用于电池供电的手持式2-MeV X射线发生器的Ku波段电子直线加速器

《Radiation Physics and Chemistry》：Ku-band electron linac for battery-powered hand-portable 2-MeV X-ray generator

X射线生成器在非破坏性检测和安保中至关重要，需具备便携性、自主性和可调参数。RF线性加速器作为替代方案，可避免放射性同位素的安全隐患和笨重 betatrons 的限制，但需解决体积、成本和成像性能问题。本文提出一种基于Ku波段（15 GHz）的2 MeV电子线性加速器原型设计，采用空气冷却磁控管、分体加速器结构制造技术及固态Marx调制器实现微型化和低成本。实验验证了加速器设计、锂离子电池供电及高能束流性能，为便携式X射线系统开发奠定基础。

　　X射线生成器在多个领域中扮演着关键角色，特别是在非破坏性检测（NDT）和安全应用中。这些设备能够提供高能辐射，用于检查结构完整性、发现潜在缺陷，以及保障安全。在实际操作中，尤其是在现场应用时，这些X射线源需要具备便携性、自主运行能力以及可调节的参数设置，以满足不同场景下的需求。传统的X射线源通常依赖于放射性同位素或大型的回旋加速器，但这些方法存在诸多限制，如维护成本高、安全风险大以及设备体积庞大等。因此，寻找一种更安全、更高效、更紧凑的替代方案成为研究的重点。

在当前的实践中，有两种主要的高能X射线源：基于放射性衰变的伽马源以及将电子束转换为制动辐射（Bremsstrahlung）的装置。然而，放射性同位素源在使用过程中存在一定的安全和操作问题。这些同位素需要定期补充，这不仅增加了成本，还带来了复杂的后勤挑战。此外，放射性同位素源在运行时始终处于“开启”状态，辐射会向各个方向均匀发射，这对操作人员和环境构成潜在的威胁。相比之下，基于射频（RF）线性加速器（linac）的辐射生成方式则提供了一种更安全、更灵活的替代方案。

射频线性加速器是一种能够产生高能X射线的设备，其优势在于输出的稳定性和可控性。与放射性同位素不同，射频线性加速器可以持续产生辐射，而不会受到衰变过程的影响。此外，它能够提供更高的辐射剂量率，这对于需要快速成像的现场应用至关重要。同时，它还能产生更高的能量水平，适用于更广泛的检测需求。因此，射频线性加速器被认为是当前高能X射线源的潜在替代方案，尤其是在工业检测、医疗诊断和安全筛查等领域。

然而，传统的射频线性加速器在体积、重量和成本方面存在一定的问题，特别是在需要满足现场应用的条件下。通常，这类设备需要较大的空间来容纳射频电源、调制器、屏蔽装置和冷却系统，体积可能接近1立方米，重量可达数百公斤。这使得它们在实际应用中不够灵活，难以满足对便携性的需求。因此，为了实现射频线性加速器的便携化，研究人员正在探索一系列创新技术，以缩小设备体积、减轻重量并降低制造成本。

其中，一种重要的创新技术是高频率磁控管（magnetron）的应用。磁控管能够提供高能脉冲，其工作频率通常在Ku波段（15 GHz）范围内。这种磁控管不仅体积小，而且具备良好的冷却性能，能够有效减少设备运行时的热量积累。此外，磁控管的输出功率较高，能够在短时间内提供所需的能量，这对于现场检测来说是非常重要的。同时，磁控管的制造成本相对较低，这使得它们成为射频线性加速器的理想选择。

另一个重要的创新技术是分割加速结构的制造方法。传统的加速结构通常需要较大的空间来容纳电子束的加速过程，而分割制造方法则通过将加速结构分成多个部分，从而减少整体的体积和重量。这种方法不仅提高了设备的紧凑性，还增强了其可扩展性，使得可以根据不同的应用需求调整加速结构的设计。此外，分割制造方法还能够提高设备的可靠性，因为它减少了单个部件的故障率，从而提高了整个系统的稳定性。

此外，固态Marx调制器（modulator）的应用也对射频线性加速器的便携化起到了关键作用。Marx调制器是一种能够提供高电压脉冲的装置，其优势在于体积小、重量轻以及运行效率高。与传统的调制器相比，固态Marx调制器能够提供更稳定的输出，并且在运行过程中更加安全。这些调制器通常采用固态元件，减少了对复杂机械结构的依赖，从而提高了设备的耐用性和可靠性。

基于这些创新技术，研究人员已经成功设计出一种2 MeV Ku波段的射频线性加速器原型，用于便携式X射线生成器系统。该系统采用了分割加速结构制造技术，使得加速结构的体积和重量大幅减少，同时保持了良好的性能。此外，该系统还采用了固态Marx调制器，以提供稳定的高电压脉冲，确保电子束的加速过程顺利进行。这些技术的结合不仅提高了设备的性能，还使其更加适合现场应用。

在实际测试中，该2 MeV Ku波段射频线性加速器表现出良好的性能。测试结果表明，其能够产生高能X射线，满足现场检测的需求。同时，该系统还能够通过锂离子电池供电，使其具备更强的自主运行能力。这种便携性使得该设备能够在各种复杂的环境中使用，包括野外、高空以及偏远地区。此外，该系统还具备良好的辐射屏蔽能力，能够有效保护操作人员和环境免受辐射伤害。

该射频线性加速器的设计和测试结果标志着在开发便携式X射线生成器系统方面的重要进展。通过采用先进的技术，研究人员成功实现了设备的小型化和轻量化，使其能够满足现场应用的严格要求。这些创新不仅提高了设备的性能，还使其更加安全和可靠，为未来的工业检测、医疗诊断和安全筛查提供了新的可能性。

在实际应用中，这种便携式X射线生成器系统可以用于多个领域。例如，在石油和天然气行业中，该系统可以用于检查管道、压力容器和储罐，以发现裂缝和腐蚀等潜在问题。在建筑和基础设施项目中，该系统可以用于评估桥梁、大坝和建筑物的结构完整性。在航空航天领域，该系统可以用于检查飞机部件，如涡轮叶片和机身结构。在电力行业，该系统可以用于监测核反应堆、锅炉和涡轮的焊接质量。在制造和汽车工业中，该系统可以用于检测船体和焊接接头的缺陷，确保符合安全标准。

此外，该系统还能够用于医疗诊断，特别是在需要高能X射线的医学成像和治疗中。在安全筛查方面，该系统可以用于机场、港口和边境等关键区域，以检测潜在的危险物品。这些应用表明，这种便携式X射线生成器系统具有广泛的应用前景，能够为多个行业提供更高效、更安全的检测手段。

为了进一步提高该系统的性能和可靠性，研究人员还在不断探索新的技术。例如，通过优化加速结构的设计，可以提高电子束的加速效率，从而增加X射线的输出功率。同时，通过改进磁控管和调制器的性能，可以提高系统的稳定性和耐用性。此外，通过采用更先进的冷却技术和材料，可以进一步减少设备运行时的热量积累，提高其在高温环境下的适应能力。

总之，这种基于Ku波段射频线性加速器的便携式X射线生成器系统代表了当前高能X射线源技术的重要突破。通过采用创新技术，研究人员成功实现了设备的小型化和轻量化，使其能够满足现场应用的严格要求。这些技术的应用不仅提高了设备的性能，还使其更加安全和可靠，为未来的工业检测、医疗诊断和安全筛查提供了新的可能性。随着技术的不断进步，这种便携式X射线生成器系统有望在更多领域中得到广泛应用，为各个行业带来更高的效率和安全性。