一种强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法

摘要

本发明涉及一种用于强流紧凑型回旋加速器射频腔体的锻炼方法，该方法主要通过长周期窄脉冲对腔体进行初步锻炼，并判定多电子倍增效应发生电压范围。根据这个过程中加速器内射频腔体表面、磁极面、或镶条的颜色变化，对相应位置刷涂石墨材料，降低该区域的次级电子发射系数。之后通过关闭加速器磁场，以连续加功率的方法，由低向高依次锻炼各多电子效应区，当穿过所有多电子效应区后，应调谐并维持功率溃入一段时间以加速表面出气，然后以固定的时间间隔降低推动功率，由高至低锻炼各多电子效应区。该过程重复10次之后，接通磁场电源使用同样的方法，可快速完成射频腔体的锻炼。

说明书

技术领域

本发明涉及一种有效克服紧凑型回旋加速器中多电子倍增效应的技术， 具体涉及一种强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法。

背景技术

真空环境下，特别是真空度好于5×10^-5mbar时，少量的射频功率在二次电子 发射系数高于1的金属几何表面就足以产生与频率、功率以及距离相关的电子 云往复震荡，该现象称为多电子倍增效应，对加速器或航天射频器件的正常工 作有致命的影响。其原因在于，首先该电子云是一种非线性负载，会影响射频 系统的匹配；其次电子轰击的能量若不加以限制，会造成表面材料的改变和失 效，甚至损坏如加速器射频陶瓷耦合窗这样的关键部件。特别的，在紧凑型回 旋加速器中，由于空间小，材料种类复杂，尤其是射频腔体电极处于磁铁峰、 谷区交界的边缘场的影响中，这些因素客观的加剧了该类型加速器多电子倍增 效应的复杂性。目前国际上比较流行的是脉冲锻炼的方法，即采用重复周期短， 占空比约10%的脉冲进行锻炼，相对而言安全系数较高，缺点是非常的耗时，以 至于在紧凑型回旋加速器中难以获得实用。

发明内容

本发明的目的是针对传统脉冲锻炼方式的缺陷，提供一种简单、快速、安 全的紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法。

本发明的技术方案如下：一种强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，包括 如下步骤：

（1）在有磁场、真空的条件下，通过重复周期长、占空比低的长窄脉冲 对存在的多电子倍增效应区域进行腔体电压的标定，并利用间歇发生的多电子 云在加速器内部电子轰击留下的痕迹，标识出对应多电子倍增效应发生的金属 表面；

（2）在停磁场、真空的条件下，对发生多电子倍增效应的腔体金属表面涂 刷水溶性石墨涂料；

（3）在有真空、无磁场的条件下，对射频腔体加连续功率进行初步锻炼， 减轻回旋加速器内部因多电子倍增效应电子云轰击产生的金属表面出气；

（4）在有磁场、真空的条件下，对射频腔体加连续功率进行最终锻炼， 以在对应的金属表面沉积足够的碳化合物，克服紧凑型回旋加速器内部的多电 子倍增效应。

进一步，如上所述的强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，步骤（1）中， 所述的重复周期长、占空比低的长窄脉冲是指驱动脉冲的重复频率在Hz量级， 每重复周期内只有0.1%的时间内有射频功率的脉冲。

进一步，如上所述的强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，步骤（1）中， 对存在的多电子倍增效应区域进行腔体电压标定的依据为：多电子倍增效应发 生时腔体电压不满足关系其中，P为腔体驱动功率，U为腔体加速电压 的有效值，R_P为腔体并联阻抗。

进一步，如上所述的强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，步骤（2）中， 所述的水溶性石墨涂料为使用95%酒精溶剂溶解的水溶性石墨，涂刷范围应覆盖 变色金属表面且厚度为0.1~0.5mm。

进一步，如上所述的强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，步骤（3）中， 对射频腔体加连续功率进行初步锻炼的方法为：维持反射功率小于等于射频功 率源反射限定值的2/3，同时驱动信号加以以腔体谐振频率为中心的不快于 0.1Hz的FM调制，调制深度不小于3倍射频谐振腔体带宽，调制函数为正弦函 数或三角波函数；当腔体取样电压高于步骤（1）中标定的最高多电子倍增效应 电压后，停止FM调制，并维持腔体调谐至少30分钟，随后每隔30分钟降低激 励信号幅度0.1dB，直至腔体电压跌落至多电子倍增效应区域；这样的过程至少 重复10次。

