边耦合驻波加速管的制作方法、边耦合驻波加速管与流程

本发明涉及医用电子直线加速器领域，特别是涉及一种边耦合驻波加速管的制作方法、边耦合驻波加速管。

背景技术：

加速管是医用电子直线加速器的关键部件，它的作用是产生用于临床癌症治疗和成像的高能射线。目前很多医用电子加速管生产商都在采用边耦合的驻波加速管结构，边耦合腔设置在加速路径两侧，电子枪提供的电子，在主加速腔中微波场的作用下获得能量，并通过主加速腔中心的束流孔，到达加速管引出口，而其中的微波功率，却是通过主加速腔与边耦合腔间的耦合孔进行耦合传输。加速管是通过多个加速单元组成一条链而形成的。其中，单周期指组成链的各个加速单元具有相同的形状和尺寸，即具有相同的电参数。

该结构生产工艺流程成熟，但是加工焊接过程繁琐而艰难，并且其在主加速腔内总会有一道焊缝，工艺稍有不慎就会使得整个腔体报废，或者严重影响腔体的微波性能。

一般现在的加速管生产商的生产流程都是完全基于机加工及全钎焊工艺技术来完成，这就确定了腔体的加工和焊接必须独立分开来完成，且机械结构也受到精密加工设备的限制。例如，现有的加速管每个主加速腔赤道附近必须由两片先完成机加工的半腔后，再两者钎焊完成。另外，耦合孔也是先完成主加速腔加工后再反向掏空边腔形成出来的通孔，因此这种加工方式制作出来的耦合孔边缘总是带有尖锐的边角，这种结构类型的耦合孔会引起后期加速管不同程度的微波打火问题，严重制约着加速管的运行稳定性。此外，对于某些特殊需求的加速腔结构(例如重入式边腔结构等)，目前的机加工很难完成，还会借助于深冲压成形或者铸造成形来完成，但是这种成形技术会更加复杂，且在加速管生产领域的成品率很低。

技术实现要素：

基于此，本发明要解决的技术问题是提供一种制作过程简单、制作出的加速管运行稳定性高的边耦合驻波加速管的制作方法，以及一种主加速腔无焊缝、腔体打火风险低、能够不受机加工成型条件限制的边耦合驻波加速管。

一种边耦合驻波加速管的制作方法，在其中一个实施例中，包括以下步骤：

通过3d打印技术制作一体成型的单周期加速腔体单元；

将打印完成的单周期加速腔体单元进行第一次热处理；

使用研磨材料对单周期加速腔体单元进行机械研磨抛光；

对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗；

将清洗后的单周期加速腔体单元进行装配形成边耦合驻波加速管。

在其中一个实施例中，在对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗的步骤中，所述清洗包括化学清洗。

在其中一个实施例中，所述化学清洗采用酸洗方式。

在其中一个实施例中，化学清洗采用酸洗方式时，单周期加速腔体单元浸泡在酸溶液的时间为5-20分钟，所述酸溶液的温度在25℃以内。

在其中一个实施例中，所述清洗还包括去离子水清洗，对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗的步骤包括：

对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行化学清洗；

对化学清洗后的单周期加速腔体单元进行去离子水清洗，并在清洗后烘干。

在其中一个实施例中，在进行去离子水清洗的步骤中，包括：

以大于20bar的水压对单周期加速腔体单元的内腔进行高压冲洗。

在其中一个实施例中，烘干温度为100～150摄氏度。

在其中一个实施例中，在对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗的步骤之后，包括：

对单周期加速腔体单元进行第二次热处理。

在其中一个实施例中，在将打印完成的单周期加速腔体单元进行第一次热处理的步骤中，进行第一次热处理的温度范围为500℃～800℃，保温时间2小时以上。

在其中一个实施例中，在进行机械研磨抛光的步骤中，进行机械研磨抛光的时间为30min～120min。

一种边耦合驻波加速管，包括多个单周期加速腔体单元，所述单周期加速腔体单元一体成型，具有一个主加速腔和两个与主加速腔连通的半边耦合腔；两个半边耦合腔分别设置在主加速腔的两侧，且相对主加速腔中心对称设置；多个单周期加速腔体单元依次连接，每个单周期加速腔体单元上的主加速腔相连通，相邻的单周期加速腔体单元上的单个半边耦合腔之间相对配合形成一个完整的边耦合腔。

