第六章電子感應(yīng)加速器

第六章電子感應(yīng)加速器第一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五內(nèi)容§6.1、電子感應(yīng)加速器原理§6.2、電子束的聚焦§6.3、電子能量和輻射損失§6.4、電子的入射俘獲及電子流強度§6.5、感應(yīng)加速器電子束性能§6.6、直線電子感應(yīng)加速器第二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五前言1、電子加速器的類型

電子加速器是加速器家族中的重要成員。電子加速器主要有以下幾種類型：本章介紹電子感應(yīng)加速器。2、1940年建成了第一臺電子感應(yīng)加速器（Ee=2.3MeV）3、電子直線加速器（現(xiàn)代）4、電子加速器的用途1）電子與物質(zhì)的相互作用研究；

2）電子輻照加工；（如電纜輻照，熱縮管加工，器件輻照）3）用電子打靶韌致輻射產(chǎn)生較高能量、較高強度的光子；#光子與核的相互作用研究；#醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用（如診斷、治療）#農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用（如輻照保鮮）#工業(yè)探傷#成像檢測。4)白光中子源第三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速器原理1、感應(yīng)加速原理

根據(jù)麥克斯韋方程，變化的磁場可以產(chǎn)生渦旋電場，即：

（或）

將電子注入到渦旋電場中進(jìn)行加速，同時，利用導(dǎo)引磁場將電子控制在恒定軌道加速。

必須合理設(shè)計加速磁場

和軌道導(dǎo)引磁場。

第四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理2、沿恒定軌道加速電子的導(dǎo)引磁場條件1）導(dǎo)引磁場（軌道磁場）

為了使電子沿恒定圓形軌道運動并在渦旋電場中得以加速，必須在電子恒定軌道上設(shè)置合適的導(dǎo)引磁場。2）導(dǎo)引磁場與電子能量的關(guān)系由：得：為軌道半徑，和分別為電子的動能與靜止能量。

上式即為軌道導(dǎo)引磁場與電子動能之間的關(guān)系。在電子感應(yīng)加速器中，采取在恒定軌道加速電子第五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理3、電子能量增長與加速磁通量之間的關(guān)系1）加速磁場和加速磁通量由

必須有變化的磁場來產(chǎn)生渦旋的電場用以加速電子，把這個磁場稱為加速磁場。加速磁場在軌道圓所包圍的面積上的通量稱為加速磁通量，即

為范圍的平均加速磁場第六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理3、電子能量增長與加速磁通量之間的關(guān)系2）電子能量與磁通量的關(guān)系電子沿軌道回旋一圈所獲及的能量：由積分方程：故得：當(dāng)電子能量達(dá)到幾MeV個時，，得：即是能量增長與磁通量增長的關(guān)系。討論：

A）離子質(zhì)量比電子質(zhì)量大的多，同樣的動能的離子在磁場中的軌道半徑比電子大的多；B）離子速度比電子速度小的多；

離子增加一定能量所需的磁通量增量比電子大的多，故感應(yīng)加速器只適合于加速電子。

第七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理4、平均加速磁場與導(dǎo)引磁場的2：1關(guān)系由：得：另：此式表明：要使電子在不斷增長的磁場中沿一半徑不變的圓形軌道上運動并加速，就必須保證這個軌道范圍內(nèi)的平均磁感應(yīng)強度與軌道附近的導(dǎo)引磁感應(yīng)強度始終保持2：1關(guān)系。第八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理5、電子感應(yīng)加速器的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)（1）結(jié)構(gòu)和組成

電子感應(yīng)加速器的結(jié)構(gòu)如圖所示組成：#兩軛“山”形磁極#勵磁線圈#勵磁電源（交變）#真空盒#電子槍

第九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理5、電子感應(yīng)加速器的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)2）磁場分布及2：1關(guān)系中平面上的磁場沿r方向的分布如圖所示；磁場分布必須滿足2:1關(guān)系，即：才能保證能量不斷增長的電子在不斷增長的磁場中沿一半徑不變的圓形軌道上加速運動運動。

加速磁通量：第十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.1、電子感應(yīng)加速原理5、電子感應(yīng)加速器的結(jié)構(gòu)及工作狀態(tài)3）勵磁電流及加速模式

勵磁線圈上加交變電流，產(chǎn)生隨時間變化的磁場。如圖所示。一般只利用1/4周期來加速電子。

在磁場上升的1／4周期里，電子可以完成在軌道上幾十萬次的旋轉(zhuǎn)運動。只能獲得脈沖式電子束。第十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.2、電子束的聚焦概述：

