驻波加速管的工作原理

驻波加速管的基本工作原理可参照图2-8-12进行分析。

作为π模工作的驻波加速管，当1＃腔内电场强度为正时，则2＃腔内的电场强度为负；反之，当1＃腔内电场强度变为负值时，则2＃腔内的电场强度变为正值；相邻腔内的电场强度总是这样交替变换，幅度则随着时间逐渐由小变大，再由大变小，周而复始。因此，可以设想，如果在1＃腔的电场强度由负变正的瞬间注入一个电子，则电子在前进的同时，电场强度不断增加，电子不断获得能量，电场强度达到峰值时，电子也正好到达1＃加速腔的中央位置，之后电场强度开始下降，电子依靠惯性在后半腔中飞行；当电子进入2＃腔的瞬间，相邻加速腔的电场强度方向正好翻转，这时，1＃腔内电场强度变为负值，2＃腔内的电场强度变为正值，电子又在2＃腔内被继续加速获得更高的能量。当相邻加速腔的电场强度方向再次翻转时，电子又进入了下一个电场强度为正值并不断增加的加速腔内。这样，尽管相邻加速腔电场强度的大小和方向一直交替变换，但电子却一直处于加速相位，所以电子能量可以得到持续增加，直至达到我们所期望的电子能量。这就是驻波加速管的基本工作原理。虽然这里只是讨论了相邻加速腔相位相差180°时的π模工作模式，但是，不难理解，当加速管工作于其他模式（例如π/2模）时，驻波加速管的基本工作原理是完全相同的。

显然，实现驻波加速管工作原理的基本条件之一是“同步加速条件”。

根据对驻波加速管基本工作原理的描述可知，要想让驻波加速管能够持续加速电子，作为π模工作的驻波加速管，必须让电子渡越一个腔体（腔长为D）的时间等于电场强度方向的变换时间。由此可以推论，一般情况下，不论加速管工作于何种驻波工作模式，驻波加速管的同步加速条件是：必须满足电子渡越一个驻波长度的时间正好等于驻波振荡的半周期。用Ds表示任意模式的驻波长度，并假设注入加速管的电子速度已经接近光速，于是，驻波加速管的同步加速条件可以用式2-8-32表示：

根据前面的分析，并参照图2-8-14可知，单周期π模驻波加速管的驻波长度DS与模片间距D的尺寸相等；而单周期π/2模驻波加速管的驻波长度DS2倍于模片间距D的长度，所以，从理论上来讲，如果要保持这种驻波加速管的同步加速条件不变，驻波振荡的半周期T/2也必须增加1倍。但在后面驻波加速管的基本工作原理与基本结构中将要讲到，现代驻波加速管其实都是工作在改造后的π模工作模式，所以实用的驻波长度DS与模片间距D的尺寸总是相等的，驻波的振荡周期不用改变，即额定微波频率是通用的。

由于驻波加速管的驻波电场是由正向行波与反向行波共同作用形成的，当驻波加速管的结构尺寸确定之后，微波频率的变化必然会影响驻波电场的建立，所以，驻波加速管对微波频率的精度要求更高。另外，对特定工作模式的驻波加速管而言，它只能工作于单一的微波振荡频率，频率偏离之后，不但场强降低，还会破坏驻波形成条件，从而破坏同步加速条件，所以，驻波加速管只能工作在单一微波频率上，这说明驻波加速管是单频微波器件，或者说是一个窄频带部件。微波频率必须与加速管的工作模式严格匹配。

在电子加速过程中，由于驻波电场不与被加速的电子同步前进，所以不存在“滑相现象”，因此也就不存在自动稳相问题。

由于驻波电场的强度和方向也是周期性变化的，因此，除了必须符合同步加速条件之外，还有一个电子注入时机（相位）的问题。在理想情况下，应该在加速管第一个腔内的驻波电场正好从负变正的瞬间注入电子，但实际情况是，电子的注入时机（相位）肯定会有差异，即便同时注入的电子，也肯定会有先后，因此不同相位注入的电子肯定会有不同的加速效果，试分析如下。

驻波加速管电子注入时机与加速效果，见图2-8-15。

图中e1、e2、e3是先后注入驻波加速管的3个电子，目前分别位于相位角为φ1、φ2、φ3的位置。我们假设e1是在腔内电场由负变正的瞬间（方向实线所示）注入的，我们把它叫做“同步电子”，e2和e3随后依次注入。不难理解，由于3个电子分别受到不同强度电场的作用，所以加速效果是不一样的，e1加速最快，e2次之，e3最慢。于是距离进一步拉开，随着加速过程，距离越拉越大。当e1进入下一个腔时，电场方向正好翻转（方向转为虚线所示），这时e1继续受到加速，但由于电场方向已经翻转，e2和e3受到减速作用。在惯性作用下，由于e2储存的能量较大而越过减速区继续得到加速，但与e1的距离进一步拉大，e3则有可能根本到不了下一个加速区就被丢失。之后，随着电子加速过程的继续进行，e2也有可能丢失，真正被加速到最后的只剩下同步电子e1。可见，驻波加速结构不但没有聚束功能，反而还有“散焦”作用。所以，驻波加速管对电子的俘获效率是比较低的。为了尽量提高电子俘获比例，一般是尽量提高注入电子的初始速度，让电子一进入加速管就接近光速，在加速管内的加速过程主要是增加电子能量。即便这样，驻波加速管对电子的俘获系数也只能达到30%左右，比行波加速管对电子的俘获系数要小得多。

图2-8-15　驻波加速管电子注入时机与加速效果

在这里也可以看出，虽然从驻波电场的建立原理来讲，驻波加速管是单色结构，但由于驻波加速管的散焦作用，致使输出电子的能散度较大，即电子束的能量是高能散束流，这是驻波加速管区别于行波加速管的一项重要特性之一，所以，驻波加速器的束流偏转系统要比行波加速管的束流偏转系统复杂一些，以便通过束流偏转系统进一步屏蔽掉偏离设定能量的电子，让输出电子束流的能散度得到进一步优化。通俗一点的说法就是：丢掉高的，扔掉低的，只保留最优的。最后输出的就是我们设定能量的电子束流。