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電子感應(yīng)加速器（利用感生電場(chǎng)來(lái)加速電子的裝置）

次瀏覽 | 更新時(shí)間：2023-05-16

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電子感應(yīng)加速器

利用感生電場(chǎng)來(lái)加速電子的裝置

電子感應(yīng)加速器所屬現(xiàn)代詞，指的是利用感生電場(chǎng)來(lái)加速電子的一種裝置。

基本信息

中文名	電子感應(yīng)加速器
材質(zhì)	金屬
用途	利用感生電場(chǎng)來(lái)加速電子
提出時(shí)間	1932年
所屬	加速電子的一種裝置

基本原理

在電磁鐵的兩極間有一環(huán)形真空室，電磁鐵受交變電流激發(fā)，在兩極間產(chǎn)生一個(gè)由中心向外逐漸減弱、并具有對(duì)稱分布的交變磁場(chǎng)，這個(gè)交變磁場(chǎng)又在真空室內(nèi)激發(fā)感生電場(chǎng)，其電場(chǎng)線是一系列繞磁感應(yīng)線的同心圓，這時(shí)，若用電子槍把電子沿切線方向射入環(huán)形真空室，電子將受到環(huán)形真空室中的感生電場(chǎng)E的作用而被加速，同時(shí)，電子還受到真空室所在處磁場(chǎng)的洛倫茲力的作用，使電子在半徑為R的圓形軌道上運(yùn)動(dòng)。

應(yīng)用感應(yīng)電場(chǎng)加速電子的電子感應(yīng)加速器( betatron ) ，是感生電場(chǎng)存在的最重要的例證之一。早在1932年J.斯萊皮恩就提出利用感應(yīng)電場(chǎng)加速電子的想法，接著也有不少人進(jìn)行了這方面的研究，但他們都沒(méi)有成功，直到1940年D.W.克斯特解決了電子軌道的穩(wěn)定問(wèn)題以后，才建成了第一臺(tái)電子感應(yīng)加速器，把電子加速到2.3MeV。隨后這種加速器發(fā)展得很快，1942年建成了20MeV的電子感應(yīng)加速器,1945年建成了100MeV的電子感應(yīng)加速器。

在電子感應(yīng)加速器的示意圖中，磁軛和磁極均用硅鋼片制成。在上下圓形磁極間的氣隙中放置用優(yōu)質(zhì)玻璃或陶瓷材料做成的環(huán)形真空盒。在真空盒內(nèi)，需要保持Torr的真空度。當(dāng)電磁鐵繞組通以交變電流,產(chǎn)生交變磁場(chǎng)時(shí)，在真空盒所包圍的區(qū)域內(nèi)的磁通量也隨時(shí)間變化，這時(shí)真空盒空間內(nèi)也就產(chǎn)生感應(yīng)渦旋電場(chǎng)。因磁場(chǎng)分布是軸對(duì)稱的，所以感應(yīng)電場(chǎng)的電力線是閉合的同心圓族，其中一條同真空盒軸線相一致。如果用電子槍沿電力線方向?qū)㈦娮幼⑷氲秸婵蘸袃?nèi)，那么這些電子將在渦旋電場(chǎng)作用下得到加速。

在磁場(chǎng)由弱變強(qiáng)的增長(zhǎng)過(guò)程中，電子在真空盒里可回轉(zhuǎn)幾兆圈，被加速而獲得幾兆電子伏甚至上百兆電子伏的能量。磁場(chǎng)增長(zhǎng)到最大值后下降，由強(qiáng)變?nèi)趸謴?fù)到初始值；這時(shí)間內(nèi)它所產(chǎn)生的渦旋電場(chǎng)方向同電子運(yùn)動(dòng)方向相反。因此，應(yīng)當(dāng)在電場(chǎng)改變方向之前就把電子引出來(lái)；或使高能電子打在鎢、鉑等金屬靶上，通過(guò)軔致輻射產(chǎn)生γ射線。可見(jiàn)，電子感應(yīng)加速器的射線輸出是脈沖式的，每秒鐘的脈沖數(shù)就等于交變磁場(chǎng)的頻率。電子感應(yīng)加速器的能量上限，取決于電子沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)受到較大的向心加速作用而產(chǎn)生的能量輻射損失。這種輻射損失，是隨電子能量的四次方迅速增長(zhǎng)的。只有采取特殊措施來(lái)補(bǔ)償這一能量損失，才能維持電子的軌道半徑不變，使電子能量進(jìn)一步提高。不過(guò)，在電子感應(yīng)加速器中補(bǔ)償起來(lái)比較困難，所以用感應(yīng)加速器方法很難把電子加速到很高能量，到目前為止，這種加速器所達(dá)到的最高能量是315MeV。