由于各種原因，被加速的電子會偏離平衡軌道，這種偏離可分為軸向（z方向）偏離和徑向（r方向）偏離，即散焦。必須在軸向和徑向加聚焦力，以減小電子束的由于發(fā)散所帶來的損失。聚焦力由磁場產(chǎn)生。第十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.2、電子束的聚焦1、軸向(Z)和徑向(r)聚焦條件

在經(jīng)典回旋加速器，保證軸向和徑向同時聚的條件：其中，磁場降落指數(shù)：在感應(yīng)加速器中橫向穩(wěn)定性也采用下列條件來保證電子束的軸向和徑向聚焦。要求在電子回旋軌道附近：

用如圖所示鼓形磁極來產(chǎn)生滿足聚焦條件的磁場分布第十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.2、電子束的聚焦2、聚焦特性經(jīng)典回旋加速器章節(jié)中，已得到帶電粒子在桶形磁場中的動力學(xué)方程。其中，是相對平衡軌道的徑向偏移，z為軸向偏移。

偏離平衡軌道的電子所受到的聚焦作用力：可寫為下列形式：第十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.2、電子束的聚焦討論：由：1）聚焦力與呈正比，在加速過程中，當(dāng)隨時間增強時，聚焦力也越來越強，電子束將被聚得越來越細(xì)2）當(dāng)電子軌道附近磁場滿足的條件時，軸向和徑向都將受到聚焦力的作用第十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.3、電子能量和輻射損失1、電子能量的輻射損失根據(jù)電動力學(xué)理論，帶電粒子在加速運動狀態(tài)下，會向外輻射電磁波，從而損失能量。在電子感應(yīng)加速其中，，即作圓周運動，電子每回旋一周的輻射能損為：

可見，，當(dāng)電子能量增大到一定值時，輻射能損會變得越來越明顯。下表列出了一組計算所得的輻射能損數(shù)據(jù)第十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.3、電子能量和輻射損失2、電子能量限制當(dāng)電子能量逐漸增加時，電子能量增長率因輻射而逐漸減慢，導(dǎo)引磁場仍按2：1上升，這就使電子能量的增長率與導(dǎo)引磁場的增長率失去平衡，從而導(dǎo)致平衡軌道半徑的收縮，電子就碰到真空壁上損失。感應(yīng)加速器所能達(dá)到的最高電子能量也是有限的，到了最高能量，就要及時引出電子束并利用。已建成的電子感應(yīng)加速器最高能量320MeV，第十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.3、電子能量和輻射損失3、電子束引出方法1)引出線圈法引出線圈法的基本原理—破壞關(guān)系2：1關(guān)系。如圖所示，磁軛上一般加一個引出線圈，t時刻給引出線圈上加一脈沖電流，產(chǎn)生一個附加蝸旋電場，使電子加速或減速。*減速，R0，打內(nèi)靶。*加速，R0，打外靶。減速，打內(nèi)靶；加速，打外靶。第十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.4、電子的入射俘獲及電子流強度1、定性討論

以電子槍處于軌道外側(cè)為例。（1）平衡軌道

（2）瞬時軌道

（3）俘獲時間

從電子槍發(fā)射的電子，要按照如圖所示的方式，沿著瞬時軌道，過渡到平衡軌道。即電子被俘獲到平衡軌道。存在一個俘獲時間問題。第十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.4、電子的入射俘獲及電子流強度1、定性討論（3）俘獲時間假定電子槍發(fā)射的電子動量為P，動量分散為。在電子感應(yīng)加速器中存在一個有效入射俘獲時間段。

#入射過早，不能被俘獲當(dāng)入射時間時，由于此時太小，太大，電子將碰到外側(cè)器壁上損失。

#入射過晚，不能被俘獲當(dāng)入射時間時，由于此時太大，太小，電子將碰到內(nèi)側(cè)器壁上損失。

#只有在內(nèi)入射的電子才能被俘獲，慢慢過渡到平軌道，被加速。

稱為俘獲時間，約為磁場周期的千分之一左右。第二十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.4、電子的入射俘獲及電子流強度2、電子的入射俘獲原理1）瞬時軌道與平衡軌道的差值某一入射時刻：2）與之間的關(guān)系對平衡軌道上的電子：對瞬時軌道上的電子：瞬時軌道的磁場：（在R0附近展開）瞬時軌道上電子的動量：兩邊同除以：第二十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.4、電子的入射俘獲及電子流強度2、電子的入射俘獲原理討論：3、電子流強度I

#I與俘獲時間有關(guān)；#I與電子束的聚焦、傳輸及空間電荷效應(yīng)有關(guān)。#幾個微安量級

第二十二頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、感應(yīng)加速器電子束性能1、能量范圍

一般：15~35MeV

（50MeV以下合理）；

最高能量：320MeV2、能量可調(diào)

