电子感应加速器

利用感生电场来加速电子的装置

电子感应加速器，是利用感生电场来加速电子的一种装置。

基本原理

在电磁铁的两极间有一环形真空室，电磁铁受交变电流激发，在两极间产生一个由中心向外逐渐减弱、并具有对称分布的交变磁场，这个交变磁场又在真空室内激发感生电场，其电场线是一系列绕磁感应线的同心圆，这时，若用电子枪把电子沿切线方向射入环形真空室，电子将受到环形真空室中的感生电场E的作用而被加速，同时，电子还受到真空室所在处磁场的洛伦兹力的作用，使电子在半径为R的圆形轨道上运动。

应用感应电场加速电子的电子感应加速器( betatron ) ，是感生电场存在的最重要的例证之一。早在1932年J.斯莱皮恩就提出利用感应电场加速电子的想法，接着也有不少人进行了这方面的研究，但他们都没有成功，直到1940年D.W.克斯特解决了电子轨道的稳定问题以后，才建成了第一台电子感应加速器，把电子加速到2.3MeV。随后这种加速器发展得很快，1942年建成了20MeV的电子感应加速器,1945年建成了100MeV的电子感应加速器。

在电子感应加速器的示意图中，磁轭和磁极均用硅钢片制成。在上下圆形磁极间的气隙中放置用优质玻璃或陶瓷材料做成的环形真空盒。在真空盒内，需要保持Torr的真空度。当电磁铁绕组通以交变电流,产生交变磁场时，在真空盒所包围的区域内的磁通量也随时间变化，这时真空盒空间内也就产生感应涡旋电场。因磁场分布是轴对称的，所以感应电场的电力线是闭合的同心圆族，其中一条同真空盒轴线相一致。如果用电子枪沿电力线方向将电子注入到真空盒内，那么这些电子将在涡旋电场作用下得到加速。

在磁场由弱变强的增长过程中，电子在真空盒里可回转几兆圈，被加速而获得几兆电子伏甚至上百兆电子伏的能量。磁场增长到最大值后下降，由强变弱恢复到初始值；这时间内它所产生的涡旋电场方向同电子运动方向相反。因此，应当在电场改变方向之前就把电子引出来；或使高能电子打在钨、铂等金属靶上，通过轫致辐射产生γ射线。可见，电子感应加速器的射线输出是脉冲式的，每秒钟的脉冲数就等于交变磁场的频率。电子感应加速器的能量上限，取决于电子沿圆形轨道运动时受到较大的向心加速作用而产生的能量辐射损失。这种辐射损失，是随电子能量的四次方迅速增长的。只有采取特殊措施来补偿这一能量损失，才能维持电子的轨道半径不变，使电子能量进一步提高。不过，在电子感应加速器中补偿起来比较困难，所以用感应加速器方法很难把电子加速到很高能量，到目前为止，这种加速器所达到的最高能量是315MeV。

另一方面，由于电子的能量正比于Bo·ro值,而Bo值受一定条件的限制，所以要继续提高能量便需要更大的电磁铁以加大Ro值，致使造价随能量的2～3次方增加。因此，需要很高能量的电子束时，一般选用电子同步加速器或电子直线加速器。

在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室，当用交变电流励磁电磁铁时，在环形室内就会感生出很强的、同心环状的有旋电场。用电子枪将电子注入环形室，电子在有旋电场的作用下被加速，并在洛伦兹力的作用下，沿圆形轨道运动。由于磁场和感生电场都是交变的，所以在交变电流的一个周期内，只有当感生电场的方向与电子绕行的方向相反时，电子才能得到加速。因而，要求每次注入电子束并使它加速后，在电场尚未改变方向前就将已加速的电子束从加速器中引出。由于用电子枪注入真空室的电子束已经具有一定的速度，在电场方向改变前的短短时间内，电子束已经在环内绕行几十万圈，并且一直受到电场加速，所以，可以获得能量相当高的电子。例如一个100 MeV的电子感应加速器，能使电子速度加速到0.999986c 。

装置原理

应用

当能量在数十兆电子伏以下时，电子感应加速器具有容易制造、便于调整使用，价格较便宜等优点。所以在国民经济的各方面被广泛采用。主要用于工业γ射线探伤和射线治疗癌症（利用电子或γ射线）等方面。世界上已有一百多台这种加速器在工作着，其中大多数的能量都在 20～30MeV以下。中国生产的工业探伤和医用电子感应加速器的能量为25MeV。

电子感应加速器也可以用来进行低能光核反应的研究，并可作活化分析及其他方面的辐射源。

电子感应加速器的电子流强度比较小，平均电子流一般不超过微安数量级；γ射线强度也比较弱，一般离靶1m处约50～100R/min。

近年来发展的轻便的电子直线加速器的射线强度比较大，有后来居上的趋势。

对直流

此时环行真空室中只有恒定的磁场，电子在室内只做匀速圆周运动。

对交流

当激励电流增加时，真空室中既有磁场又有有旋电场，电子在其中得到加速。磁场变化越快，电子的加速越明显。

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