此用來調(diào)節(jié)TW LINAC的特定角頻率應(yīng)當(dāng)基于用于被調(diào)節(jié)的TWLINAC的角速度與相位速度之間的關(guān)系來選擇。磁耦合回波的行波恒定梯度LINAC具有并聯(lián)阻抗，其頭椎體工作在3 π /4或4 π /5附近，并且因此效率與稱合駐波加速器的空腔一樣高。
[0086]在一個實施例中，電磁波的相位速度可以調(diào)整成使得電子聚束平均來說在電磁波的波峰行進?？商娲?，電磁波的相位速度可以調(diào)整成使得電子聚束平均來說在電磁波的波峰之前行進。對于多個不同的能級，可以僅通過將電磁波的頻率改成適合水平來實現(xiàn)對相位速度的調(diào)整。可以基于如圖4和5中所示的擴散曲線來確定這種適合的水平。例如，電磁波的RF頻率可以提高從而降低波形的相位速度，使得電子聚束比波形移動更快并且隨著它通過加速器行進而向上漂移。如果RF源為速調(diào)管6，則改變TW LINAC的RF頻率容易逐脈沖地實現(xiàn)，從而允許2個或更多能量以高重復(fù)速率交織。在使用其他RF源時，也可以進行頻率改變。這個策略對于寬能量范圍(例如，包括整個單結(jié)構(gòu)X頻帶或者整個單結(jié)構(gòu)S頻帶能量范圍)也有效。
[0087]圖6圖示了在TW LINAC的加速器結(jié)構(gòu)中重疊在三個不同區(qū)域的電磁波42的電子聚束40。圖6圖示了 LINAC的較低能量操作。電子聚束在圖6中被描述為基本上是非同步的。電磁波的相位速度被調(diào)整成使得相位速度低于電子聚束的速度(例如，通過增加電磁波的RF頻率)。在該較低能量光束操作 中，電磁場會更小并且電子束在聚束器區(qū)域中加速更慢。在電子聚束離開加速器結(jié)構(gòu)的聚束器區(qū)域時，它會位于電磁波的波峰之后。在近似加速器結(jié)構(gòu)的中間，電子聚束40位于電磁波42的波峰。在加速器結(jié)構(gòu)的最后，電子聚束40位于電磁波42的波峰之前。平均來說，電子聚束40位于電磁波42的波峰。因此，電子聚束具有等于通過加速器結(jié)構(gòu)重疊在較小振幅電磁波的波峰的電子聚束的能量譜。結(jié)果，起伏不會引起電子束能量的顯著變化，并且不會引起所得到的X光束能量的顯著變化。
[0088]在一個實施例中，對于給定能級，調(diào)整相位速度使得聚束位于加速器結(jié)構(gòu)最后的波峰之前的距離與位于加速器結(jié)構(gòu)的聚束器區(qū)域的最后的波峰之后的距離一樣遠。在聚束開始處的在加速器結(jié)構(gòu)的前一半獲得比聚束最后的電子更多能量的電子的方式可以在加速器結(jié)構(gòu)的后一半中獲得較少能量，并且兩個效果抵消為第一量級。類似地，如果RF頻率起伏很小量使得電子聚束在開始處進一步落后，使得在加速器的前一半獲得較少能量，則它在第二半獲得更多能量，由此最小化能量起伏。以此方式調(diào)整頻率的凈效果是在加速器結(jié)構(gòu)的最后使得聚束內(nèi)的能量看起來好像聚束通過加速器重疊在較小振幅波形的波峰。這種頻率調(diào)整可以使得對于電磁波的特定振幅的能量增益最大(提供最大X光量)并且取決于RF功率水平減小光束能量。
[0089]在另一實施例中，相位速度調(diào)整成使得對于給定能級聚束位于加速器結(jié)構(gòu)最后的波峰之前的距離比落在加速器結(jié)構(gòu)開始的波峰之后的距離遠。換言之，將RF頻率提高到可以獲得最大X光量的點之上。這種調(diào)整可以解決基于RF源的振幅起伏引入LINAC的加速場的振幅起伏。然而，應(yīng)當(dāng)注意，相比調(diào)整相位速度，這種調(diào)整可以使得電子束和X光的能量譜更寬，使得對于給定能級，聚束位于加速器機構(gòu)最后的波峰之前的距離與位于加速器結(jié)構(gòu)開始的波峰之后的距離一樣遠。
[0090]如上所述，來自RF源的頻率起伏，來自加速器結(jié)構(gòu)的溫度變化和來自RF源的振幅起伏都使得電子聚束從電磁波的頂峰離開。然而，RF源的振幅起伏也使得通過LINAC的加速場的振幅起伏。平均來說，在調(diào)整相位速度(例如，RF頻率)來把聚束布置在電磁波頂峰之前時，可以改善加速場的振幅的起伏。也可以調(diào)整RF源的振幅來改善振幅起伏。可替代地，或者另外，可以改變LINAC的脈沖重復(fù)速率來改善起伏來源。例如，如果工作在6MeV時，存在TW LINAC所經(jīng)歷的180Hz或360Hz條紋，則脈沖重復(fù)速率可以從每秒400個脈沖(pps)到360pps從而減弱起伏。
[0091]通過將RF頻率提高到獲得最大X光量的點之上，可以明顯減小X光量的起伏。這是最優(yōu)的，這是因為在頻率上升到最大X光量點之上時，它減小了電磁波的相位速度并且平均來說在LINAC中將聚束移動到加速波峰之前。隨后，如果RF振幅起伏向上，聚束移動到波峰之前更遠，并且正弦波的向下斜率補償LINAC中加速場的增加。在一些頻率上，光束能量或X光量的衍生物相對于RF功率真正地消失。
[0092]在一個實施例中，最優(yōu)RF頻率取決于X光量起伏的三個來源的相對振幅。如果僅通過增加RF頻率將聚束移動到加速波峰之前，那么光束能量和X光量將減小。然而，可以通過以保持能量近似恒定的方式改變RF驅(qū)動的頻率和振幅將聚束移動到加速器波峰之前。在一個實施例中，在LINAC系統(tǒng)的試運行中,在光束能量分光計可用時,對于每個工作能量，測量最大X光量點之上的功率對RF頻率的函數(shù)。隨后，操作者可以求出沿該功率對頻率曲線給出最佳穩(wěn)定度的點并且在此工作。
