首次通过蒙特卡洛模拟和现场测量方法研究45兆瓦速调管中的X射线辐射特性

《Radiation Measurements》：First study of X-ray radiation in 45 MW klystrons via Monte Carlo simulations and in situ measurements

高功率klystron运行时因高能电子撞击铜制部件产生韧致辐射X射线，蒙特卡洛模拟结合屏蔽衰减法分析其能谱与剂量率分布，结果显示X射线能量随电子能量增加而拓宽，峰值剂量仍符合安全标准，但建议加强局部屏蔽和辐射监测。

　　

摘要

高功率速调管对于产生用于加速带电粒子的微波信号至关重要。然而，它们在如此高的功率水平下运行（通常平均功率从几千瓦到兆瓦不等）会引发对无意产生X射线的担忧。本研究重点是在正式运行前，对高功率测试条件下产生的X射线谱和剂量当量率进行表征。通过蒙特卡洛模拟，分析了X射线的产生和穿透情况。利用检测系统，我们分析了速调管不同位置的X射线剂量率分布。X射线的能量是通过屏蔽衰减方法获得的。结果表明，显著的X射线产生主要是由于轫致辐射过程，这与高能电子撞击速调管组件有关。研究发现，尽管剂量率保持在监管安全范围内，但仍建议进行辐射监测并加强局部屏蔽，以确保在速调管附近工作的人员安全。

引言

真空电子设备仍然是多种应用中高功率微波的主要来源（Gold和Nusinovich，1997；Schamiloglu，2004）。例如科学仪器（Gold和Nusinovich，1997；Sakudo，2000）、通信系统（Gold和Nusinovich，1997；Sobol，2003）、聚变等离子体加热（Shimozuma等人，2008）以及非致命定向能武器（Schamiloglu，2004）等。其中，速调管通过将电子束的动能转换为射频（RF）能量来工作（Caryotakis，2004）。

速调管的发展从其早期的科学起源开始，经历了第二次世界大战和冷战期间的战略部署，并且至今仍作为加速器设施中的关键组件而受到重视（Caryotakis，1998）。例如，斯坦福直线加速器中心（SLAC）的2英里电子正电子对撞机采用了大约240个功率为65 MW的SLAC 5045速调管（Gold和Nusinovich，1997；Caryotakis，1994）。图1简化展示了其结构和工作原理（修改自参考文献Canon Microwave Tubes Product Catalog (2023)）：

电子源：电子从阴极发射出来，并在阴极和阳极之间的电场中加速，然后进入漂移管。

聚束过程：低功率微波被送入第一个腔体。这些微波产生一个交变电场。一些电子在负电场中被加速，而一些则在正电场中被减速。这些加速和减速过程调节了电子的速度，并将电子分成束流。

能量转移：这些聚束后的电子通过额外的腔体，其动能被转移到RF场中，从而放大信号。高放大的微波通过输出窗口输出，用于驱动加速器波导中的电子。

收集：未转化为微波能量的电子能量在速调管末端的收集器中以热的形式耗散。收集器通常由具有良好导热性的材料制成，以便散热，最终通过水冷系统将热量带走。

然而，当这些高能电子撞击收集器时会发生快速减速，从而产生轫致辐射，这是一种具有连续谱的X射线辐射形式。发射光子的能量可以从接近零到入射电子的最大动能不等。这些高能光子有可能穿透速调管材料并到达操作区域。此外，散射的X射线可能通过波导结构、水管、电源电缆和其他组件逸出。因此，实施屏蔽和安全措施以减轻这些风险是至关重要的。

章节摘录

速调管产生的X射线概述

Lehman（1970）进行了一项关于高功率速调管附近X射线发射的研究。使用电离室测量了X射线的强度和分布，作为电压、脉冲频率和微波功率输出的函数。记录到的最低和最高剂量分别为6 μSv/h和2.6 mSv/h。该研究强调了理解与高功率电子设备相关的辐射危害的重要性，并提供了减少暴露的建议。

根据

高功率测试平台

Canon E37302A型短脉冲速调管被用作LUTF 500 MeV光源的RF源（Zhang等人，2023；Yang等人，2025）。构建了一个高功率测试平台来验证直线加速器的电源参数。该系统包括速调管、调制器、负载、真空系统、冷却水系统、低频射频（LLRF）控制系统和其他组件，如图2所示。

Canon E37302A属于S波段短脉冲速调管，脉冲长度小于

蒙特卡洛模拟

模拟分为两部分。首先，给出了电子撞击铜时产生的轫致辐射谱的简化模拟，因为铜常被选为速调管的结构材料。这项模拟研究是通过开源软件pyPENELOPE（Pinard等人，2006）进行的，该软件旨在便于使用蒙特卡洛代码PENELOPE（Salvat等人，2006）及其主要程序PENEPMA（Llovet和Salvat，2017）。

轫致辐射谱

图4显示了pyPENELOPE软件计算的电子能量为50、100、200、315、400、500和630 keV时的轫致辐射谱。当电子能量低于100 keV时，产生的主要X射线是低能量X射线，其特征是强度高但能量低。轫致辐射分布在一个明显的峰值上，主要集中在低能量范围内。随着电子能量的增加，轫致辐射的强度和能量范围都会增加。

结论

本研究调查了LUTF 500 MeV光源所使用的45 MW高功率速调管的X射线发射。蒙特卡洛模拟表征了由于电子以多种能量撞击铜靶和收集器而产生的轫致辐射过程中的X射线谱和剂量当量率。随着电子能量的增加，轫致辐射谱的通量也会增加，同时能量谱变宽，最大能量接近入射电子的能量。

CRediT作者贡献声明

周旭瑞：撰写——原始草稿、软件开发、数据整理。杨尧：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念构思。叶光光：资源提供、研究支持。杨磊：资源提供、研究支持。张俊强：研究支持。杨雪：研究支持。林汉尚：资源提供、研究支持。李忠全：监督、资源提供、方法论指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我想对高功率测试平台的工作人员在整个研究过程中提供的支持和帮助表示感谢。该项目得到了国家自然科学基金（批准号：12305351）和中国重庆大学超快瞬态设施（LUTF）项目的支持。