有兩種實用的方法可用於工業應用>100 keV X 射線:使用放射性γ射線源,以及將加速電子束轉換為軔致輻射。雖然放射性同位素源由於其緊湊、低成本和能譜純度而似乎是此類應用的佳解決方案,但由於存在事故或轉移的風險,美國和國際當局目前的趨勢是用基於加速器的 X 射線源取代放射性同位素。此外,與放射性同位素不同,放射性同位素由於其半衰期而具有可變的輸出並且必須每隔幾個月補充一次,直線加速器可以在其整個生命周期內產生恒定的輸出。用於射線照相的常見同位素是192Ir,它產生的平均γ能量為 380 keV,半衰期為 75 天,以及 60Co,平均能量為 1.25 MeV,半衰期為 5.3 年。由於半衰期短,192Ir 的威脅比60Co 小,但由於必須不斷補充,因此被轉移的風險更高。
粒子加速器代表了一種比放射性同位素更安全、更靈活的 X 射線源形式。但是,為了被視為合適的替代品,加速器必須具有相當的重量、成本和尺寸,並且與成像係統兼容。此外,新穎、高效的成像方法對 X 射線源提出了額外的要求,例如能量擴展、脈衝長度、能量變化和束流調製。目前用於產生X 射線的加速器初是在 1960 年代開發的,此後沒有太大變化。
然而,針對特定應用減小直線加速器的尺寸和重量的原因有很多。例如,在現場 X 射線照相和移動貨物掃描儀等安全應用中,係統必須高度便攜,以允許現場操作。X 射線源的重量和尺寸變得至關重要,而所需的能量卻相當低:便攜式掃描儀高達 2.5 MeV,移動掃描儀高達 6 MeV(Kutsaev et al.,2017),可以放置在移動底盤上。在 1 MeV 時,加速器可以在穿透範圍方麵替代 192Ir。然而,使直線加速器能量在 0.5-2.0 MeV 範圍內可變將使其也可以取代 75Se 和 137Cs 來檢查更薄和更厚的物體。
減小所有加速器組件尺寸的一種方法是利用經過仔細優化的高頻加速器,並圍繞它仔細設計係統的其餘部分。與低頻相比,高頻操作有幾個優點,因為有效的分流阻抗(定義到束流的功率傳輸效率)與f1/2耗散功率為 f-1/2。高頻係統的較低 Q 值還允許更短腔的填充時間,從而減少未使用電源的時間。
因此,在高頻下工作的RF腔比在低頻下工作的更小,需要的功率也少得多。佳頻率的選擇取決於所需的直線加速器參數和射頻電源的可用性。例如,由於尺寸的原因,S波段(3 GHz)在磁控管功率和冷卻能力方麵提供了高的功率能力,可用於 9+ MeV 機器。X 波段 (∼10 GHz) 是 4-6 MeV 加速器的理想選擇,而 Ku 波段 (15 GHz) 提供小的尺寸,但可用於亞 MeV 至 2 MeV 直線加速器,因為商用磁控管僅提供數百千瓦的功率。
用於射線照相的低功率/低能量直線加速器也需要經濟實惠,以取代目前使用的放射性同位素源。為了降低加速結構的製造成本並允許大規模生產,RadiaBeam 正在積極開發一種新穎的“分體結構”直線加速器設計。這種方法不是加工數十個必須釺焊在一起並進行調整的單個單元,而是采用這種方法,RF 結構僅由兩塊銅塊組成,並在表麵微加工一個圖案。然後將兩半連接起來(焊接、釺焊或擴散鍵合)。這以更低的成本實現了更高的精度,減少了零件數量,避免了敏感射頻特征上的釺焊接頭,並且幾乎無需調整。這種方法建立在 SLAC、CERN 和 INFN 合作的新工作之上,以製造開放的分裂 X 波段結構。午夜成人小电影工作的主要區別和新穎之處在於,分體式加速結構的焊接沒有將射頻表麵加熱到退火溫度以上。
通過應用這兩種創新方法(擴展到高頻和經濟高效的分體結構技術),午夜成人小电影設計並目前正在構建一種能量範圍為 1-2 MeV 的便攜式低成本 X 射線源,主要用於替代便攜式 X 射線照相應用中的 192Ir源。據午夜成人小电影所知,這將是有史以來第一台 Ku 波段直線加速器,也是第一台采用分體式結構方法建造的商用加速器。
迄今為止,午夜成人小电影進行了 1 MeV X 射線係統的概念設計,包括加速器設計和優化、束流動力學、電磁和多物理場仿真。午夜成人小电影選擇了關鍵組件並對整個係統進行了概念工程設計,包括射頻、高壓、真空、冷卻和控製係統,以展示係統的估計重量 和尺寸。午夜成人小电影還考慮將該係統擴展到更高的(能量高達 2 MeV)。總結了兩種直線加速器選項的計算參數。後,午夜成人小电影加工了原型 Ku 波段分離加速結構,對其進行釺焊並對結構進行了射頻測量,表明這種直線加速器是可行的,並且可以在沒有調整規定的情況下構建。