[0093]僅通過改變頻率(或者通過改變頻率和振幅)而改變波形的相位速度的能力使得電子聚束對于給定能級位于相對于電磁波的最佳位置。因此，可以在能級范圍生成穩(wěn)定的X光。這使得TW LINAC不易受到溫度變化，電磁波頻率的起伏以及電磁波振幅的起伏的影響。
[0094]6.3頻率控制器在多能量TW LINAC操作中的使用
[0095]在TW LINAC的多能量交織操作中，可以使用頻率控制器通過將加速器結(jié)構(gòu)輸入端的電磁波的相位與加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的電磁波的相位相比較來測量通過LINAC結(jié)構(gòu)的電磁波的相移。頻率控制器可以向振蕩器發(fā)送信號來基于頻率控制器所檢測的相移的幅度修正最終耦合到加速器結(jié)構(gòu)的電磁波的頻率。在非限定示例中，頻率控制器可以是自動頻率控制器(AFC)。頻率控制器可以是多頻率AFC，并且可以工作在用于各個不同頻率的設(shè)置點，其中各個頻率與各個不同能量相關(guān)聯(lián)。頻率控制器可以用來測量電磁波在輸出耦合器相對于在輸入稱合器的電磁波的RF相位的RF相位。利用該信息，頻率控制器可以用于電磁波的頻率，將通過LINAC的相移保持在用于LINAC操作的各個不同能量的分別設(shè)置點。頻率控制器在多能量交織TWLINAC的快速切換期間可以利用快速確定來有利于穩(wěn)定的操作。例如，頻率控制器可以用來在系統(tǒng)從待機步進到全功率，在加速器結(jié)構(gòu)冷卻水的溫度中漂移，或者在振蕩器的頻率中漂移時來校正TW LINAC加速器結(jié)構(gòu)的快速熱化的效果。
[0096]圖7示出了包括頻率控制器的TW LINAC的實施例的框圖。在圖7的圖示中，頻率控制器包括控制器72和相位比較器74。在圖7的示例中，相位比較器74將加速器結(jié)構(gòu)8的輸入端(PD的電磁波與加速器結(jié)構(gòu)8的輸出端(P2)的電磁波相比較并且為控制器72提供相移測量值(ΛΡ)。頻率控制器可以向振蕩器76發(fā)送信號來調(diào)節(jié)振蕩器76的頻率。如上所述，振蕩器76可以生成具有頻率控制器所提供的頻率的信號，并且RF信號可以經(jīng)過放大器78放大并且提供給速調(diào)管(未示出)。由此，從頻率控制器到振蕩器76的信號最終可以基于頻率控制器所檢測的相移的幅度進行耦合到加速器結(jié)構(gòu)的電磁波的頻率的修正。振蕩器76也可以生成引起電磁波的頻率變化一定量的信號從而在交織操作中改變在電磁波脈沖之間的大間隔中的LINAC的工作能量。頻率控制器在圖7中圖示為包括作為分立單元的控制器72和相位比較器74。然而，在其他實施例中，頻率控制器可以包括作為集成單元的控制器和相位比較器。
[0097]圖8示出了包括可用于雙能量操作的頻率控制器的TW LINAC的另一實施例的框圖。在圖8的圖示中，頻率控制器包括控制器82，和分別用于LINAC操作的不同能量的兩個相位比較器(相位比較器A83和相位比較器B84)。相位比較器A83將加速器結(jié)構(gòu)8的輸入端(PlA)的電磁波與加速器結(jié)構(gòu)8的輸出端(P2A)的電磁波相比較并且為控制器82提供相移的測量值(ΛΡΑ)。相位比較器B84將加速器結(jié)構(gòu)8的輸入端的(PlB)的電磁波與加速器結(jié)構(gòu)8的輸出端(P2B)的電磁波相比較并且為控制器82提供相移的測量值(ΛΡΒ)。圖8的圖示包括兩個振蕩器(振蕩器85和振蕩器86)，每個振蕩器用于LINAC的不同操作能量。頻率控制器82可以向振蕩器85發(fā)送信號從而基于將電子束加速到操作的期望第一能量所使用的電磁波的測量相移△ PA來調(diào)節(jié)振蕩器85的頻率。此外，頻率控制器82也可以向振蕩器86發(fā)送信號從而基于將電子束加速到期望的第二操作能量所使用的電磁波的測量相移Λ PB來調(diào)節(jié)振蕩器86的頻 率。如上所述，振蕩器85和86均可以生成具有頻率控制器所提供的頻率的RF信號，并且RF信號可以經(jīng)過放大器88放大并且提供到速調(diào)管(未示出)。由此，從頻率控制器到振蕩器85 (或振蕩器86)的信號最終可以基于頻率控制器所檢測的相移的幅度針對給定的操作能量進行耦合到加速器結(jié)構(gòu)的電磁波的頻率的修正。頻率控制器在圖8中圖示為包括作為分立單元的控制器82，相位比較器A83，和相位比較器B84。然而，在另外實施例中，頻率控制器可以包括作為集成單元的控制器和相位比較器。
[0098]圖9示出了 TW LINAC的示例操作的步驟流程圖。在圖9的步驟90中，來自電磁波源的第一電磁波耦合到TW LINAC的加速器結(jié)構(gòu)。在步驟92，第一電子集被注入TW LINAC的加速器結(jié)構(gòu)的輸入端并且第一電子集被加速到第一能量。在步驟94，頻率控制器將加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的電磁波的相位與輸出端的電磁波的相位相比較從而監(jiān)測電磁波的相移。步驟94可以發(fā)生在在步驟92中第一電子集加速到第一能量期間。在步驟96中，頻率控制器向振蕩器發(fā)送信號，并且振蕩器可以使得電磁波源基于頻率控制器所檢測的相移幅度生成校正頻率的后續(xù)的電磁波。例如，基于所檢測的相移的幅度，校正的頻率可以與第一頻率相差量Sf(例如，δ f可以是大約0.000001MHz或更多，大約0.00001MHz或更多，大約
