行波加速管的基本结构

行波加速管的整体结构形式和内部结构尺寸可以是多种多样的，但基本结构原理却大同小异。比较典型的盘荷波导行波高能电子直线加速管的内部结构解剖，见图2-8-9。看起来很简单，但它的科技含量非常高，凝聚了许多科学家的心血，是行波电子直线加速器的技术核心，并不是随意仿造就可以成功的。从结构设计、材料选用、加工制造、安装调试以及运行维护的各个环节，稍有不慎都有可能造成加速管的整体报废。

从图2-8-9中可见，电子注入端的盘荷间距较近，盘荷内孔直径较大，其原因就是刚注入的电子较散，速度较慢，这一段的主要任务是对电子进行相聚束和预加速，这就是我们所说的聚束段；中段的盘荷间距越来越远，孔径逐渐变小，是电子速度与行波电场速度同步增长的区域；到了后段，盘荷间距相等，孔径也都相等，这时的电子速度已经接近光速，行波电场相速度也必须控制在接近于光速或等于光速，不能继续增加。整条加速管的中、后段就是我们所说的主加速段。

图2-8-9　盘荷波导行波高能电子直线加速管的内部结构解剖

盘荷波导行波加速管的左端是电子注入端，右端是高能电子输出端

我们已经知道，盘荷波导的几何尺寸是行波电子直线加速管的技术关键，因此，有必要在这一节里重点讨论盘荷波导的几何尺寸问题。盘荷波导结构的几何尺寸，见图2-8-10。

图2-8-10　盘荷波导的几何尺寸

由图2-8-10可见，盘荷波导的几何尺寸主要包括波导内经2b，模片孔径2a，模片间距d和模片厚度t。在这些波导的几何尺寸中，模片厚度t对相速度的影响较小，模片厚度t的选择主要取决于机械强度和模片内孔圆弧倒角附近高频电的击穿强度。在设计盘荷波导的结构尺寸时，模片厚度t是可以首先确定的参数，对10cm波段的加速管（微波频率f＝2998MHz或2856MHz）一般选取t＝4～6mm，也有选择t＝2mm的。

模片间距d也不是影响行波电场相速度的主要因素。然而，它对盘荷波导内建立起来的行波电场强度的影响比较大。如果盘荷波导内的模片间距较远，则微波在加速管的单位距离内消耗相同功率时，所建立起来的电场强度较低，不能满足对电子的加速要求；如果盘荷波导内的模片间距较近，会增加高频电流流过的表面面积，增加了微波的功率损耗。因此，存在一个模片最佳间距的问题。通过实验研究证明，盘荷波导模片之间的最佳间距是在每一个相波长（导波长）λg内有3～4个模片。同时，模片间距的确定是与加速管的工作模式相联系的。所谓加速管的工作模式，是指由盘荷波导隔离开的邻近两个加速腔之间的相位移，一般是选择90°或120°两种工作模式。90°工作模式称为模，对应的是d＝λg；120°工作模式称为π模，对应的是d＝λg。

模片孔径2a的确定主要依赖于盘荷波导对加速管行波电场的场强要求，即对行波加速管电场梯度的要求。对电场梯度的要求越高，则孔径2a的尺寸就越小，导致盘荷内孔半径a与微波波长λ的比值a/λ变小，当α/λ过小时，则该加速管的色散会变得很严重（色散概念见后），对频率自动稳定系统提出很高的要求，加速管难以稳定工作。从兼顾提高电场梯度和加速管工作稳定两个方面考虑，a/λ的值一般选在0．1～0．13比较合适。

为了获得所需要的行波电场相速度，当a值确定之后，b值就被唯一确定下来了。盘荷波导的皱折深度b-a是对行波电场相速度最敏感的尺寸。b-a的值越大，说明皱褶越深，行波电场的相速度就越慢；反之b-a的值越小，则行波电场的相速度越快。

自从20世纪40年代发明行波加速管以来，为了精确计算盘荷波导的几何结构尺寸与微波频率、行波速度和行波场强之间的关系，人们一直在研究和探索各种计算方法与计算程序。目前，盘荷波导的几何尺寸精确度已经可以达到μm级，频率精度达到10-6～10-5　Hz。

假设：d＝λg，βp＝1，（βp＝1表示额定基波频率对应的相速度常数），则可以给出一个b值估算公式，见式2-8-11：

注入加速器的微波波长一般是λ＝10cm，若选取（a/λ）＝0．1，则代入上式计算可得b≈3．9cm，即2b＝7．8cm。可见，这种加速管的内部结构尺寸是以厘米为单位的数量级。