进一步，如上所述的强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，步骤（4）中， 对射频腔体加连续功率进行最终锻炼的方法为：维持反射功率小于等于射频功 率源反射限定值的2/3，同时驱动信号加以以腔体谐振频率为中心的不快于 0.1Hz的FM调制，调制深度不小于2倍射频谐振腔体带宽，调制函数为正弦函 数或三角波函数。当腔体取样电压高于步骤（1）中标定的最高多电子倍增效应 电压后，停止FM调制，并维持腔体调谐至少30分钟，随后每隔30分钟降低激 励信号幅度0.1dB，直至腔体电压跌落至多电子倍增效应区域；这样的过程至少 重复10次。

本发明的有益效果如下：本发明通过长、窄脉冲锻炼，判定并记录多电子 倍增效应对应的腔体取样电压；通过无磁场条件下的连续锻炼，达到加速表面 出气的目的；最后通过有磁场条件下的连续锻炼方法，克服紧凑型回旋加速器 内部的多电子倍增效应。与现有技术相比，本发明所提供的连续锻炼方法可在 很短的周期内完成腔体的锻炼，有效的克服复杂环境中的多电子倍增效应。

附图说明

图1为本发明的方法示意图；

图2为本发明具体实施例的方法流程图；

图3为某强流紧凑型回旋多电子倍增效应与输入功率关系图；

图4为某强流紧凑型回旋腔体与中心区、镶条相对位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明所提供的强流紧凑型回旋加速器腔体锻炼方法，包 括如下步骤：

（1）在有磁场、真空的条件下，通过重复周期长、占空比低的长窄脉冲 对存在的多电子倍增效应区域进行腔体电压的标定，并利用间歇发生的多电子 云在加速器内部电子轰击留下的痕迹，标识出对应多电子倍增效应发生的金属 表面；存在的多电子倍增效应区域进行腔体电压标定的依据为：多电子倍增效 应发生时腔体电压不满足关系其中，P为腔体驱动功率，U为腔体加速 电压的有效值，R_P为腔体并联阻抗，如图3所示；

（2）在停磁场、真空的条件下，对发生多电子倍增效应的腔体金属表面涂 刷水溶性石墨涂料；

（3）在有真空、无磁场的条件下，对射频腔体加连续功率进行初步锻炼， 减轻回旋加速器内部因多电子倍增效应电子云轰击产生的金属表面出气；

（4）在有磁场、真空的条件下，对射频腔体加连续功率进行最终锻炼， 以在对应的金属表面沉积足够的碳化合物，克服紧凑型回旋加速器内部的多电 子倍增效应。

上述方法的具体流程如图2所示，下面结合图2进行详细描述。

首先，通过重复周期长、占空比低的长窄脉冲对存在的多电子倍增效应区 域进行标定。长重复周期是指驱动脉冲的重复频率在Hz量级，即每秒一个脉冲 或更低。低占空比是指每重复周期内只有0.1%的时间内有射频功率，其余时间 应关断驱动信号源。该步骤中，脉宽内的驱动功率应不小于推动功率源至假负 载情况下达到满功率输出时的1/3。长窄脉冲能有效的防止多电子倍增效应的持 续发生，同时给予真空系统更多的抽气时间，有利于利用脉冲前沿的快速上升 特性迅速增加腔体储能，穿越多电子倍增效应发生的电压。当出现调节信号源 驱动频率，对应腔体取样信号满足腔体幅频响应曲线时，可进行调谐，保持驱 动信号频率与腔体谐振频率相同，记录下此时的频率f₀和腔体取样幅值V₀。之后 关闭激励信号约30秒，重复这个过程，注意记录腔体在达到V₀之前所重复出现 的稳态电压序列，从小到大记录为V₁,V₂,V₃…V_n，每一个稳态电压对应一个多电子 效应区域。之后，可重复2～3次以检验记录数据的可重复性。