0.0OlMHz或更多，大約0.0lMHz或更多，大約0.03MHz或更多，大約0.05MHz或更多，大約
0.08MHz或更多，大約0.1MHz或更多，或大約0.15MHz或更多的量級的差)。步驟98的后續(xù)電磁波具有與步驟90的電磁波大致相同的振幅。例如，如果這些電磁波在幅度上差別小于大約0.1%,小于大約1%，小于大約2%,小于大約5%,小于大約10%,或更多，貝U這些電磁波可以具有大致相同的幅度。如上所述，振蕩器可以生成具有頻率控制器所提供的頻率的信號，并且該信號可以經(jīng)過放大器放大并且提供到電磁波源(諸如速調(diào)管)。電磁波源可以基于從放大器接收的放大信號生成后續(xù)的電磁波。在步驟98中，后續(xù)的電磁波被耦合到加速器結(jié)構(gòu)。在步驟100中，另一電子集被注入TW LINAC的加速器結(jié)構(gòu)的輸入端并且該電子集被后續(xù)的電磁波加速到與第一電子集的第一能量大致相同范圍的輸出能量。如果輸出能量的范圍的中心值(例如，均值或中值)在幅度上差別小于大約0.1%，小于大約1%，小于大約2%，小于大約5%，小于大約10%，或更多，則兩個不同電子集的輸出能量的范圍大致相同。步驟90-100可以在TW LINAC的操作期間重復(fù)多次。
[0099]在交織操作中，可以操作LINAC在兩個不同的輸出能量之間循環(huán)。例如，可以操作LINAC在約6MeV和大約9MeV之間交替。在這種操作中，在步驟96之后而在步驟98之前，LINAC可以操作在不同于第一電子集的第一能量(例如，大約6MeV)的能量(例如，大約9MeV)。加速器結(jié)構(gòu)中的用于加速這些另外的電子所使用的電磁波的振幅和頻率可以不同于在步驟90中所使用的電磁波。例如，在交織操作中，生成第一電磁波并且用來將第一電子集加速到第一能量，生成(不同振幅和頻率的)第二電磁波并且用來將第二電子集加速到不同于第一能量的第二能量，隨后基于第一電磁波的相移生成后續(xù)的電磁波(如上所述)并且用來將后續(xù)的電子集加速到與第一能量基本上相同的能量范圍。在交織操作的另一示例中，在工作在第二能量之前，LINAC工作在第一能量用于多個脈沖。LINAC也可以操作成以第一能量提供多個脈沖并且隨后操作成以第二能量提供多個脈沖。
[0100]在另一示例操作中，在步驟90之前，用于第一能量的相位設(shè)置點可以輸入到相位比較器。相移可以插入到相位比較器的一個輸入臂使得在針對期望的脈沖能量校正相位時相位比較器輸出例如O電壓的讀數(shù)。在另一示例中，在步驟94之后和步驟96之前，用于第二能量的相位設(shè)置點可以輸入到相位比較器。
[0101]針對TW LINAC操作的各個不同能量，頻率控制器可以具有幾個不同設(shè)置點用于最佳相移。例如，頻率控制器可以具有N個不同的設(shè)置點用于對應(yīng)于TW LINAC操作的各個N(N^ 2)個不同能量的最佳相移。
[0102]隨著電子束在加速器結(jié)構(gòu)中被加速，頻率控制器可以連續(xù)地執(zhí)行相位比較。例如，頻率控制器可以從電磁波耦合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的時刻連續(xù)地執(zhí)行相位比較直到電子從加速器結(jié)構(gòu)的輸出端輸出。可以在另一電磁波耦合到加速器結(jié)構(gòu)之前，改變用于相位橋的設(shè)置點，使得設(shè)置點適合于輸出電子的后續(xù)脈沖的想要的能量范圍。
[0103]頻率控制器可以調(diào)整頻率從而獲得理想的相位設(shè)置點。例如，對于加速器結(jié)構(gòu)為正向波形結(jié)構(gòu)的TW LINAC來說，頻率控制器可以發(fā)送信號從而提高頻率用于較低能量操作，其中電子束通過聚束器區(qū)域移動較慢。在另一示例中，對于加速器結(jié)構(gòu)為前向波形結(jié)構(gòu)的TW LINAC來說，頻率控制器可以發(fā)送信號從而降低頻率用于較高能量操作，其中電子束通過聚束器區(qū)域移動較快。在電子從例如，大約15keV(從電子槍出現(xiàn)的示例的電子能量)到大約IMeV加速時，電子束通過聚束器區(qū)域的轉(zhuǎn)移時間可以明顯不同于從較低能量操作到較高能量操作。轉(zhuǎn)移時間的不同源自施加到用于較低能量束與較高能量束的電子的不同的電場強度。例如，在雙能量操作中，用于較低能量束的電場強度可以是用于較高能量束的大約2/3。在TW LINAC的交織操作中，頻率控制器可以發(fā)送信號從而調(diào)節(jié)電磁波的頻率使得針對各個不同能量使得電磁波波峰的轉(zhuǎn)移時間通過針對通過加速器結(jié)構(gòu)的電子的轉(zhuǎn)移時間所優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。例如，頻率控制器可以發(fā)送信號來提供電磁波波峰，其通過加速器結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)移時間比用于較低能量束的轉(zhuǎn)移時間長。