調(diào)節(jié)引出時間。3、電子束是脈沖式的一般脈沖頻率：50～200個/秒4、電子束強度5、上世紀(jì)七十年代后，由于電子直線加速器的發(fā)展，感應(yīng)加速器日益減少。第二十三頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線型電子感應(yīng)加速器1、引言直線感應(yīng)加速器也是利用經(jīng)典的電磁感應(yīng)原理，即利用磁通量的變化產(chǎn)生感生電動勢來加速帶電粒子。直線感應(yīng)加速器與電子感應(yīng)加速器不同之處是，帶電粒子沿直線被加速。參考文獻(xiàn):[1]鄧建軍,直線感應(yīng)電子加速器,國防出版社,2006年10月,第一版.第二十四頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器2、結(jié)構(gòu)和基本原理★直線感應(yīng)加速器采用如圖所示的感應(yīng)組元（加速組元）結(jié)構(gòu)?！锔袘?yīng)組元可以簡單地看成為一個1:1的脈沖變壓器。第二十五頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器2、結(jié)構(gòu)和基本原理★環(huán)繞圓環(huán)狀磁芯有兩個回路?！襞c脈沖發(fā)生器相連的回路是初級，◆而包含粒子束流和加速間隙的回路是次級。★加速電壓

當(dāng)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖電壓輸入初級回路時，使磁芯產(chǎn)生磁通量的變化，因而在次級回路的加速間隙上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，加速間隙區(qū)域形成軸向感應(yīng)電場.第二十六頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器2、結(jié)構(gòu)和基本原理★直線感應(yīng)加速器組成：注入器、加速組元系統(tǒng)、脈沖功率系統(tǒng)、束流輸運系統(tǒng)、測控系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)（包括真空、絕緣油、絕緣氣體及去離子水等）?！镫娮幽芰縀e=N.q.Uc第二十七頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器3、性能特點★可產(chǎn)生非常強的束流、非常高峰功率及高品質(zhì)的脈沖粒子束（電子束或離子束）。直線感應(yīng)加速器產(chǎn)生的束脈沖重復(fù)頻率低得多，但束流強度卻高得多（例如可大于10kA）?！镏本€感應(yīng)加速器是世界上現(xiàn)有功率最強大的加速器之一。由于具備這些獨特的優(yōu)越性能，直線感應(yīng)加速器在科學(xué)研究、國防及國民經(jīng)濟領(lǐng)域有廣泛而重要的應(yīng)用，它的發(fā)展受到許多國家的重視。至今，全世界共建成各類直線感應(yīng)加速器100多臺第二十八頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器4、發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀1）美國

世界上第一臺直線感應(yīng)加速器ASTRON-I,由N.Christofilos發(fā)明，并于1963年在美國勞倫斯利弗莫爾實驗室（LLNL）建成。該加速器可提供束流350A、能量4MeV、脈寬300ns及重復(fù)率100Hz的脈沖電子束，用于約束等離子體，并在實驗中用于研究電子束通過大氣傳輸?shù)目尚行裕h(yuǎn)期目標(biāo)是創(chuàng)造粒子束武器。第二十九頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器4、發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀

1）美國陸續(xù)研制了不同的感應(yīng)直線加速器：★加速質(zhì)子的ERA加速器（4MeV、1kA、45ns）；★用于自由電子激光（FEL）研究的ETA加速器（5MeV、10kA、60ns、1kHz）；★ATA加速器（50MeV、10kA、70ns、1kHz）；★高平均功率的ETA-II加速器（6MeV、2kA、70ns、5kHz）?！?982年，勞倫斯利弗莫爾實驗室研制了用于核武器流體動力學(xué)試驗閃光X光照相的FXR加速器（20MeV、2~4kA、60ns），這是直線感應(yīng)加速器首次用于閃光X光照相?！?990年代，隨著全面禁核試時代的到來，為了在全面禁核試后繼續(xù)保持核武器研究和發(fā)展能力，各核國家紛紛花大力氣提高自已的閃光X光照相能力第三十頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器4、發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀2）前蘇聯(lián)

發(fā)展直線感應(yīng)加速器起步比美國稍晚。★1967年在實驗物理研究院（VNIIEF）建成第一臺無鐵芯的直線感應(yīng)加速器（2MeV、2kA、40ns）；★1977年建造了LIU-10加速器（14MeV、50kA、20ns）★1989年建造了和LIU-30加速器（40MeV、100kA、20ns），第三十一頁，共三十四頁，編輯于2023年，星期五§6.5、直線電子感應(yīng)加速器4、發(fā)展歷史與研究現(xiàn)狀3）日本★1990年代，日本原子能研究所（J