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電子感應加速器

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電子感應加速器是利用感生電場來加速電子的一種裝置。在電磁鐵的兩極間有一環形真空室,電磁鐵受交變電流激發,在兩極間產生一個由中心向外逐漸減弱、並具有對稱分佈的交變磁場,這個交變磁場又在真空室內激發感生電場,其電場線是一系列繞磁感應線的同心圓,這時,若用電子槍把電子沿切線方向射入環形真空室,電子將受到環形真空室中的感生電場E的作用而被加速,同時,電子還受到真空室所在處磁場的洛倫茲力的作用,使電子在半徑為R的圓形軌道上運動。

1基本原理

應用感應電場加速電子的電子感應加速器( betatron ) ,是感生電場存在的最重要的例證之一。
電子感應加速器

  電子感應加速器

早在1932年J.斯萊皮恩就提出利用感應電場加速電子的想法,接著也有不少人進行了這方面的研究,但他們都沒有成功,直到1940年D.W.克斯特解決了電子軌道的穩定問題以後,才建成了第一台電子感應加速器,把電子加速到2.3MeV。隨後這種加速器發展得很快,1942年建成了20MeV的電子感應加速器,1945年建成了100MeV的電子感應加速器。
在電子感應加速器的示意圖中,磁軛和磁極均用硅鋼片製成。在上下圓形磁極間的氣隙中放置用優質玻璃或陶瓷材料做成的環形真空盒。在真空盒內,需要保持Torr的真空度。當電磁鐵繞組通以交變電流,產生交變磁場時,在真空盒所包圍的區域內的磁通量也隨時間變化,這時真空盒空間內也就產生感應渦旋電場。因磁場分佈是軸對稱的,所以感應電場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將電子注入到真空盒內,那麼這些電子將在渦旋電場作用下得到加速。
在磁場由弱變強的增長過程中,電子在真空盒裡可迴轉幾兆圈,被加速而獲得幾兆電子伏甚至上百兆電子伏的能量。磁場增長到最大值後下降,由強變弱恢復到初始值;這時間內它所產生的渦旋電場方向同電子運動方向相反。因此,應當在電場改變方向之前就把電子引出來;或使高能電子打在鎢、鉑等金屬靶上,通過軔致輻射產生γ射線。可見,電子感應加速器的射線輸出是脈衝式的,每秒鐘的脈衝數就等於交變磁場的頻率。
電子感應加速器

  電子感應加速器

電子感應加速器的能量上限,取決於電子沿圓形軌道運動時受到較大的向心加速作用而產生的能量輻射損失。這種輻射損失,是隨電子能量的四次方迅速增長的。只有採取特殊措施來補償這一能量損失,才能維持電子的軌道半徑不變,使電子能量進一步提高。不過,在電子感應加速器中補償起來比較困難,所以用感應加速器方法很難把電子加速到很高能量,到目前為止,這種加速器所達到的最高能量是315MeV。
另一方面,由於電子的能量正比於Bro值,而Bo值受一定條件的限制,所以要繼續提高能量便需要更大的電磁鐵以加大Ro值,致使造價隨能量的2~3次方增加。因此,需要很高能量的電子束時,一般選用電子同步加速器或電子直線加速器。
當能量在數十兆電子伏以下時,電子感應加速器具有容易製造、便於調整使用,價格較便宜等優點。所以在國民經濟的各方面被廣泛採用。主要用於工業γ射線探傷和射線治療癌症(利用電子或γ射線)等方面。世界上已有一百多台這種加速器在工作著,其中大多數的能量都在 20~30MeV以下。中國生產的工業探傷和醫用電子感應加速器的能量為25MeV。
電子感應加速器也可以用來進行低能光核反應的研究,並可作活化分析及其他方面的輻射源。
電子感應加速器的電子流強度比較小,平均電子流一般不超過微安數量級;γ射線強度也比較弱,一般離靶1m處約50~100R/min。
近年來發展的輕便的電子直線加速器的射線強度比較大,有後來居上的趨勢。

2裝置原理

在電磁鐵的兩極之間安置一個環形真空室,當用交變電流勵磁電磁鐵時,
電子感應加速器

  電子感應加速器

在環形室內就會感生出很強的、同心環狀的有旋電場。用電子槍將電子注入環形室,電子在有旋電場的作用下被加速,並在洛倫茲力的作用下,沿圓形軌道運動。由於磁場和感生電場都是交變的,所以在交變電流的一個周期內,只有當感生電場的方向與電子繞行的方向相反時,電子才能得到加速。因而,要求每次注入電子束並使它加速后,在電場尚未改變方向前就將已加速的電子束從加速器中引出。由於用電子槍注入真空室的電子束已經具有一定的速度,在電場方向改變前的短短時間內,電子束已經在環內繞行幾十萬圈,並且一直受到電場加速,所以,可以獲得能量相當高的電子。例如一個100 MeV的電子感應加速器,能使電子速度加速到0.999986c 。這裡,c是光在真空中的速度。

3對直流

此時環行真空室中只有恆定的磁場,電子在室內只做勻速圓周運動。
電子感應加速器

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4對交流

當激勵電流增加時,真空室中既有磁場又有有旋電場,電子在其中得到加速。磁場變化越快,電子的加速越明顯。
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