替代 192Ir的1 MeV Ku 波段电子直线加速器

               有两种实用的方法可用于工业应用>100 keV X 射线：使用放射性γ射线源，以及将加速电子束转换为轫致辐射。虽然放射性同位素源由于其紧凑、低成本和能谱纯度而似乎是此类应用的佳解决方案，但由于存在事故或转移的风险，美国和国际当局目前的趋势是用基于加速器的 X 射线源取代放射性同位素。此外，与放射性同位素不同，放射性同位素由于其半衰期而具有可变的输出并且必须每隔几个月补充一次，直线加速器可以在其整个生命周期内产生恒定的输出。用于射线照相的常见同位素是192Ir，它产生的平均γ能量为 380 keV，半衰期为 75 天，以及 60Co，平均能量为 1.25 MeV，半衰期为 5.3 年。由于半衰期短，192Ir 的威胁比60Co 小，但由于必须不断补充，因此被转移的风险更高。    

               粒子加速器代表了一种比放射性同位素更安全、更灵活的 X 射线源形式。但是，为了被视为合适的替代品，加速器必须具有相当的重量、成本和尺寸，并且与成像系统兼容。此外，新颖、高效的成像方法对 X 射线源提出了额外的要求，例如能量扩展、脉冲长度、能量变化和束流调制。目前用于产生X 射线的加速器初是在 1960 年代开发的，此后没有太大变化。

               然而，针对特定应用减小直线加速器的尺寸和重量的原因有很多。例如，在现场 X 射线照相和移动货物扫描仪等安全应用中，系统必须高度便携，以允许现场操作。X 射线源的重量和尺寸变得至关重要，而所需的能量却相当低：便携式扫描仪高达 2.5 MeV，移动扫描仪高达 6 MeV（Kutsaev  et al.，2017），可以放置在移动底盘上。在 1 MeV 时，加速器可以在穿透范围方面替代 192Ir。然而，使直线加速器能量在 0.5-2.0 MeV 范围内可变将使其也可以取代 75Se 和 137Cs 来检查更薄和更厚的物体。

               减小所有加速器组件尺寸的一种方法是利用经过仔细优化的高频加速器，并围绕它仔细设计系统的其余部分。与低频相比，高频操作有几个优点，因为有效的分流阻抗（定义到束流的功率传输效率）与f1/2耗散功率为 f-1/2。高频系统的较低 Q 值还允许更短腔的填充时间，从而减少未使用电源的时间。

               因此，在高频下工作的RF腔比在低频下工作的更小，需要的功率也少得多。佳频率的选择取决于所需的直线加速器参数和射频电源的可用性。例如，由于尺寸的原因，S波段（3 GHz）在磁控管功率和冷却能力方面提供了高的功率能力，可用于 9+ MeV 机器。X 波段 （∼10 GHz） 是 4-6 MeV 加速器的理想选择，而 Ku 波段 （15 GHz） 提供小的尺寸，但可用于亚 MeV 至 2 MeV 直线加速器，因为商用磁控管仅提供数百千瓦的功率。    

               用于射线照相的低功率/低能量直线加速器也需要经济实惠，以取代目前使用的放射性同位素源。为了降低加速结构的制造成本并允许大规模生产，RadiaBeam 正在积极开发一种新颖的“分体结构”直线加速器设计。这种方法不是加工数十个必须钎焊在一起并进行调整的单个单元，而是采用这种方法，RF 结构仅由两块铜块组成，并在表面微加工一个图案。然后将两半连接起来（焊接、钎焊或扩散键合）。这以更低的成本实现了更高的精度，减少了零件数量，避免了敏感射频特征上的钎焊接头，并且几乎无需调整。这种方法建立在 SLAC、CERN 和 INFN 合作的新工作之上，以制造开放的分裂 X 波段结构。我们工作的主要区别和新颖之处在于，分体式加速结构的焊接没有将射频表面加热到退火温度以上。

               通过应用这两种创新方法（扩展到高频和经济高效的分体结构技术），我们设计并目前正在构建一种能量范围为 1-2 MeV 的便携式低成本 X 射线源，主要用于替代便携式 X 射线照相应用中的 192Ir源。据我们所知，这将是有史以来第一台 Ku 波段直线加速器，也是第一台采用分体式结构方法建造的商用加速器。

迄今为止，我们进行了 1 MeV X 射线系统的概念设计，包括加速器设计和优化、束流动力学、电磁和多物理场仿真。我们选择了关键组件并对整个系统进行了概念工程设计，包括射频、高压、真空、冷却和控制系统，以展示系统的估计重量 和尺寸。我们还考虑将该系统扩展到更高的（能量高达 2 MeV）。总结了两种直线加速器选项的计算参数。后，我们加工了原型 Ku 波段分离加速结构，对其进行钎焊并对结构进行了射频测量，表明这种直线加速器是可行的，并且可以在没有调整规定的情况下构建。