利用用于线性粒子加速器的三极管空心阴极电子枪的系统及方法转让专利
申请号 : CN201580057862.0
文献号 : CN107112178B
文献日 : 2019-03-01
发明人 : 柯蒂斯·G·艾伦 , 克里斯托弗·P·费拉里 , 亚当·J·米歇尔
申请人 : 爱尔达科技公司
摘要 :
权利要求 :
1.一种经配置以接纳加速电子束的真空电子装置VED,所述VED包括:三极管空心阴极电子枪,其经配置以产生可控电子束并且减轻回流电子束的撞击,所述电子枪包含:空心阴极,其经配置以发射电子束;
加热丝,其经配置以通过热离子发射过程向所述空心阴极提供热;
阳极,其经配置以通过相对于所述阴极保持正电压电势来吸引并聚焦从所述空心阴极发射的所述电子束;
柱,其相对于所述空心阴极的轴居中并且经配置以保持所述发射的电子束的形状及轨迹,其中所述柱具有与所述空心阴极相同的电势;及空心栅极,其经配置以控制从所述空心阴极发射的所述电子束,并且进一步经配置以容纳所述柱;及至少两个谐振腔,其经配置以与所述电子束相互作用。
2.根据权利要求1所述的VED,其中所述VED是线性粒子加速器Linac,并且所述至少两个谐振腔经耦合及配置以加速所述电子束,且其中所述Linac进一步包括:输入端口,其经配置以将微波功率馈送到所述Linac中;及
输出端口,其经配置以将所述加速的电子束递送出所述Linac。
3.根据权利要求1所述的VED,其中所述VED是Linac,且所述至少两个谐振腔经耦合及配置以加速所述电子束,且其中所述Linac进一步包括:输入端口,其经配置以将微波功率馈送到所述Linac;及
靶,其经配置以被所述电子束轰击并产生X射线光子。
4.根据权利要求1所述的VED,其中所述VED是经配置以放大微波功率的速调管,且其中所述至少两个谐振腔经配置以与所述电子束相互作用,其中所述速调管进一步包括:至少一个输入端口,其经配置以将微波功率馈送到所述速调管中;及至少一个输出端口,其经配置以将经放大的微波功率递送出所述速调管。
5.根据权利要求4所述的VED,其中所述速调管是多光束速调管。
6.一种三极管空心阴极电子枪,其经配置以提供电子并且减轻回流电子的撞击,所述三极管空心阴极电子枪包括:空心阴极,其经配置以发射电子束;
加热丝,其经配置以通过热离子发射过程向所述空心阴极提供热;
阳极,经配置以通过相对于所述阴极保持正电压电势来吸引并聚焦从所述空心阴极发射的所述电子束;
柱,其相对于所述空心阴极的轴居中,并且经配置以保持所述发射的电子束的形状及轨迹,其中所述柱具有与所述空心阴极相同的电势电压;及空心栅极,其经配置以控制从所述空心阴极发射的所述电子束,并且进一步经配置以容纳所述柱。
7.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述空心阴极是凹形的,并且以所述三极管空心阴极电子枪的轴为中心。
8.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述空心阴极是具有浸渍材料的分配器B阴极、M涂覆的阴极及氧化物阴极中的一者,且其中所述空心阴极经配置以增强所述电子束的发射。
9.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述空心栅极具有包含凹形轮廓及平坦轮廓中的至少一者的轮廓,且其中所述空心栅极被放置成紧靠着所述空心阴极,也即距离所述空心阴极几密耳到几十密耳。
10.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述柱以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心,并且由包含锆Zr及铪Hf中的至少一者的合适的过渡金属及复合金属制成,且其中所述空心阴极经配置以与所述阴极浸渍材料发生化学反应以抑制不合需要的及不受控制的电子发射。
11.根据权利要求8所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述柱以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心,并且由包含钼及钨中的至少一者的低蒸气压力材料制成;
且其中所述柱涂覆有过渡金属,所述过渡金属经配置以与所述浸渍材料发生化学反应以抑制不合需要的及不受控制的电子发射。
12.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心的所述柱是空心圆柱体,其经配置以增加由所述回流电子撞击的面积以及降低功率密度及由回流电子产生的热。