[0104]在加速器結(jié)構(gòu)為回波形結(jié)構(gòu)的示例中，在前面討論的頻率變化的符號將取反。例如，如果提高頻率從而實現(xiàn)用于前向波形結(jié)構(gòu)的結(jié)果，則降低從而實現(xiàn)用于回波形結(jié)構(gòu)的結(jié)果。
[0105]改變電磁波的頻率可以改變波形的相位速度從而在每個電子束能量上電子聚束平均來說可以位于波形波峰上。TW LINAC可以配置成使得對于稱為同步能量的一個特定能量來說，LINAC的聚束器區(qū)域和加速結(jié)構(gòu)可以設(shè)計成使得聚束位于通過LINAC的所有方式的波峰附近。如果TW LINAC操 作在大能量范圍上，例如，從3MeV到9MeV的能量，則可以選擇同步能量位于操作范圍的中間附近。
[0106]如果降低電磁波的輸入功率(以及由此的振幅)從而降低磁場，并且由此降低電子束的能量，則磁場可以貫穿LINAC均勻地較小。然而，減小電磁波功率的影響(包括降低的電子速度)可以更集中在聚束器區(qū)域內(nèi)，這是由于一旦電子接近相對速度，則電子的速度對于電磁波的功率變得不那么敏感。由于針對恒定梯度前向波TW LINAC的頻率變化導(dǎo)致的波形的相位速度變化可以在加速器結(jié)構(gòu)的輸入端小而在輸出端大。頻率控制器可以發(fā)送信號從而改變電磁波的頻率，使得電子聚束在加速器結(jié)構(gòu)的前三分之一基本上行進在波峰之后，從而以圍繞加速器結(jié)構(gòu)的中間到達波峰，并且在加速器結(jié)構(gòu)的最后三分之一中基本上位于波峰之前。在該示例中，可以通過在通過LINAC行進的最后三分之一中的波峰之前行進來去除作為電子聚束內(nèi)的位置的函數(shù)的能量相關(guān)性，電子在行進通過LINAC的前三分之一中獲得的該能量相關(guān)性。去除作為位置函數(shù)的能量相關(guān)性的頻率調(diào)整也可以將通過LINAC的能量增益最大化，并且可以將X光量最大化。
[0107]對于給定的操作能量，頻率控制器的最佳頻率和設(shè)置點可以是來自電子槍的能量和光束電流兩者的函數(shù)?？梢愿淖儊碜?電子槍的光束電流來改變電子通過光束加載效果的輸出能量。在光束加載效果中，以LINAC的工作頻率聚束的電子束可以在加速器結(jié)構(gòu)中感生具有與耦合到LINAC的電磁波所施加的加速度相反的相位的場，并且可以操作來將電子的前向運動反向的場。即，光束加載可以感生操作來對電子束減速的場。這些感生場的強度隨著光束電流的幅度線性變化，并且可以隨著沿加速器結(jié)構(gòu)的距離線性地粗略上升。較高的電子束電流可以感生較高強度的電場，該電場將耦合到LINAC的電磁波所施加的加速度反向并且造成電子束經(jīng)歷減小加速度。光束加載可以有效地降低電磁波的強度。增加電子槍電流(以及由此的光束加載的效果)的理想結(jié)果從而降低輸出電子的能量可以如下，例如可以從增加的電子量速率提高X光量。
[0108]光束加載效果可以降低電子束的能量，同時不影響電子束通過加速器的轉(zhuǎn)移時間，這是由于電子束感生場在電子束為非相對的輸入端很小。如果提高電磁波的功率設(shè)法補償由于光束加載導(dǎo)致的降低的能量，則電場可以在加速器結(jié)構(gòu)的所有空腔中同樣地變化并且對通過加速器結(jié)構(gòu)的光束轉(zhuǎn)移時間具有巨大影響。由此，對于交織操作的各個不同能量來說，可以進行頻率控制器的設(shè)置點的調(diào)整來解決例如由于光束加載的影響導(dǎo)致針對各個不同操作能量發(fā)生的通過LINAC的不同RF相位漂移。
[0109]在LINAC的多個能量操作中，電子槍對于各個操作能量可以操作在不同的光束電流下。如上所述，對于較低能量操作增加光束電流可以在比僅通過降低來自速調(diào)管的電磁波的強度獲得的較低的能量提供增大的X光量。針對LINAC操作的各個不同能量使用來自電子槍的不同光束電流可以有助于在不同的操作能量上維持相同的X光強度。
[0110]在另一實施例中，對于各個不同的能量，操作者可以選擇通過LINAC的相移，該相移將對于該能量的X光量最大化。即，操作者可以針對各個不同的操作能量選擇頻率控制器的設(shè)置點。頻率控制器隨后可以連續(xù)調(diào)整電磁波的頻率從而將電磁波的相位保持在針對該能量的預(yù)設(shè)相位設(shè)置點。看來，通過LINAC的相移的類似值可以優(yōu)化電子譜(S卩，消除在沿LINAC的縱向的聚束中與位置的能量相關(guān)性)，將能量最大化，并且將X光量最大化。然而，將X光量最大化會對頻率敏感并且可以容易執(zhí)行。
[0111]在實施例中，在反饋操作中，頻率控制器可以根據(jù)對電磁波的頻率的調(diào)整保持自動控制。在非限定示例中，頻率控制器可以是自動頻率控制器(AFC)。
[0112]在另一實施例中，頻率控制器可以保持自動控制并且調(diào)整電磁波的頻率從而穩(wěn)定以給定操作能量輸出的電子能量。在電子的能量譜以加速器的理想操作能量為中心或者大致附近時，電子能量得到穩(wěn)定(即，對于給定電磁場的LINAC的最大可獲得能量)，并且輸出電子的能量譜的最大值的一半處的整個寬度最小化(即，變窄)。本文所述的所有系統(tǒng)和方法也適用于包括頻率控制器的TW LINAC操作的該實施例。例如，頻率控制器可以保持自動控制并且調(diào)整電磁波的頻率從而穩(wěn)定各個操作能量下的電子能量。在該示例中，頻率控制器可以將某個能量下的第一電子輸出與相同能量下的第二電子輸出相比較，并且頻率控制器向振蕩器發(fā)送信號，并且調(diào)整電磁波的頻率從而穩(wěn)定電子輸出。電磁波的頻率可以在相同能量的交替脈沖上變化從而確定電子的測量輸出對頻率的特性，并且由此確定能使得電子輸出以最小能量擴散在理想能量周圍到達頂峰的頻率變化。