在其中一个实施例中，其中有两个相邻的单周期加速腔体单元，每个单周期加速腔体单元上的其中一个半边耦合腔为半个能量开关腔，具有半个能量开关腔的两个单周期加速腔体单元能够相配合形成一个完整的能量开关腔。

在其中一个实施例中，所述主加速腔与半边耦合腔之间的耦合孔的边缘为圆角。

一种边耦合驻波加速管，包括多个单周期加速腔体单元，所述单周期加速腔体单元具有一个主加速腔和两个与主加速腔连通的半边耦合腔；两个半边耦合腔分别设置在主加速腔的两侧，且相对主加速腔中心对称设置；多个单周期加速腔体单元依次连接，每个单周期加速腔体单元上的主加速腔相连通，相邻的单周期加速腔体单元上的单个半边耦合腔之间相对配合形成一个完整的边耦合腔，所述主加速腔内没有焊缝。

上述边耦合驻波加速管的制作方法，先采用3d打印生产出完整的单周期加速腔体单元；为提高3d打印后腔体内表面的粗糙度，然后对每个单周期加速腔体单元进行机械研磨抛光处理，化学清洗处理，提高表面的粗糙度；之后将各个单周期加速腔体单元进行组装焊接；这一系列工艺流程不断的提高加速管关键部位的表面粗糙度，逐渐降低了加速腔内打火的风险，同时降低了加速管的功率损耗等问题。

上述的边耦合驻波加速管，通过3d打印技术一体成型，避免了现有技术的由两个半腔钎焊而成的缝隙，整个加速腔的主加速腔内无焊缝，提高了加速腔的高频性能。同时，由于单周期加速腔体单元一体成型，不需要传统工艺中的将多个半个主加速腔进行焊接，因此很大程度上降低了传统加速管生产过程中的焊接难度；同时由于焊接次数减少，加之3d打印效率高，大大缩短了边耦合驻波加速管的生产周期。另外，主加速腔可制作为厚度均匀的腔壁，可以缩减加速腔体的腔壁的厚度，有利于加速管的热传递以及散热，提高加速腔体的冷却效率，保证加速管运行的稳定性。本发明利用3d打印技术对单周期加速腔体单元进行加工，为腔体优化提供了新的途径，可以不受机加工成形条件的限制，开拓加速管的设计方案。

附图说明

图1为本发明边耦合驻波加速管中的一个单周期加速腔体单元的立体图；

图2为图1的纵向的剖面图；

图3为图1的左视图；

图4为图3中的a-a截面图；

图5为图3中的b-b截面图；

图6为本发明边耦合驻波加速管的立体图；

图7为图6的纵向的剖面图；

图8为本发明另一个实施例中的边耦合驻波加速管的立体图，图示带能量开关；

图9为具有特殊形状的能量开关的结构示意图；

图10为本发明边耦合驻波加速管的制作方法流程图；

附图标记说明：

单周期加速腔体单元100；

主加速腔110；

边耦合腔120；半边耦合腔121；能量开关腔122；

耦合孔130。

具体实施方式

以下将结合说明书附图对本发明的具体实施方案进行详细阐述，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1-图5所示，本发明中边耦合驻波加速管的单周期加速腔体单元100一体成型，通过3d打印技术制作而成，具有一个主加速腔110和两个与主加速腔110连通的半边耦合腔121。两个半边耦合腔121分别沿粒子加速方向设置在主加速腔110的两侧，且相对主加速腔110中心对称设置。如图6和图7所示，多个单周期加速腔体单元100依次连接，每个单周期加速腔体单元100上的主加速腔110相连通，相邻的单周期加速腔体单元100上的单个半边耦合腔121之间相对配合形成一个完整的边耦合腔120。多个单周期加速腔体单元100在氢气高温炉内进行焊接，形成一个边耦合驻波加速管。整个加速腔的单个主加速腔110内无焊缝。可选的，焊接可以为钎焊。