13.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心的所述柱是空心锥体,其经配置以增加由所述回流电子撞击的面积以及降低功率密度及由回流电子产生的热。
14.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述柱以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心,并且与所述阴极热隔离并机械耦合到散热器,所述散热器经配置以防止所述柱材料熔化。
15.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述柱以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心,并且定位在经配置以帮助将从所述空心阴极发射的所述电子聚焦成适当形状的电子束的位置处。
16.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述柱以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心,并且经配置以在栅极电压相对于所述空心阴极的电压以微小的负电压运行时允许所述电子束被截止。
17.根据权利要求6所述的三极管空心阴极电子枪,其中所述柱以所述三极管空心阴极电子枪的所述轴为中心,并且经配置以处于与所述空心阴极相同的电势电压,以用所述相同电势电压排斥从所述阴极发射的电子,以及防止所述电子束坍塌并提供表现良好的会聚电子束。
18.一种用于通过三极管空心阴极电子枪产生可控电子束同时减轻回流电子的撞击的方法,所述产生电子束的方法包括:从经配置以发射电子束的空心阴极发射电子;
通过热离子发射过程由加热丝加热所述空心阴极;
通过在阳极上相对于所述阴极保持正电压电势来吸引及聚焦从所述空心阴极发射的所述电子束;
通过相对于所述空心阴极的轴居中的柱来保持所述发射的电子束的形状及轨迹,其中所述柱具有与所述空心阴极相同的电势电压;以及通过空心栅极控制从所述空心阴极发射的所述电子束并进一步容纳所述柱。
19.根据权利要求18所述的方法,其中通过将所述柱成形为空心圆柱体以增加由所述回流电子撞击的面积来降低所述柱上的功率密度。
20.根据权利要求19所述的方法,其中通过将所述柱成形为空心锥体以增加由所述回流电子撞击的所述面积来降低所述柱上的所述功率密度。
21.根据权利要求18所述的方法,其中通过将所述柱与所述空心阴极热隔离并将所述柱机械地耦合到散热器来防止所述柱熔化。
22.根据权利要求18所述的方法,其中通过优化所述柱相对于所述空心阴极及所述空心栅极的定位来增强将从所述空心阴极发射的所述电子聚焦成适当形状的电子束。
23.根据权利要求18所述的方法,其中在所述栅极电压相对于所述空心阴极的电压以微小的负电压运行时允许所述电子束被截止,其通过优化所述柱相对于所述空心阴极及所述空心栅极的定位来实现。
24.根据权利要求18所述的方法,其中通过将所述柱保持在与所述空心阴极相同的电势电压以用所述相同的电势电压排斥从所述阴极发射的电子并且因此提供表现良好的会聚电子束来防止从所述空心阴极发射的所述电子束塌陷。
说明书 :
利用用于线性粒子加速器的三极管空心阴极电子枪的系统及
方法
背景技术
子枪。
阳极之间的高电压差(其通常为几千伏)来完成。在三极管电子枪的情况下,改变电子束电
流是通过改变阴极与栅极之间的电压差(其通常为几伏)来完成。因此,改变电子束电流可
更快地并且以更受控的方式进行。
其阴极并且升高其温度。阴极通常浸渍有例如钡的材料,所述材料通过降低阴极的功函数
来增强电子发射。阴极温度的升高会提高浸渍材料的蒸发速率。随着时间的推移,此同一浸
渍材料粘附到所有瞄准线的表面,主要粘附到枪的栅极(其直接在阴极的发射表面前面)。
栅极保持在与阴极的电势电压几近相同的电压,并且因此在栅极与处于接地电势的阳极之
间产生电压梯度。回流电子撞击栅极,从而升高其温度。随着浸渍材料在栅极上的沉积及因
电子的回流所致的其温度的升高,栅极可能以不受控制的方式发射不合需要的电子。
Linac结构。所述Linac结构还具有高的场梯度,并且当其表面变得涂覆有浸渍材料时,其将
经历不合需要的及不受控制的电子的场发射,所述不合需要的及不受控制的电子形成通常
所称的“暗电流”。
极管电子枪。特定来说,其涉及一种与真空电子装置(VED)一起使用的具有空心阴极的三极
管电子枪。
发明内容
子流动的栅极。
