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所謂能量開關,簡而言之就是一種改變加速管內電磁場分佈的裝置。它的目的在於保持加速管聚束段(靠近電子槍的一小段)場分佈不變的前提下,改變其後的主加速段(電子速度接近光速)內的場強,從而在大範圍改變加速管出口能量的同時保證其能譜不變。它的工作方式通常是通過某種方式改變加速管中的某一個諧振腔的諧振狀態,從而改變整個諧振腔鏈的電磁場分佈。

微波領域好像沒有專門給它的學術名詞,也許叫模式轉換器更接近一些吧。


  高劑量率的低能X線檔在某些治療中很有用。為了在低能X線檔能得到較高的劑量率,必須使加速管的設計盡量達到最優化。改變SW加速管電子束能量的方法。最簡單的方法就是改變輸入到加速管的RF功率或者改變注入加速管的電子束流大小。但是,這些方法只能在較小的範圍內改變電子的能量,超過了這個範圍,電子的能譜性能馬上就下降了。另一種方法是使RF源頻率失諧或部分加速腔失諧。但這種方法會使系統的穩定性變差。在大範圍內改變電子束能量的一種現實方法就是利用同一RF源提供不同相位和幅度的激勵信號激發各個加速腔,然而這種結構的加速管變得非常龐大、複雜和昂貴。在高能駐波加速管中,現在更多採用的是「能量開關」。


  「能量開關」技術,就是在加速管的群聚段和主加速段之間的某個耦合腔中插入一個調節機構,通過調節其參數使主加速段的加速場強可以在大範圍內變化。而群聚的場強基本不變。Varian公司和日本電氣株式會社在20世紀70年代中期就開始研究這種能量開關技術。能量開關有以下幾個優點:


  (1) 射束能譜寬度減小。這樣就允許在偏轉系統中使用更窄的能量縫,提高能量的穩定性和能譜特性。


  (2) RF場相位變化對電子注能量的影響變小。


  (3) 建立RF加速場所需的RF脈衝功率降低,有利於微波源的設計。


  能量開關是在第一部分和第二部分之間使用結構精巧的能量開關減小進入第二部分的RF功率從而減小了第二部分的電場的強度,這樣一來群聚電子注從加速場得到的能量較小。這種方法有利於減小脈衝功率和維持最小的射束能散。


  能量開關可以採用非接觸方法或縮短方法。非接觸方法使用比較多,因為它允許傳輸的RF功率大,同時又可以維持第二部分具有較低的加速場。縮短方法可分為單邊腔和雙邊腔縮短方法,在單耦合腔加速管中會引起射束在第二部分激發電場,使它在充電過程建立起減速電場。這就減少了符合射束能散度要求脈衝的寬度,降低X線的劑量率。對於對稱的雙邊耦合腔結構加速管,可以通過縮短其中一個邊腔,另一個腔不變來將加速器從高能模式切換到低能模式,反之亦然。


  最簡單的邊耦合加速器,由兩個軸向腔和一個作為能量開關的邊耦合腔鏈組成,工作在Π/2模式。如果在耦合腔中加入縱向不對稱的能量開關,開關桿一邊長、一邊短,則可以在保持諧振率恆定的情況下激發出縱向非對稱的RF場,它從邊腔耦合到軸向腔,短桿的磁耦合明顯減弱而長桿的則明顯增強。將這種邊腔安裝在邊耦合加速管的特定部位,就可以在保持π/2工作模式的同時改變群聚段和主加速段加速場的比例,從而將主加速段的場強從高能模式轉到低能模式而維持群聚腔的場強不變。


  早期的能量開關因為有一些部件必須在真空中運動,因而存在可靠性的問題。同時也增加了維修的難度。


  中國在能量開關技術的研究方面,落後國外十餘年。目前在軸耦合加速管的能量開關方面,清華大學和機電部12所聯合取得了一定的成績,其研製的能量開關,結構包括包括步進電機、蝸輪蝸桿變速機構、滾珠絲杠、波紋軟管、能量調變桿和腔壁隔板。其中的腔壁隔板的中心部分為突起鼻錐,外圈及中心設有冷卻水路,圓周上設有軸向呈90°交錯排列的腎形耦合孔,能量調變桿插入腎形耦合孔中。經過試驗測試,基本滿足調節能量的要求,但是目前的技術進展,距離市場化還有一定的距離。在邊耦合加速管方面,我們也有一定的進展。

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