当标明每个多电子效应区对应的电压之后，应停止磁场，停止真空，对加 速器开盖，仔细观察Dee盒表面以及磁极表面，磁极表面和镶条表面颜色变化 情况。以无氧铜为例，电子轰击处应存在灰黑色痕迹；以纯铁为例，电子轰击 出应产生绿色或黄绿色痕迹。在紧凑型加速器中，受峰谷交界处磁场影响，这 样的痕迹的单条宽度以3～5mm居多，致密且随离加速间隙远近有周期性变化。 此时，应对产生痕迹涂以酒精溶解的水溶性石墨材料，涂料应完全覆盖电子轰 击区域，且厚度不宜超过0.5mm，并且不小于0.1mm。完成后，应保持加速器开 盖状态4～6小时，待酒精完全挥发后，加速器盒盖抽真空。上述过程中的水溶 性石墨材料应事先在大气中风干成块状或粉状，然后在加速器开盖前用95%的酒 精溶剂溶解后使用。

然后，在高真空无磁场的条件下，对射频腔体加连续功率。要求维持反射 功率小于等于射频功率源反射限定值P_r的2/3，同时驱动信号应加以以腔体谐振 频率为中心的不快于0.1Hz的FM调制，调制深度应不小于3倍射频谐振腔体带 宽，调制函数可为正弦函数或三角波函数。此时，腔体的取样幅值会出现 V₁,V₂,V₃…V_n这样的序列，当腔体取样电压高于V_n后，应停止FM调制，并维持腔 体调谐至少30分钟后，每隔30分钟降低激励信号幅度0.1dB，直至腔体电压跌 落至V₁,V₂,V₃…V_n范围内。之后，应停止驱动约30秒，恢复激励信号幅值，并打 开扫频功能，再次重复这样的过程。这样的过程，可以迅速减轻回旋加速器内 部因多电子倍增效应电子云轰击产生的金属表面出气，应至少重复10次。

最后，在有磁场条件下的连续锻炼方法进行最终锻炼。该过程要求维持反 射功率小于等于射频功率源反射限定值的2/3，同时驱动信号应加以以腔体谐振 频率为中心的不快于0.1Hz的FM调制，调制深度应不小于2倍射频谐振腔体带 宽，调制函数可为正弦函数或三角波函数。当腔体取样电压高于V_n后，应停止 FM调制，并维持持腔体调谐至少30分钟后，每隔30分钟降低激励信号幅度 0.1dB，直至腔体电压跌落至某个多电子倍增效应区域。这样的过程应至少重复 10次，以在对应的金属表面沉积足够的碳的化合物，达到锻炼目的。

实施例

以某医用回旋加速器为例，介绍其该方法功率取值及时间分配情况。该加 速器射频系统包括，一套设计加速电压为40kV射频腔体，谐振频率72.9MHz， 设计损耗为10kW，一台20kW射频功率源，该功率源反射保护为2kW。假负载测 试时-16dbm可推至输出约2kW，-10dbm输出约为8.5kW，-8dbm可推至输出约 15kW。

该腔体的锻炼过程中，第一阶段即脉冲锻炼阶段耗时约1.5周，频率为 72.9MHz，占空比为0.1%，重复周期1秒，脉冲内信号源推动功率为-10dbm。记 录的多电子效应区域，针对-46.8db的腔体取样，非线性幅度的区间为 40~70mVpp，120~200mVpp，310~580mVpp，1.2~1.6Vpp，穿越多电子效应调谐后 的V₀约为5.8Vpp。开盖后，水溶性石墨涂抹区域为Dee板外侧1，中心区磁极 表面2以及镶条表面3，见图4。

第二阶段无磁场锻炼，信号源幅值为-16dbm，扫频范围以72.88MHz为中心， 周期10秒，深度为60KHz，穿越多电子效应后调谐好时，对应取样电压约为 3.12Vpp，使用约1天时间完成该阶段10次锻炼。

第三阶段有磁场锻炼，信号源幅值为-16dbm，扫频范围以72.9MHz为中心， 周期10秒，深度为40KHz，穿越多电子效应后调谐好时，对应取样电压约为 3.14Vpp，使用约2天时间完成该阶段10次锻炼。

以上内容是结合优选的实施例对本发明所做的具体说明，不能认定本发明 的具体实施方式仅限于这些说明。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行 各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些 修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图 包含这些改动和变型在内。