导致电子枪的较短寿命,并且导致通常称为“暗电流”的不合需要的及不受控制的电子的发
射。
征,其有助于消除不合需要的及不受控制的电子的发射,并且同时提供表现良好的会聚电
子束。
附图说明
具体实施方式
人员显而易见的是,可在没有这些具体细节中的部分或全部的情况下实践实施例。在其它
情况下,未详细描述众所周知的过程步骤及/或结构,以免不必要地使本发明模糊。参考附
图及下面的论述可更好地理解实施例的特征及优点。
仅是说明性的而不是限制性的,仅通过实例的方式呈现。除非另有明确说明,此描述中揭示
的所有特征可由用于相同或类似目的的替代特征替换。因此,其修改的众多其它实施例被
认为属于如本文所界定的本发明及其等效物的范围内。因此,使用绝对及/或顺序术语(例
如“将”、“将不”、“应”、“不应”、“必须”、“不得”、“仅仅”、“首先”、“最初”、“接下来”、“随后”、“之前”、“之后”、“最后”及“最终”)并不意味着限制本发明的范围,这是因为本文中所揭示的实施例仅为示范性的。
提及包含多个弹簧以及单个活塞,对“一出口”的提及包含单个出口以及出口的集合,等等。
量并且撞击栅极及阴极,从而导致栅极及阴极温度升高到高于其正常操作温度。撞击区域
通常分布在栅极及阴极的发射表面的最中心区域,从而不仅导致那些区域中温度显著较
高,还导致整个表面的温度也增加。阴极通常用包含钡的材料浸渍,所述材料通过降低阴极
材料的功函数而增强电子发射。钡的蒸发速率强烈取决于阴极温度,并且因回流电子所致
的阴极温度升高会迅速提高浸渍材料的蒸发速率。随着时间的推移,此同一蒸发的浸渍材
料粘附并积聚到所有瞄准线表面,所述表面包含(但不限于)通常直接位于阴极发射表面前
面的电子枪的栅极、电子枪的阳极及Linac的加速结构。栅极还经历其与通常处于接地电势
的阳极之间的电压梯度。栅极的电势接近于阴极的电势电压。回流电子撞击栅极并使其温
度升高。随着浸渍材料在栅极上的沉积及因电子的回流所致的其温度的升高,栅极将以不
受控制的方式开始发射不合需要的电子。
Linac结构。所述Linac结构还具有高的场梯度,并且当其表面变得涂覆有浸渍材料时,其将
经历不合需要的及不受控制的电子的高场发射,所述不合需要的及不受控制的电子形成了
通常所称的Linac中的“暗电流”。
问题。
发生化学反应以抑制来自栅极的不合需要及不受控制的电子发射。然而,在此方法中,栅极
及阴极的中心区域由于回流电子的撞击而仍然变得非常热,并且来自阴极的过量浸渍材料
的存在将产生暗电流。此外,由于回流电子撞击阴极发射表面的中心部分并因此升高其温
度,浸渍材料的蒸发速率将增大且因此阴极的使用寿命变短。
阴极热隔离)一起使用。在此配置中,回流电子将避开阴极,而改为撞击所述柱。在二极管电
子枪中,当需要电子流时,阴极从零(接地电势)脉动到全阴极电势(通常为千伏)。虽然柱将
涂覆有浸渍材料(例如钡),并且经历因回流电子所致的增加的热,但当阴极及柱在零伏下
脉动关闭时,脉冲之间没有场梯度且没有不合需要的电子流动。所述柱未被浸渍并且不将
例如钡的浸渍材料释放到Linac结构中;因此不产生暗电流。然而,此方法限于二极管电子
枪。
管电子枪具有比二极管电子枪更重要的优点。一个实例是在使用三极管电子枪向Linac提
供电子束时。使用三极管电子枪允许超快速电流脉动,比二极管电子枪快得多,并且更快的
脉冲重复速率促进工业筛选应用中更快的检查。使用三极管电子枪还允许在适用于多能量
Linac操作的Linac中的束电流的超快速改变,所述多能量Linac操作在需要不同的能量以
区分自制炸药(HME)及其它形式的违禁品时的工业筛选应用中是非常有利的。对于医疗应
用,使用三极管电子枪向Linac提供电子束将允许加速器在多个能量下操作。因此,一个基
于加速器的系统将能够处置成像及涵盖广谱患者及癌症类型的多种治疗两者。
一起使用的具有空心阴极的三极管电子枪,其中速调管可为单束速调管或多束速调管。
向耦合型或磁性侧耦合型或双周期磁耦合型。
时免除栅极或阴极所遭受的因回流电子的撞击引起的变热缺点。
130正加速穿过由微波功率150(也称为RF功率或电磁功率)供电的腔140a、140b、140c、…、
140n。示范性电子线性加速器110因此产生高能电子束160作为其输出。应注意,从电子枪
120发射的一些电子可以错误的相位到达电子线性加速器的腔中,并因此其形成回流电子
束170。
130行进通过阳极210中的中心孔215到Linac 110上。仅展示电子线性加速器的前三个腔
140a、140b及140c。阳极孔215的中心与轴105对准,轴105是空心阴极电子枪300与Linac
110两者的共同轴。空心阴极电子枪300通过将空心阴极电子枪300的焊接凸缘223接合到
