微波功率调节装置及功率可调的加速器的制作方法

1.本实用新型涉及微波相关领域，尤其涉及一种微波功率调节装置及一种功率可调的加速器。


背景技术：

2.随着科技的发展，电子直线加速器广泛应用于医疗、辐照、安检、无损检测和科研领域。不同的应用场景对于加速器的功率需求也是不同的，如无损检测加速器也要根据不同工件的厚度选择相应的功率档位的射线进行拍照；医用加速器要根据不同部位不同肿瘤选择不同功率的射线进行治疗。如果加速管的功率可调，其应用会非常灵活，功率可调加速管有很重要的实用价值。
3.目前调整直线电子加速器功率的方法有以下几种：
4.第一种是调节脉冲调制器的电压，从而改变功率源的输出功率，从而实现调整加速器功率的目的。这种方法的缺点是功率调节范围小，尤其是使用磁控管作为输入功率源的时候。
5.第二种是使用能量开关，利用能量开关失谐位于其后的加速腔，从而降低加速管输出射线的能量，这种方法的缺点是加速器用加速管工艺相对复杂，造价较高且功率只有相应的几档开关可调，无法连续调整。
6.第三种实现功率可调的方式是采用两段加速管，功率调节通过调整第二段加速管的功率和相位实现。这种方式的微波系统非常复杂，两段加速管的调谐难度也很大。
7.第四种常用的方式是通过改变束流负载调节加速管的功率，增加束流的流强，加速管的负载变大，功率会降低。这种方式有很多的应用，但为了较大范围的改变电子能量，加速管的流强有很大的改变，这对于束流大小有要求的应用有较大的限制。
8.通过改变加速管的功率实现加速管能量可调是也是一种方法，最直接的方式就是在加速管和功率源之间安装一个高功率衰减器，实际上也有这样的应用。一般而言，高功率衰减器结构较为复杂，需要有独立的水路将衰减的微波的功率带走。
9.一个高功率衰减器的例子如图1a所示，其采用三个3db耦合器，中间的 3db耦合器连接两个可调短路面，如图1b所示，起到移相器的作用，另外两个3db耦合器分别起功率分配和功率合成的功能。3db耦合器可以对两路微波进行合成，合成的功率输出与两路微波的相位有关。通过相位的控制，可以实现一个输出端的功率可调，另一端接吸收负载，从而起到功率衰减的作用。其缺点为体积臃肿，不利于整机设计，且造价较高。
10.背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。