[0113]在另一實施例中，頻率控制器可以保持自動控制并且調(diào)整電磁波的頻率從而將各個能量下的X光量(通過將目標與輸出電子接觸所生成的)最大化。例如，頻率控制器可以發(fā)送信號來基于測量的X光量調(diào)整電磁波的頻率?？梢灶A(yù)先確定給定交織操作的能量下的X光量的最大值。電磁波的頻率可以在相同能量的交替脈沖上變化從而確定測量的X光量與頻率的特性，并且由此確定能使得光量向著最大值移動的頻率變化。在該示例中，相同能量下的兩個連續(xù)脈沖上的X光量可以進行比較來確定對電磁波頻率的調(diào)整。在特定實施例中，頻率在相同能量的交替脈沖上變化大約IOOkHz，引起通過相位的大約8度的結(jié)構(gòu)的相位變化。利用該頻率變化，電子聚束可以在相同能量的連續(xù)脈沖上在電磁波的波峰之前的大約2度和之后大約2度之間交替。
[0114]在反饋操作中，頻率控制器可以在對電磁波的頻率的調(diào)整上保持自動控制。反饋環(huán)會很復(fù)雜并且確定頻率調(diào)整的收斂時間會很長。可以通過與誤差信號成比例地進行頻率校正(或調(diào)整)來減小收斂時間。在使用頻率控制器在各個操作能量將X光量最大化的實施例中，誤差信號可以確定為來自兩個脈沖的X光量之間的差，由來自兩個脈沖的X光量的和來除。光束能量可以近似為通過LINAC的相移的正弦函數(shù)。通過兩個X光量的和進行歸一化可以使得誤差信號測量對X光測量裝置的變化不敏感。在使用頻率控制器穩(wěn)定各個操作能量的輸出電子的能量的實施例中，誤差信號可以確定為來自兩個脈沖的電子電流之間的差，由來自兩個脈沖的電子電流的和來除。
[0115]可以使用在反饋操作中工作的頻率控制器來校正電子槍電流的小漂移或RF功率(由此的幅度)的小漂移的影響。即，另外校正加速器結(jié)構(gòu)的溫度漂移或者振蕩器的頻率的漂移。
[0116]6.4X 光
[0117]在某些方面，可以通過來自LINAC的加速的電子束或電子聚束根據(jù)目標材料的碰撞生成X光。通過兩個不同的機構(gòu)生成X光。在第一機構(gòu)中，來自LINAC的電子碰撞目標的原子可以賦予足夠能量，使得來自原子較低能級(內(nèi)殼)的電子逃離原子，在較低能級中留下空穴。原子的較高能級中的電子下降到較低能級從而填充空穴，并且發(fā)出多余的能量作為X光子。由于較高能級和較低能級之間的能量差為離散值，所以這些X光子(一般稱為k殼輻射)出現(xiàn)在X光譜中作為尖銳直線(稱為特征直線)。K殼輻射具有取決于目標材料的信號能量。在第二機構(gòu)中，來自LINAC的電子束或聚束被目標原子附近的強電場散射并且發(fā)出軔致輻射。軔致輻射產(chǎn)生連續(xù)譜的X光子，其中X光的強度在入射電子的能量下從O增加。即，可以通過電子從LINAC產(chǎn)生的最高能量X光為電子從LINAC發(fā)出時的最高電子能量。對于許多應(yīng)用來說，軔致輻射可以比特征直線更有利。
[0118]用于作為生成X光的目標的材料包括鎢，某些鎢合金(諸如但不限于碳化鎢，或者鎢(95%)-錸(5%))，鑰，銅，鉬和鈷。
[0119]6.5 器材
[0120]可用于行波LINAC的操作的某些儀器包括速調(diào)管調(diào)節(jié)器和電磁波源。
[0121]6.5.1 調(diào)節(jié)器
[0122]調(diào)節(jié)器生成保持幾微秒的高壓脈沖。這些高壓脈沖可以提供給電磁波源(在下面章節(jié)6.5.2中討論)，提供給電子槍(見上面章節(jié)6.1)，或者同時提供給兩者。電源給調(diào)節(jié)器提供DC電壓，調(diào)節(jié)器將DC電壓轉(zhuǎn)換成高壓脈沖。例如，固態(tài)速調(diào)管調(diào)節(jié)器-Kl或-K2 (ScandiNova Systems AB, Uppsala, Sweden)可以與速調(diào)管相連使用。
[0123]6.5.2微波發(fā)生器
[0124]電磁波源可以是本領(lǐng)域技術(shù)人員認為適合的任何電磁波源。用于LINAC的電磁波源(在射頻(“RF”)范圍的微波)可以是速調(diào)管放大器(在以上章節(jié)6.1)。在速調(diào)管中，RF源和大小和功率輸出能力與電磁波的波長大致成比例?？梢酝ㄟ^改變其振幅、頻率或相位來修正電磁波。
[0125]6.6示例性設(shè)備和計算機程序?qū)崿F(xiàn)
[0126]本文描述的方法的各個方面可以使用計算機系統(tǒng)來執(zhí)行，例如根據(jù)以下程序和方法在該章節(jié)中討論的計算機系統(tǒng)。例如，這種計算機系統(tǒng)可以存儲和發(fā)出命令從而有助于根據(jù)本文所披露的方法修正電磁波頻率。在另一示例中，計算機系統(tǒng)可以存儲并發(fā)出命令從而有助于根據(jù)本文披露的方法進行頻率控制器的操作。所述系統(tǒng)和方法可以在各種類型的計算機架構(gòu)上實現(xiàn)，例如像單個通用計算機，或者并行處理計算機系統(tǒng)，或工作站，或者聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)(例如，如圖10所示的客戶端-服務(wù)器配置)。