本发明中的边耦合驻波加速管的单周期加速腔体单元100通过3d打印技术进行加工，是一体成型的，单周期加速腔体单元100具有腔体，腔体包括一个完整的主加速腔110和两个与主加速腔连通的半边耦合腔121，避免了现有技术的由两个半腔钎焊而成的缝隙，整个加速腔的主加速腔内无焊缝，提高了加速腔的高频性能。同时，由于单周期加速腔体单元100一体成型，不需要传统工艺中的将多个半个主加速腔进行焊接，因此很大程度上降低了传统加速管生产过程中的焊接难度；同时由于焊接次数减少，加之3d打印效率高，大大缩短了边耦合驻波加速管的生产周期。本发明利用3d打印技术对单周期加速腔体单元进行加工，为腔体优化提供了新的途径，可以不受机加工成形条件的限制，开拓了加速管的设计方案。

进一步地，参照图3-图5，主加速腔110与半边耦合腔121之间的耦合孔130的边缘为圆角。耦合孔130边缘消除了尖锐的边角，实现耦合孔130结构的优化。这种结构类型的耦合孔130消除了的微波打火问题，提高了加速管的运行稳定性。通过3d打印技术还可以轻松实现耦合孔130特殊形状的要求，例如，可以制作成椭圆形或者跑道形、或者笑脸形状。

在其他的实施例中，边耦合驻波加速管带能量开关腔，能量开关为特殊形状的边耦合腔。调整了边耦合腔后，后续的主加速腔110中的微波场幅值、相位等将会发生变化,使得在该主加速腔110中通过的电子获得的能量增益发生变化。如图8所示，在带有能量开关的边耦合驻波加速管中，其中有两个相邻的单周期加速腔体单元100，每个单周期加速腔体单元100上的其中一个半边耦合腔为半个能量开关腔，具有能量开关腔的两个单周期加速腔体单元100相配合能够形成一个完整的能量开关腔122。

如图9所示，通过3d打印技术可以制作用于能量开关设计的腔体122’，可实现边耦合腔内任意模型的机械化，例如重入式结构类型的边耦合腔，其具有相对特殊的形状，利用一般的机加工技术较难实现，且成品率低，利用3d打印技术可以较容易制作等。因此，利用3d打印技术有利于能量开关技术的实现。

进一步地，如图8所示，主加速腔110可制作为厚度均匀的腔壁，可以缩减加速腔体的腔壁的厚度，这样会有利于加速管的热传递以及散热，提高加速腔体的冷却效率，保证加速管运行的稳定性。

上述的边耦合驻波加速管的制作方法，如图10所示，具体包括以下步骤：

s100，按照3d打印的流程，制作多个上述完整的单周期加速腔体单元。

s200，将打印好的单周期加速腔体单元放入高温真空炉内进行第一次热处理。

s300，使用研磨材料充入主加速腔内进行机械研磨抛光；

s400，对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗；

s500，将清洗后的单周期加速腔体单元进行装配形成边耦合驻波加速管。

通过3d打印技术，制作出的单周期加速腔体单元是一体成型的，很大程度上降低了传统加速管生产过程中的焊接难度；焊接次数减少，缩短了边耦合驻波加速管的生产周期。同时避免了现有技术的由两个半腔钎焊而成的缝隙，整个加速腔的主加速腔内无焊缝，提高了加速腔的高频性能。另外，主加速腔体可制作为厚度均匀的腔壁，可以缩减加速腔体的腔壁的厚度，提高加速腔体的冷却效率，保证加速管运行的稳定性。另外，利用3d打印技术对单周期加速腔体单元进行加工，为腔体优化提供了新的途径，可以不受机加工成形条件的限制，开拓加速管的设计方案。在其它实施例中，可以通过其它一体成型的加工方式制作单周期加速腔体单元，使得整个加速腔的主加速腔内无焊缝。