技术实现要素：

11.有鉴于现有技术的至少一个缺陷，本实用新型提供一种微波功率调节装置，将本实用新型的一个实施例应用于加速器整机系统中，可实现加速管输入功率连续可调，配合
加速管本身的设计，达到加速器输出射线能量的连续可调，适用于不同的应用场景。而且在达到相同功能的前提下，体积更小，更利于整机合成。
12.本实用新型提供一种微波功率调节装置，包括环流器和功率调节器，其中所述环流器配置为接收微波并将所述微波输出到所述功率调节器，并吸收从所述功率调节器返回的微波；所述功率调节器与所述环流器耦接，配置为可调节从所述功率调节器输出的微波的功率与输入所述功率调节器的微波的功率之间的比例。
13.根据本实用新型的一个方面，所述环流器为三端环流器，包括第一端口、第二端口和第三端口，其中第一端口配置为接收微波；第二端口与所述功率调节器耦接，配置为输出微波；第三端口与吸收负载耦接，配置为吸收从所述功率调节器返回的微波。
14.根据本实用新型的一个方面，所述环流器为四端环流器，包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一端口配置为接收微波；第二端口与所述功率调节器耦接，配置为输出微波；第三端口与吸收负载耦接，配置为吸收从所述功率调节器返回的微波；第四端口与另一吸收负载耦接，配置为吸收从所述功率调节器返回的微波。
15.根据本实用新型的一个方面，所述功率调节器包括第一调节器端口和第二调节器端口，第一调节器端口与所述环流器耦接，配置为接收其输出的微波；第二调节器端口配置为输出调节功率后的微波。
16.根据本实用新型的一个方面，所述功率调节器还包括第一短路面和第三调节器端口，所述第一短路面设置在所述第三调节器端口处，并配置为将入射到所述第一短路面上的微波反射回所述功率调节器中，其中所述第一短路面相对于所述第三端口的位置可调节，以改变被第一所述短路面反射的微波的相位。
17.根据本实用新型的一个方面，所述功率调节器还包括第二短路面和第四调节器端口，所述第二短路面设置在所述第四调节器端口处，并配置为将入射到所述第二短路面的微波反射回所述功率调节器中，其中所述第二短路面相对于所述第四端口的位置是固定的。
18.根据本实用新型的一个方面，被所述第一短路面反射的微波和被所述第二短路面反射的微波具有相位差，通过所述相位差确定从所述功率调节器输出的微波的功率与输入所述功率调节器的微波的功率之间的比例。
19.本实用新型还提供一种功率可调的加速器，包括磁控管，配置为发射微波；电子枪，配置为发射电子束；加速管，配置为接收微波以建立加速电磁场，接收所述电子束并通过所述加速电磁场对其进行加速；和如上所述的微波功率调节装置，耦接于所述磁控管和所述加速管之间，配置为传输微波并调节微波的功率。
20.根据本实用新型的一个方面，所述加速器还包括定向耦合器，耦接于所述功率调节器和所述加速管之间，配置为测量入射微波和反射微波，并监控加速管的工作状态。
21.根据本实用新型的一个方面，所述加速管为驻波加速管。
22.在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点将对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外，应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。
附图说明
23.构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
24.图1a示出了一种高功率微波衰减器的示意图；
25.图1b示出了图1a的原理图；
26.图2a示出了本实用新型一个实施例的微波功率调节装置示意图；
27.图2b示出了本实用新型另一个实施例的微波功率调节装置示意图；
28.图3示出了本实用新型一个实施例的功率调节器示意图；
29.图4a示出了本实用新型一个实施例的功率调节器仿真图；
30.图4b示出了从第一调节器端口输出的功率的相对比例与从第二调节器端口输出的功率的相对比例随着第一短路面的位置变化的曲线；和
31.图5示出了本实用新型一种功率可调加速器示意图。
具体实施方式
32.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
33.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语"中心"、"纵向"、"横向"、 "长度"、"宽度"、"厚度"、"上"、"下"、"前"、"后"、"左"、"右"、"竖直"、 "水平"、"顶"、"底"、"内"、"外"、"顺时针"、"逆时针"等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语" 第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有"第一"、"第二"的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，" 多个"的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
34.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相连"、"连接"应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接:可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
35.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之" 上"或之"下"可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征"之上"、"上方"和"上面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征"之下"、" 下方"和"下面"包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
36.下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本实用新型的不同结构。为了简化本实用新型的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为
示例，并且目的不在于限制本实用新型。此外，本实用新型可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本实用新型提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
37.本实用新型提供一种微波功率可调装置，通过控制相位来改变输入微波功率和输出微波功率的比例，进而实现输出微波功率的调节。将该微波功率可调装置应用于微波系统中，可实现高功率微波可调的功能。所述高功率微波(high
‑
power microwave，hpm)是强电磁脉冲的一种，其频率范围为 1ghz～300ghz，峰值功率高于100mw。hpm具有高频率、短脉冲(几十纳秒)和高功率等特点，是强电磁脉冲的一种重要形式。