[0127]圖10圖示了適合于實現(xiàn)本文所披露的方法的示例性計算機系統(tǒng)。如圖10所示，實現(xiàn)本文披露的一個或更多方法和系統(tǒng)的計算機系統(tǒng)可以鏈接成網(wǎng)絡(luò)鏈路，例如可以是局域網(wǎng)(“LAN”)到其他局域網(wǎng)，本地計算機系統(tǒng)和/或網(wǎng)域網(wǎng)(“WAN”)的部分，諸如英特網(wǎng)，連接到其他遠程計算機系統(tǒng)。軟件組成可以包括使得一個或多個處理器向一個或多個控制單元發(fā)出命令的程序，使得一個或多個控制單元發(fā)出命令從而觸發(fā)頻率控制器，操作電磁波源生成某一頻率的電磁波，和/或操作LINAC (包括將電磁波耦合到LINAC的命令)。所述程序可以使得系統(tǒng)從數(shù)據(jù)存儲(例如數(shù)據(jù)庫)獲得命令用于以特定順序執(zhí)行方法的步驟，包括觸發(fā)頻率控制器和操作電磁波源從而生成某一頻率的電磁波。這種數(shù)據(jù)存儲可以存儲在大型存儲器(例如，硬盤驅(qū)動器)或其他計算機可讀介質(zhì)并且加載到計算機的內(nèi)存中，或者數(shù)據(jù)存儲可以通過網(wǎng)絡(luò)方式由計算機系統(tǒng)存取。
[0128]除了本文描述的示例性程序結(jié)構(gòu)和計算機系統(tǒng)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將容易想到其他替代程序結(jié)構(gòu)和計算機系統(tǒng)。因此，在精神和范圍上不脫離上面所述計算機系統(tǒng)和程序結(jié)構(gòu)的這些替代系統(tǒng)意在涵蓋在所附權(quán)利要求中。
[0129]7.結(jié)果
[0130]之前已經(jīng)討論了某些結(jié)果。本章節(jié)提供另外的結(jié)果或者進一步討論上述的一些結(jié)果O
[0131]可以從具有意在以9MeV和6MeV的交織光束運行的集成聚束器的單個部分加速器的設(shè)計中看出針對較低能量束改變RF電磁波的頻率的有利效果的示例。圖11-13圖示了在電子LINAC (PARMELA)仿真中相位和徑向運動的曲線，示出了針對較低能量束修正頻率的優(yōu)勢。
[0132]圖11圖示了 PARMELA仿真的第一組四個曲線。圖11圖示了對于6MeV光束的結(jié)果，其中頻率從9MeV光束升高到大約1MHz。通過將聚束平均布置到RF電磁波的正弦波的波峰上，IMHz的頻率增加優(yōu)化6Mev的譜并且最小化能量起伏。對于6MeV光束的頻率變化與9MeV光束相比將通過加速器結(jié)構(gòu)的相移改變了大約80度。這使得聚束的中心針對波峰之前的5度的平均位置從波峰之后的大約35度漂移到波峰之前的45度。這可以最大化大約2%譜中的電荷，并且可以最小化X光量的強度起伏。
[0133]圖11的左上方曲線是電子聚束中的電荷分布，水平軸表示RF相位的校準程度，縱軸表示每個單元的宏觀顆粒數(shù)量。對于總共200個單元來說，每個單元為0.4度寬。左下方曲線為電子在縱向相位空間中的分布，水平軸與以上曲線相同，而縱軸為相對于基準顆粒的能量，單位為KeV。右下方曲線為能量譜,縱軸表示能量，而水平軸表示每個單元的電子數(shù)。右上方曲線位電子在屏幕上看去的橫向(x/y)空間中的分布。
[0134]圖12圖示了對于6MeV光束的結(jié)果，其中頻率對于6MeV光束和9MeV光束相同。在圖12中，電子聚束位于貫穿加速器結(jié)構(gòu)的波峰之后的大約35度。因此，該譜寬并且所得到的能量大約為5.1MeV。這需要電磁波的強度增加從而輸送特定的6MeV光束。對于圖示的6MeV光束來說，弓丨起相位起伏的任何條件將引起電子能量的大起伏以及甚至X光強度的更大起伏。
[0135]圖13圖示了用于6.3MeV光束的結(jié)果，其中頻率對于6.3MeV光束和9MeV光束來說相同。在圖13中，聚束位于電磁波的波峰之后大約24度。由于聚束仍然遠離波峰，所以任何相位起伏仍會引起非常明顯的X光強度起伏。
[0136]如由圖11、12和13之間的對比所示，可以通過調(diào)整多能量TW LINAC的不同能級之間的頻率來實現(xiàn)阻抗與相位起伏以及阻抗與X光強度起伏的顯著改善。調(diào)整不同能級之間的頻率也可以降低需要由RF電磁波所提供的功率。
【權(quán)利要求】
1.一種操作行波線性加速器的方法，包括: 將第一電磁波從電磁波源稱合到加速器結(jié)構(gòu)的輸入端，所述第一電磁波在所述行波線性加速器的所述加速器結(jié)構(gòu)中具有第一振幅和第一頻率； 通過利用所述第一電磁波加速第一電子束從所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端生成具有第一能量的第一電子輸出；以及 使用與所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端相接的頻率控制器來監(jiān)測所述第一電磁波的第一相移， 其中所述頻率控制器將所述第一電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端處的相位與所述第一電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近的相位相比較， 其中基于所述第一相移，所述頻率控制器將第一信號發(fā)送給振蕩器，并且其中基于所述第一電磁波的第一相移的幅度，所述振蕩器使得所述電磁波源生成第二電磁波，所述第二電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)中具有第二頻率。