行波控相自动稳频系统

与行波双腔自动稳频系统不同，行波控相自动稳频系统是专为输出多档能量的高能行波医用电子直线加速器设计的频率自动控制系统。

一般来讲，现代高能行波医用电子直线加速器，在X线辐射模式，可以设置1～3个工作频率；在电子线辐射模式下，可以设置4～8个工作频率。这些工作频率，特别是在电子辐射模式下，相邻工作频率的间隔可能很近。为了保证电子辐射模式下设定的频率和输出能量的精确性和稳定性，现代高能行波医用电子直线加速器多是采用行波控相自动稳频系统（phase control automatic frequency control system），见图2-9-50。

图2-9-49　行波双腔自动稳频系统跳频原理

图2-9-50　行波控相自动稳频系统原理

行波控相自动稳频系统的核心器件是3dB耦合器。由图2-9-50可见，3dB耦合器是一个包括两个输入端（A端、B端）和两个输出端（X端、Y端）的4端口微波检测器件。其基本检测原理是：当信号从A端和B端输入时，从X端和Y端输出的分别是两个输入信号半峰值的矢量和。其中，从A端到X端和Y端的信号幅值都是减半，但X端的相位不变，Y端的相位超前A端90°；同样，从B端到Y端和X端的信号幅值也都是减半，但Y端的相位不变，而X端的相位超前B端90°。理论分析可知，如果A端和B端输入信号的相位不同，则不论幅值是否相等，则X端和Y端输出信号的幅值都不会相等，这种异相输入不等幅输出的情况，见图2-9-51。图2-9-51中的A和B等幅，但相位不同，所以合成之后在X端和Y端的输出幅值不同，相位也不同；反之，如果A端和B端输入信号的相位相同，则不论幅值是否相等，则X端和Y端输出信号的幅值永远相等。这种同相输入等幅输出的情况，见图2-9-52，图中的A和B幅值不同，但相位相同，所以合成之后在X端和Y端输出的幅值完全相同。行波控相自动稳频系统正是利用3dB耦合器的同相输入等幅输出和异相输入不等幅输出特点而设计的高精度控相微波自动稳频系统。

图2-9-51　3dB耦合器异相输入不等幅输出矢量图

图2-9-52　3dB耦合器同相输入等幅输出矢量

3dB耦合器X端和Y端输出信号的幅值差随A端和B端输入信号相位差的变化规律见图2-9-53。由图2-9-53可见，在两个输入端的相位差为±360°的范围内，输出端的幅值差按正弦规律变化，并有0°、±180°和±360°共5个位置。显然，只有当输入端的相位差在±90°之内时，3dB耦合器才能稳定工作，这时的频差范围是±240kHz，比双腔稳频系统的频差（1．0～1．2MHz）小得多，所以稳频精度更高。

图2-9-53　3dB耦合器输出幅值差随输入相位差的变化曲线

但是，当加速器工作于所设定的工作频率时，设置于不同位置的两个微波探针采集到的微波信号一般不是同相位，因此必须在一个输入端（例如图中的B端）串接一个可以调节相位的移相器。当行波加速器在每个工作频率（不同能量）运行时，通过移相控制，可将输入到3dB耦合器A端和B端的信号调整为同相位输入，这时，X端和Y端输出的信号幅值相等，系统不作调节；当频率变化时，因输入端相位的变化必然会引起X端和Y端输出幅值的变化，通过控制电路和调谐机构就可以将磁控管的谐振频率拉回到设定的工作频率，从而达到控相自动稳频目的。

图2-9-54　一种可调式移相器的内部结构

可调移相器其实就是一对活塞式可调圆形管腔。当电机带动活塞运动时，可以改变空腔容积，从而起到对信号的移相作用。在行波控相自动稳频系统中应用的可调式移相器的内部结构解剖，见图2-9-54。其中，2根约90mm长，直径约2mm的铜质管腔和1根连为一体的金属活塞杆就是移相器的核心零件，管腔的两个端子分别连接微波探针和3dB耦合器的一个输入端（B端）。其余部分是调节杆、绝缘套和外壳等。

若要改变频率以选择不同能量，首先是输入“频率预置”信号，与微波探针2采集的微波信号比较之后，经后级电路及驱动电机带动移相器的活塞移动位置，以达到移相目的。这时，因移相的结果使输入端产生相位差而导致输出端产生较大的输出幅值差，然后通过差分放大器带动后级电路和磁控管的调谐机构运动就可以改变微波频率，当达到新的设定频率时，两个输入端的相位差又相等，输出为零，系统就在新的工作频率上稳定运行。以上就是行波控相自动稳频系统改变工作频率和自动稳频的基本工作原理。