C波段边耦合驻波加速结构研究

The medical and industrial electron linear accelerators are forwarded to minimize the facilities and the beam spots diameter for many demands, such as the high accuracy of the therapy for the stereotactic radiosurgery, the high resolution of the X-ray imaging for non-destructive detection and the ease and facilitative for the accelerators. It is effective to minimize the accelerating tubes and the accessorial RF devices and radiation shield using the accelerating structures of higher shunt impedance with side-coupled standing-wave and the higher frequency of C-band 5712MHz. The buncher and accelerating cavities are optimized to restrain the increase of the beam emittance and minimize the beam spot dimension. The studies on C-band accelerating structures in the world are mostly focused on the traveling-wave and on-axis coupled standing-wave structures. In this application, the studies of physics and key technology will be carried out for the side-coupled standing-wave accelerating structures at C-band frequency. The cavity structures are optimized by numerical simulation. The testing modules are machined to be evaluated by experiment. Finally, the correlative physical mechanism is discussed and the key technology is mastered . The proper processing technology is also summarized. This study will be a supplement to the domestic researches on the C-band accelerating structure. The outlines are expected as theoretical reference and technical support to the similar researches and hopeful to advance the application of C-band accelerators. This study will be of great practical value as it is designed to meet the demands of radiotherapy and X-ray non-destructive detection.

立体定向放射外科治疗加速器高精度的治疗需求，射线检测加速器高分辨率的成像需求，应用设备对易用性和便捷性的需求，推动应用电子直线加速器向小型化和小束斑发展。采用高分流阻抗的边耦合驻波加速结构和较高的C波段工作频率（5712MHz），与常用的S波段相比，加速管及其附属微波器件和屏蔽结构的体积均适度减小。为实现较小的束斑，需对聚束结构和加速结构进行优化设计，抑制束流发射度的增长。国内外在C波段加速结构的研究中主要关注行波和轴耦合驻波结构，本项目申请拟对C波段边耦合驻波加速结构进行物理和关键技术研究，通过模拟研究优化结构设计，加工试验组件进行实验评价，以期掌握相关的物理机制和关键技术，建立合适的加工工艺，进一步完善国内C波段加速结构研究的方向，为相关研究提供理论基础和技术支持，提高我国C波段加速器的应用能力。项目设计紧密结合医用和射线检测加速器的应用需求，研究结果具有较高的实用价值。

加速结构是小型医用和工业加速器设备的核心部件之一。为满足医用加速器高精度的治疗需求，高能工业CT高分辨率的成像需求，设备对易用性和便捷性的使用需求，医用和工业加速器一直沿着小型化的路线在不断发展。增加加速结构的频率和采用边耦合驻波加速结构是加速器小型化的研究方向之一。目前S波段驻波加速结构已具有广泛的应用， C波段和X波段驻波加速结构的应用还相对较少，这也是国内外正在开展的研究方向之一。但目前研究方向主要为C波段和X波段的轴耦合或同轴耦合驻波加速结构的研究，C波段和X波段边耦合驻波加速结构的研究很少。本项目完成了一个工作频率5712MHz，输出束流能量6.5MeV，脉冲流强52mA，束斑直径1.02mm（1σ）的边耦合驻波加速结构的物理设计和机械设计。通过结构优化和系统分析完成物理设计，完成了轴耦合聚束和边耦合加速一体化结构的物理研究，完成了栅控电子枪聚焦极和阳极的物理设计，通过工艺研究完成了相关加工工艺的探索，完成了加速结构的机械设计，基本掌握了相关的物理机制和关键技术。通过项目研究，对国内C波段和X波段加速结构研究提供了一定的经验。项目研究期间，国内同行已开展X波段边耦合驻波加速结构的研究，并继续推进C波段轴耦合驻波加速结构的研究，也对边耦合驻波加速结构中聚束段的对称设计进行了研究。本研究与医用和工业应用加速器的需求相关，完成的相关设计和研究经验，可能对相关的研究具有一定的推动作用。