38.以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
39.本实用新型提供一种微波功率调节装置100，如图2所示，包括环流器 1001和功率调节器1002，其中环流器1001配置为接收微波并将微波输出到功率调节器1002，并吸收从功率调节器1002返回的微波；
40.功率调节器1002与环流器1001耦接，配置为可调节从功率调节器1002 输出的微波的功率与输入功率调节器1002的微波的功率之间的比例，通过调节该比例，便可以改变从功率调节器1002输出的微波的功率。
41.根据本实用新型的一个优选实施例，如图2a所示，其中所述环流器1001 为三端环流器，包括第一端口q1、第二端口q2和第三端口q3，其中第一端口q1为输入端，用于接收微波；第二端口q2为输出端，与功率调节器1002 耦接，用于输出微波；第三端口q3与吸收负载1003耦接，配置为吸收从功率调节器1002返回的微波。
42.根据本实用新型的一个优选实施例，如图2b所示，其中所述环流器1001 为四端环流器，包括第一端口q1、第二端口q2、第三端口q3和第四端口q4，第一端口q1为输入端，用于接收微波；第二端口q2为输出端，与功率调节器1002耦接，用于输出微波；第三端口q3与吸收负载1003耦接，配置为吸收从功率调节器1002返回的微波；第四端口q4与另一吸收负载1004耦接，配置为吸收从功率调节器1002返回的微波。
43.在微波功率调节装置100中，环流器1001可起到单向导通的作用，即微波只能够从图2a和2b中的左侧被传输到右侧，从右侧返回的微波将被吸收负载吸收，避免返回到左侧的微波源。
44.优选地，所述吸收负载1003和吸收负载1004为吸收匹配负载，可以采用干负载或水负载或者其它形式，用于吸收从功率调节器1002返回的微波功率，可根据实际需要选择或更换，都在本实用新型的保护范围内。
45.图3示出了根据本实用新型一个实施例的功率调节器1002的示意图。如图3所示，所述功率调节器1002包括第一调节器端口p1和第二调节器端口 p2，第一调节器端口p1与环流器1001的第二端口q2耦接，配置为接收其输出的微波；第二调节器端口p2配置为输出调节功率后的微波。
46.功率调节器1002还包括第一短路面s1(参见图2a和2b)和第三调节器端口p3，第一短路面s1设置在第三调节器端口p3处，并配置为将入射到第一短路面s1上的微波反射回功率调节器1002中，其中第一短路面s1相对于第三端口p3的位置可调节，如图2a和2b所示，第
一短路面s1沿着图中的箭头所示的方向左右移动，以改变被第一短路面s1反射的微波的相位。另外，所述第一短路面s1可以设置在所述第三调节器端口p3内，也可以设置在所述第三调节器端口p3外，这些都在本实用新型的保护范围内。
47.优选地，所述第一短路面s1可采用短路活塞实现，可相对于第三调节器端口p3轴向移动。具体地，所述短路活塞包括滑块和拉杆，移动方式可以手动调节或驱动电机控制实现。为实现对微波的反射功能，也可以采用其它形式，都在本实用新型的保护范围内。
48.功率调节器1002还包括第二短路面(未示出)和第四调节器端口p4，第二短路面设置在第四调节器端口p4处，并配置为将入射到第二短路面的微波反射回功率调节器1002中，其中第二短路面相对于第四端口p4的位置是固定的。
49.优选地，所述第二短路面可采用金属片或金属块，固定于第四调节器端口p4处，实现对微波的反射功能，也可以采用其它形式，都在本实用新型的保护范围内。
50.当通过第一调节器端口p1馈入微波时，微波传输到第三调节器端口p3 和第四调节器端口p4处，分别被第一短路面s1和第二短路面反射，其中被第一短路面s1反射的微波和被第二短路面反射的微波具有相位差，通过调节第一短路面s1的位置实现对相位的控制，进而实现从第二调节端口p2输出的功率可调，从第一调节端口p1返回到环流器1001的功率则被其吸收负载吸收。
51.上述实施例中的功率调节器1002为四端口器件，通过控制相位来改变输入微波功率和输出微波功率的比例，进而实现输出微波功率的调节。优选地，也可以使用三端口或多端口器件，包括一个或多个可调短路面，而实现相同功能，都在本实用新型的保护范围内。
52.图4a示出了本实用新型一个实施例的功率调节器1002仿真图，图4b示出了从第一调节器端口p1输出的功率的相对比例与从第二调节器端口p2输出的功率的相对比例随着第一短路面s1的位置变化的曲线。如图4b所示，改变第三调节器端口p3的第一短路面s1的位置，可以调节输入微波功率和输出微波功率的比例。如图4b所示，仿真曲线的横坐标为第一可调短路面 s1的位移，纵坐标为相对功率(或功率比例)，其中一条曲线为从第一调节器端口p1反射功率的比例s11*s11，另一条线从第二调节器端口p2输出的功率的相对比例s12*s12，在任一第一短路面s1的位移处，两者之和为1， s11*s11+s12*s12＝1，即进入第一调节器端口p1的微波功率随着第一短路面的调节，微波功率可以全部回到第一调节器端口p1，也可以全部都到第二调节器端口p2，也可以以任意比例分配到第一调节器端口p1和第二调节器端口p2。由此，本实施例的技术方案的效果得到验证。
53.本实用新型还提供一种功率可调的加速器10，如图5所示，包括磁控管 101，配置为发射微波；电子枪102，配置为发射电子束；加速管103，配置为接收微波以建立加速电磁场，接收电子束并通过加速电磁场对其进行加速；和如上所述的微波功率调节装置100，耦接于磁控管101和加速管103之间，配置为传输微波并调节微波的功率。
54.根据本实用新型的一个优选实施例，所述加速器10还包括定向耦合器104，耦接于功率调节器1002和加速管103之间，配置为测量入射微波和反射微波，并监控加速管103的工作状态。
55.具体地，高功率微波由磁控管101产生，经过环流器1001进入功率调节器1002，然后部分功率反射回环流器1001，部分经由定向耦合器104进入加速管103。进入加速管103的功率可以通过调节功率调节器1002的第一短路面的位置而改变。电子枪102在微波进入加
速管103的同时产生电子束，进入加速管103后，被加速到预设能量。
56.优选地，功率调节器1002可以是由一个3db耦合器改造成的两端口微波器件，其中第一端口接环流器1001，为微波功率入口；第二端口经由定向耦合器104接加速管103入口。改造前，3db耦合器的第三端口(对应于上文的第四调节器端口p4)接固定短路面；增加的第四端口接可调短路面(对应于上文的第三调节器端口p3)。在第一端口输入功率为p的情况下，当调节第四端口的可调短路面s1位置时，第二端口的输出功率便可从0
‑
p间连续变化。
57.功率调节器1002需要与环流器1001配合使用，当调节第四端口的可调短路面时，会有一部分功率回到第一端口。这部分功率会返回环流器1001，被环流器1001的吸收负载吸收掉。功率调节器1002的功能是让进入它的功率部分传输，部分反射，且两部分功率比可调。从而，用极小的改动即可达到所需的功能及较小的体积，利于整机合成。
58.优选地，所述加速管为驻波加速管。
59.本实用新型还提供一种调节微波功率的方法，使用如上所述的微波功率调节装置100来实施。
60.最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。