热处理消除内应力，重结晶提高强度；机械研磨抛光提高表面精度、清洗去除杂质进一步使腔体表面平滑均匀，通过以上流程处理后，可以保证腔体在打印完毕后的粗糙度提升至0.1um以下的表面程度水平，满足医用加速管的精度要求。此外，制造过程中多余的腔体无氧铜粉末可以重复利用，降低了生产成本。

其中，在步骤s100中，单周期加速腔体单元3d打印流程，按照如下的3d打印流程进行：

s110，制备加速管的材料粉末，优选铜粉末；

s120，使用三维软件生成3d打印需要的加速管模型；

s130，将铜粉末分摊在打印机的成型台上，充氩气；

s140，使用3d打印机的扫描控制系统对加速管模型腔体切片进行分析；

s150，将激光能量聚集在制备好的铜粉末上，产生切片实体层；

s160，逐渐在打印好的切片层基础上重复下一切片层，直到一个单周期加速腔体单元打印完成。

在步骤s200中，第一次热处理的具体步骤为：将打印好的单周期加速腔体单元放置于真空密封炉内，逐步升至500-800度，保温2小时以上；然后逐渐降温至室温后从真空密封炉内取出。经过第一次热处理以消除内应力，重结晶提高强度。

在步骤s300中，进行机械研磨抛光的时间优选为30min～120min。机械研磨抛光是在单周期加速腔体单元的主加速腔内注入微小的软质研磨颗粒(如塑料颗粒或者陶瓷颗粒等)，然后将腔体封住，沿轴向旋转，此时研磨颗粒在腔内对表面进行研磨。

在步骤s400中，清洗包括化学清洗，具体地，化学清洗采用酸洗方式。

具体地，化学清洗采用酸洗方式时，使用5％-15％的盐酸、10％-30％的硝酸、20-65％的磷酸按照一定比例进行混合得到酸溶液，可以以1：1：2的比例进行混合。将3d打印的腔体放入容纳酸液的容器内浸泡5-20min，同时控制酸的温度在25℃以内。酸洗一方面是将腔体表面的杂质去除掉，另外是将表面处理的更加平滑均匀。

进一步地，清洗还包括去离子水清洗，对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗的步骤包括：

s410，对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行化学清洗；

s420，对化学清洗后的单周期加速腔体单元进行去离子水清洗，并在清洗后烘干。

具体地，在去离子水清洗的步骤中，用电阻率大于15mω·cm的超纯水反复冲洗打印好的腔体内表面，并放置于优于10000级的洁净间内中晾干或者放置于真空炉内加热至100-150℃烘干，作用是去除表面水汽，同时防止有灰尘杂质吸附到内表面内。更优地，清洗腔体内表面是可采用高压水枪进行冲洗，如大于20bar的水压。高压水清洗作业一方面是将酸冲掉，另一方面是高压水本身也是提高处理腔体粗糙度的方法，去除表面毛刺凸起等。

进一步地，对机械研磨抛光后的单周期加速腔体单元进行清洗的步骤之后，包括：

对单周期加速腔体单元进行第二次热处理。

在第二次热处理之后，将单周期加速腔体单元进行装配并进一步钎焊进行连接，形成边耦合驻波加速管。第二次热处理主要目的是将单周期加速腔体单元腔体的内表面吸附的气体分子释放掉，消除表面气泡。

通过上述一系列工艺流程不断的提高加速管关键部位的表面粗糙度，逐渐降低了加速腔内打火的风险，同时降低了加速管的功率损耗等问题。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。