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括將所述第一電子輸出與目標接觸從而產(chǎn)生第一 X光能量范圍內(nèi)的第一 X光束。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括通過利用所述第二電磁波加速第二電子束從所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端生成具有第二能量的第二電子輸出。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二能量與所述第一能量相同。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二頻率不同于所述第一頻率以及所述第二能量不同于所述第一能量。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第一能量和所述第二能量交織。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中所述電磁波源為速調(diào)管。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，進一步包括: 將在所述加速器結(jié)構(gòu)中具有第三振幅和第三振幅的第三電磁波從所述電磁波源耦合到所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端； 通過利用所述第三電磁波加速第三電子束來生成具有不同于第一能量的第三能量的第三電子輸出；以及 使用所述頻率控制器監(jiān)測所述第三電磁波的第三相移， 其中所述頻率控制器將第三電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端處的相位與第三電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端處的相位相比較， 其中基于所述第三相移，所述頻率控制器將第三信號發(fā)送給所述振蕩器，并且其中基于所述第三電磁波的相移的幅度，所述振蕩器使得所述電磁波源生成在所述加速器結(jié)構(gòu)中具有第四頻率的第四電磁波。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括將所述第三電子輸出與所述目標接觸從而產(chǎn)生第三X光能量范圍內(nèi)的第三X光束。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，進一步包括通過利用所述第四電磁波加速第四電子束從所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端生成具有第四能量的第四電子輸出。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第四能量與第三能量相同。
12.如權(quán)利要求10所述的方法，其中所述第三能量與所述第四能量交織。
13.如權(quán)利要求8所述 的方法，其中所述第一能量與所述第三能量交織。
14.一種操作行波線性加速器的方法，包括: 將具有第一頻率和第一振幅的電磁波從電磁波源耦合到所述行波線性加速器的加速器結(jié)構(gòu)的輸入端； 利用所述電磁波將電子槍注入到所述加速器結(jié)構(gòu)中的第一電子束加速到第一能量；以及 使用與所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端和輸出端相接的頻率控制器監(jiān)測所述電磁波的第一相移， 其中所述頻率控制器將所述電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的相位與所述電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的相位相比較從而監(jiān)測所述第一相移， 其中基于所述第一相移，所述頻率控制器將第一信號發(fā)送給第一振蕩器，并且其中基于所述電磁波的第一相移的幅度，所述第一振蕩器使得所述電磁波源生成校正頻率下的后續(xù)電磁波。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括以所述第一能量從所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端發(fā)出所述第一電子束并且將所述第一電子束與目標接觸從而產(chǎn)生第一 X光能量范圍內(nèi)的第一 X光束。