另一方面，由于電子的能量正比于Bo·ro值,而B(niǎo)o值受一定條件的限制，所以要繼續(xù)提高能量便需要更大的電磁鐵以加大Ro值，致使造價(jià)隨能量的2～3次方增加。因此，需要很高能量的電子束時(shí)，一般選用電子同步加速器或電子直線加速器。

裝置原理

在電磁鐵的兩極之間安置一個(gè)環(huán)形真空室，當(dāng)用交變電流勵(lì)磁電磁鐵時(shí)，在環(huán)形室內(nèi)就會(huì)感生出很強(qiáng)的、同心環(huán)狀的有旋電場(chǎng)。用電子槍將電子注入環(huán)形室，電子在有旋電場(chǎng)的作用下被加速，并在洛倫茲力的作用下，沿圓形軌道運(yùn)動(dòng)。由于磁場(chǎng)和感生電場(chǎng)都是交變的，所以在交變電流的一個(gè)周期內(nèi)，只有當(dāng)感生電場(chǎng)的方向與電子繞行的方向相反時(shí)，電子才能得到加速。因而，要求每次注入電子束并使它加速后，在電場(chǎng)尚未改變方向前就將已加速的電子束從加速器中引出。由于用電子槍注入真空室的電子束已經(jīng)具有一定的速度，在電場(chǎng)方向改變前的短短時(shí)間內(nèi)，電子束已經(jīng)在環(huán)內(nèi)繞行幾十萬(wàn)圈，并且一直受到電場(chǎng)加速，所以，可以獲得能量相當(dāng)高的電子。例如一個(gè)100 MeV的電子感應(yīng)加速器，能使電子速度加速到0.999986c 。這里，c是光在真空中的速度。

應(yīng)用

當(dāng)能量在數(shù)十兆電子伏以下時(shí)，電子感應(yīng)加速器具有容易制造、便于調(diào)整使用，價(jià)格較便宜等優(yōu)點(diǎn)。所以在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各方面被廣泛采用。主要用于工業(yè)γ射線探傷和射線治療癌癥（利用電子或γ射線）等方面。世界上已有一百多臺(tái)這種加速器在工作著，其中大多數(shù)的能量都在 20～30MeV以下。中國(guó)生產(chǎn)的工業(yè)探傷和醫(yī)用電子感應(yīng)加速器的能量為25MeV。

電子感應(yīng)加速器也可以用來(lái)進(jìn)行低能光核反應(yīng)的研究，并可作活化分析及其他方面的輻射源。

電子感應(yīng)加速器的電子流強(qiáng)度比較小，平均電子流一般不超過(guò)微安數(shù)量級(jí)；γ射線強(qiáng)度也比較弱，一般離靶1m處約50～100R/min。

近年來(lái)發(fā)展的輕便的電子直線加速器的射線強(qiáng)度比較大，有后來(lái)居上的趨勢(shì)。

對(duì)直流

此時(shí)環(huán)行真空室中只有恒定的磁場(chǎng)，電子在室內(nèi)只做勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

對(duì)交流

當(dāng)激勵(lì)電流增加時(shí)，真空室中既有磁場(chǎng)又有有旋電場(chǎng)，電子在其中得到加速。磁場(chǎng)變化越快，電子的加速越明顯。

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