二 微波源

在电子直线加速器中，微波源中采用的器件主要是磁控管或速调管。磁控管与速调管相比有以下优点: 一是磁控管效率比较高，一般为40~60%，而速调管为20~40%。二是速调管作为功率放大器，还需要激励源。而磁控管本身即是振荡源，这样体积小，适合安装于机器的回转体中。三是速调管的内阻较高，工作电压高达150~200kV。因此速调管微波源往往在大型加速器中使用。在医用电子直线加速器中只有在高能机上采用。在此主要叙述磁控管。

磁控管是振荡管，简单地说，是在一定的磁场和一定的电压下即能产生振荡的二极管。磁场恒定，电压可以是直流状态或脉冲状态。工作电压为直流状态时，磁控管输出功率为连续波状态。工作电压为脉冲状态时，其输出功率亦为脉冲功率。在医用电子直线加速器中都采用脉冲工作状态。

脉冲磁控管中大多采用旁热式氧化物阴极。一般为圆柱形，在管子中心部位。阴极与阳极构成二极管。阳极上的孔、槽构成谐振腔。一般将孔比作电感，槽比作电容，组成并联谐振回路。磁控管工作频率基本上由此结构而确定。磁控管的调频装置是在上述孔内插入金属杆，通过调整金属杆插入深度，从而改变谐振腔的谐振频率，磁控管磁铁提供磁控管所需要磁场。可以采用{yj}磁铁或电磁铁两种结构。多数采用{yj}磁铁。这样更换管子时，磁铁可以不更换。磁控管输出装置有同轴输出或波导输出两种，一般在大功率状态采用波导输出。在阳极上还带有散热结构，小功率状态采用散热片，采用风冷却方式。大功率状态焊有水套，采用水冷却方式。

磁控管内部物理过程十分复杂，至今尚未充分了解，在此简单介绍一下其基本工作原理。我们称阴极与阳极之间的空间为作用空间。磁控管中能量交换都在作用空间。由阴极发射的电子，在电场作用下(这是指外加电压)，获得动能，离开阴极趋向阳极。但由于在作用空间存在磁场，磁场仅控制电子运动方向，使电子在阴阳极间不是作直线运动，而是作旋转同时逐步趋向于阳极的运动。电子从电场中获得能量即动能，并在作用空间作旋轮线运动而最终到达阳极，其速度为零，这动能在上述运动过程中，逐步转变为微波场能。这转变是由于在磁控管振荡系统中，电子的热骚动，在谐振腔内产生弱振荡，在作用空间出现弱的交变电场，符合同步条件，使电子处在上述交变电场的减速场，完成能量交换，使上述交变场逐渐增强，直到形成相对稳定的“电子轮辐”进行高效率的能量交换，形成稳定振荡。上述电子中有一部分不参与能量交换，而直接回至阴极，即通常所说回轰阴极，使阴极温度升高。考虑这因素，磁控管在高功率输出时需降低灯丝供电，以维持阴极温度。

磁控管主要技术指标是工作频率和输出功率。一般频率稳定度为10-3~ 10-4，通过自动频率跟踪系统，可以满足加速管的要求。输出功率的稳定主要取决于调制器供给脉冲电压幅值的波动。除此外使磁控管能稳定工作的条件为: 一是管内真空度，这是磁控管首要条件，一般产品出厂都有保证，在使用中应注意。出厂后贮存较长时间的管子，初次使用时，有可能出现管内“打火”等工作不正常现象，这是存放时间较长，管内真空度的下降所致，这在产品说明书中有详细说明，要求在存放期间，经常点灯丝等。对于出现上述现象的管子，必须降低功率进行“老练”。一般降低至不出现“打火”现象，稳定工作一段时间后，逐步升功率直至额定值。这样可以达到稳定工作状态。因此对于储备管，应该与机器上使用管交替工作，经常更换，这样管子使用寿命会增加。“老练”不宜在加速器上进行，可以委托磁控管制造单位或研制单位做。二是磁控管的负载需稳定，而且驻波比应在1.15~1.5间。在磁控管与加速管间加隔离器或环流器，该器件应具有足够的隔离度，而且正向衰减应较小，一般在0.3~0.5dB。三是磁场的稳定，一般都采用{yj}磁铁。为使其稳定，必须注意免受撞击，同时注意铁磁性物体的撞击。一般要求在磁铁中拆装管子时采用无磁工具。磁场减弱将直接影响磁控管的输出功率，同时也使其效率下降。四是水冷却问题。磁控管的效率一般在40~50%。对于脉冲功率为2MW，工作比为0.1%，效率按50%计算，管子的阳极耗散功率达2kW左右。一般需采用水冷却。管温不仅影响其工作频率的稳定，更重要影响其工作稳定性。瞬间冷却水不通，有可能烧毁管子的阳极，使管子报废。因此加速器中水冷却系统还应有过滤杂质的装置。我所研制的加速器磁控管性能指标见表。

以上关键部件的工作原理及使用中注意的问题应予重视