Linac 110的焊接凸缘113而附接到Linac 110。
高电压绝缘体360组成,且全都以轴105为中心,轴105是空心阴极电子枪300与Linac 110
(仅展示加速器的边缘)的共同轴。下面更详细地描述空心阴极电子枪300构成部件中的每
一者。
心阴极通常浸渍有例如钡的材料,其通过降低阴极材料的功函数而增强电子发射。空心阴
极310通过阴极支撑件312或一系列支撑结构附接就位。阴极支撑件312通常是也以发射轴
105为中心的由钼、钼-铼、钽或类似的低蒸气压力材料制成的金属管、圆柱体及/或锥形圆
柱体。阴极支撑件312连接到聚焦电极350以及阴极支撑套筒313,阴极支撑套筒313通常由
钼或钼-铼或其它合适的低蒸气压力材料制成,其起到热扼流圈的作用,保持由加热丝330
产生的热不被热传导远离空心阴极310,从而允许空心阴极实现并维持高温操作,对于浸渍
的分配器阴极,所述高温操作可大于1000℃。类似的结构用于在涂覆的阴极、氧化物阴极、
储集层阴极及电子枪中使用的其它类型的阴极中维持高温。阴极支撑件312附接到阴极连
接器314,阴极连接器314铜焊在阴极栅极绝缘体324与丝绝缘体334之间。阴极支撑件312也
焊接到柱支撑件341,并且所述柱支撑件焊接到柱340,从而保持其在轴105上居中并且相对
于空心阴极310、栅极320及阳极210保持在此中心位置。空心阴极310通过阴极连接器314连
接到电源(未展示)。所述电源为阴极提供通常为数万伏的偏置负电压。
尔比,也称为“5-3-2浸渍”)浸渍的多孔钨的金属基体。其它常见的摩尔比包含3:1:1、4:1:1
及6:1:2。也可使用其它浸渍比。另一种类型的分配器阴极是用氧化钪(Sc2O)浸渍的“分配
器钪酸盐阴极”。根据本发明的一个实施例的又一种阴极类型是具有Os-Ru(锇-铼)薄层的
分配器B阴极,其被称为“M-涂覆的阴极”。可根据本发明的一个实施例使用的第四阴极类型
是“氧化物阴极”。
及光束轨迹130。栅极320的位置及形状以及其开口经选择以最优地控制从阴极发射的电子
的通过。栅极320由称为栅极支撑件322的金属支撑管或锥体固定,栅极支撑件322可由多个
组件组成,并且通常为钼及/或与栅极相同的材料,并以共同轴105为中心。栅极支撑件322
构成以共同轴105为中心的同轴腔的延伸。栅极支撑件322通过焊接或铜焊固定到通常由氧
化铝(纯度为94%到99.8%)制成的高电压绝缘体360及阴极栅极绝缘体324(其也由氧化铝
制成并且脱离真空壁以在栅极连接器323处提供将栅极电源(未展示)连接到电子枪300的
构件。
丝帽335,使得焊接产生气密密封并且与连接到丝电源(未展示)的丝连接器336适当地电接
触。阴极连接器314通过氧化铝丝加热器隔离器334与丝连接器336电隔离。
子。聚焦电极350的存在防止不合需要的电子从阴极的侧面发射出去,并且还帮助将发射的
电子从阴极的面聚焦成具有沿着轴105的适当电子轨迹130的适当成形的电子束。
310的中心中的柱340的实心柱来防止这种效果。所述柱可为圆柱形或圆锥形。其与空心阴
极热隔离,但电连接到空心阴极,且因此与阴极处于相同的电势,并因此将抑制来自阴极的
内径的任何发射。在没有此柱的情况下,离开阴极的电子将在发射束的中心中没有任何空
间电荷的情况下具有塌陷轨迹。其电势电压与阴极相同的柱将有效地排斥具有相同电势电
压的电子并防止电子束塌陷,从而改进电子轨迹,进而提供表现良好的会聚电子束。
正向脉动以允许电子从阴极流出,从而形成发射的电子束130。柱340定位在空心阴极310的
中心,并且根据本发明的一个实施例电连接到空心阴极310。因此,阴极表面315及柱表面
345两者将具有相同的电势,且因此抑制来自阴极的内径的任何不希望的发射,例如电子射
线410。其电势电压与阴极相同并且经轴向定位以使得柱的端部处于阴极前面的柱将有效
地排斥具有相同电势电压的电子并防止电子束塌陷,从而改进电子轨迹,进而提供表现良
好的会聚电子束。柱相对于栅极的位置也是重要的,使得当栅极负脉动时,可完全切除两者
之间的间隙。过大的间隙将允许来自阳极的场向内朝向阴极表面弯曲,从而允许其在光束
应完全关闭时偏置少量的电子。
射不合需要的及不受控制的电子。在根据本发明的一个实施例中,柱可由例如锆(Zr)或铪
(Hf)的材料或与浸渍材料(例如钡)反应以抑制或完全阻止发射的另一种金属或复合材料
制成。
钡)发生化学反应的另一种元素将其涂覆以抑制电子发射。
量。
将随附权利要求书解释为包含属于本发明的真实精神及范围内的所有此类更改、修改,置
换及替代等效物。