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，進一步包括: 將具有第二頻率和第二振幅的修正電磁波從所述電磁波源耦合到所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端； 使用修正的電磁波將所述電子槍注入到所述加速器結(jié)構(gòu)中的第二電子束加速到不同于第一能量的第二能量；以及` 使用所述頻率控制器監(jiān)測所修正的電磁波的第二相移， 其中所述頻率控制器將修正的電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸入端的相位與修正的電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的相位相比較從而監(jiān)測所述第二相移， 其中基于所述第二相移，所述頻率控制器將第二信號發(fā)送給所述第二振蕩器，并且其中基于所述第二相移的幅度，所述第二振蕩器使得所述電磁波源生成校正頻率下的后續(xù)的修正電磁波。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其中所述第一能量與所述第二能量交織。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，進一步包括以所述第二能量從所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端發(fā)出所述第二電子束并且將所述第二電子束與目標接觸從而產(chǎn)生第二X光能量范圍內(nèi)的第二 X光束。
19.一種行波線性加速器，包括: 具有輸入端和輸出端的加速器結(jié)構(gòu)； 電磁波源，耦合到所述加速器結(jié)構(gòu)來將電磁波提供給所述加速器結(jié)構(gòu)； 電子能量譜監(jiān)測器，位于所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近，其中所述電子能量譜監(jiān)測器提供(a)來自所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第一電子輸出的第一能量譜的指示，其中使用具有第一振幅和第一頻率的第一電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)中加速所述第一電子輸出，以及(b)來自所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第二電子輸出的第二能量譜的指示，其中使用具有第二振幅和第二頻率的第二電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)中加速所述第二電子輸出，其中所述第二振幅具有與所述第一振幅大致相同的幅度，并且其中所述第二頻率具有不同于所述第一頻率的幅度；以及 頻率控制器，與所述電子能量譜監(jiān)測器相接， 其中所述頻率控制器將所述第一能量譜的指示與所述第二能量譜的指示相比較并且基于所述比較將信號發(fā)送給振蕩器， 其中所述振蕩器使得所述電磁波源生成第三頻率和第三振幅的第三電磁波來穩(wěn)定利用所述第三電磁波加速的第三電子輸出的能量譜，并且 其中所述第三振幅具有與所述第一振幅大致相同的幅度。
20.一種行波線性加速器，包括: 具有輸入端和輸出端的加速器結(jié)構(gòu)； 電磁波源，耦合到所述加速器結(jié)構(gòu)來將電磁波提供給所述加速器結(jié)構(gòu)； X光產(chǎn)量監(jiān)測器，位于所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端附近，其中所述X光產(chǎn)量監(jiān)測器提供(a)第一 X光束在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第一產(chǎn)量的指示，其中利用通過具有第一振幅和第一頻率的第一電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)中加速的第一電子集來生成第一 X光束，以及(b)第二 X光束在所述加速器結(jié)構(gòu)的輸出端的第二產(chǎn)量的指示，其中利用通過具有第二振幅和第二頻率的第二電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)中加速的第二電子集來生成第二 X光束，其中第二振幅具有與所述第一振幅大致相同的幅度，并且其中所述第二頻率具有不同于第一頻率的幅度；以及 頻率控制器，與所述X光產(chǎn)量監(jiān)測器相接， 其中所述頻率控制器將第一 X光束的第一產(chǎn)量的指示與第二光束的第二產(chǎn)量的指示相比較并且基于所述比較將信號發(fā)送給振蕩`器，并且 其中所述振蕩器使得所述電磁波源生成第三頻率和第三振幅的第三電磁波從而使得利用所述第三電磁波在所述加速器結(jié)構(gòu)中加速的第三電子集所生成的第三X光束的產(chǎn)量最大化，其中所述第三振幅具有與所述第一振幅大致相同的幅度。
21.一種調(diào)節(jié)行波線性加速器的方法，包括: 提供具有相位速度和振幅的載波； 通過利用所述載波加速電子束來生成具有第一能級的第一 X光束； 通過調(diào)整所述振幅和所述相位速度來修正所述載波；以及 通過利用所修正的載波加速所述電子束來生成具有第二能級的第二 X光束。
【文檔編號】H05H7/12GK103889139SQ201410085964
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2010年1月25日 優(yōu)先權(quán)日:2009年1月26日
【發(fā)明者】P·D·特雷絲, R·H·米勒, J·王 申請人:愛可瑞公司