1、第六章 电子感应加速器,姚泽恩2007年10月,内 容,6.1、电子感应加速器原理 6.2、电子束的聚焦 6.3、电子能量和辐射损失 6.4、电子的入射俘获及电子流强度 6.5、感应加速器电子束性能 6.6、直线电子感应加速器,前 言,1、电子加速器的类型电子加速器是加速器家族中的重 要成员。电子加速器主要有以下几种 类型：本章介绍电子感应加速器。2、1940年建成了第一台电子感应加速器（Ee=2.3MeV）3、电子直线加速器（现代）,4、电子加速器的用途1）电子与物质的相互作用研究 ；2）电子辐照加工；（如电缆辐照，热缩管加工，器 件辐照）3）用电子打靶韧致辐射产生较高能量、较高强度的光子；
2、# 光子与核的相互作用研究；# 医学上的应用（如诊断、治疗）# 农业上的应用（如辐照保 鲜）# 工业探伤# 成像检测。 4) 白光中子源,6.1、电子感应加速器原理,1、感应加速原理根据麦克斯韦方程，变化的磁场 可以产生涡旋电场，即： （或 ）将电子注入到涡旋电场中进行 加速，同时，利用导引磁场将电子控 制在恒定轨道加速。必须合理设计加速磁场 和轨道导引磁场 。,6.1、电子感应加速原理,2、沿恒定轨道加速电子的导引磁场条件1）导引磁场（轨道磁场） 为了使电子沿恒定圆形轨道运动并 在涡旋电场中得以加速，必须在电子 恒定轨道上设置合适的导引磁场 。2）导引磁场与电子能量的关系由：得：,为轨道半径
3、， 和 分别为 电子的动能与静止能量。上式即为轨道导引磁场与电子动 能之间的关系。在电子感应加速器中，采取在恒 定轨道加速电子,6.1、电子感应加速原理,3、电子能量增长与加速磁通量之间的关系1）加速磁场 和加速磁通量 由 必须有变化的磁场来产生涡旋的 电场用以加速电子，把这个磁场称为 加速磁场。加速磁场在轨道圆所包围 的面积上的通量称为加速磁通量，即,为 范围的平均加速磁场,6.1、电子感应加速原理,3、电子能量增长与加速磁通量之间的关系 2）电子能量与磁通量的关系 电子沿轨道回旋一圈所获及的能量：由积分方程：故得：,当电子能量达到几MeV个时， ， 得：即是能量增长与磁通量增长的关系。讨论
4、： A）离子质量比电子质量大的多，同样的动能的离子在磁场中的轨道半径比电子大的多； B）离子速度比电子速度小的多；离子增加一定能量所需的磁通量 增量比电子大的多，故感应加速器只 适合于加速电子。,6.1、电子感应加速原理,4、平均加速磁场 与导引磁场 的2：1关系由：得：另：,此式表明：要使电子在不 断增长的磁场中沿一半径不 变的圆形轨道上运动并加速， 就必须保证这个轨道范围内 的平均磁感应强度与轨道附 近的导引磁感应强度始终保 持2：1关系。,6.1、电子感应加速原理,5、电子感应加速器的结构及工作状态（1）结构和组成 电子感应加速器的结构如图所示 组成：# 两轭“山”形磁极# 励磁线圈#
5、励磁电源（交变）# 真空盒# 电子枪,6.1、电子感应加速原理,5、电子感应加速器的结构及工作状态 2）磁场分布及2：1关系 中平面上的磁场沿r方向的分布如图所示； 磁场分布必须满足2:1关系，即：才能保证能量不断增长的电子 在不断增长的磁场中沿一半径不变 的圆形轨道上加速运动运动。加速磁通量：,6.1、电子感应加速原理,5、电子感应加速器的结构及工作状态3）励磁电流及加速模式励磁线圈上加交变电流，产生随时间变化的磁场。如图所示。 一般只利用1/4周期来加速电子。 在磁场上升的14周期里，电子可以完成在轨道上几十万次的旋转运动。 只能获得脉冲式电子束。,6.2、电子束的聚焦,概述：由于各种原因
6、，被加速的电子会偏离平衡轨道，这种偏离 可分为轴向（z方向）偏离和径向（r方向）偏离，即散焦。必须在轴向和径向加聚焦力，以减小电子束的由于发散所 带来的损失。聚焦力由磁场产生。,6.2、电子束的聚焦,1、轴向(Z) 和径向(r)聚焦条件在经典回旋加速器，保证轴向和径 向同时聚的条件 ：其中，磁场降落指数：在感应加速器中横向稳定性也采用 下列条件来保证电子束的轴向和径向 聚焦。要求在电子回旋轨道附近：,用如图所示鼓形磁极来产生满足 聚焦条件的磁场分布,6.2、电子束的聚焦,2、聚焦特性经典回旋加速器章节中，已得到带 电粒子在桶形磁场中的动力学方程。其中， 是相对平衡轨道的径向 偏移，z 为轴向偏
7、移。,偏离平衡轨道的电子所受到的聚 焦作用力：可写为下列形式：,6.2、电子束的聚焦,讨论： 由：1）聚焦力与 呈正比，在加速过程中，当 随时间增强时，聚焦力也越来越强，电子束将被聚得越来越细 2）当电子轨道附近磁场满足的 条件时，轴向和径向都将受到聚焦力的作用,6.3、电子能量和辐射损失,1、电子能量的辐射损失根据电动力学理论，带电粒子在加 速运动状态下，会向外辐射电磁波， 从而损失能量。在电子感应加速其中， ，即作 圆周运动，电子每回旋一周的辐射能 损为：,可见， ，当电子能量增大 到一定值时，辐射能损会变得越来越 明显。下表列出了一组计算所得的辐射能 损数据,6.3、电子能量和辐射损失,
8、2、电子能量限制当电子能量逐渐增加时，电子能量增长率因辐射而逐渐 减慢，导引磁场仍按2：1上升，这就使电子能量的增长率与 导引磁场的增长率失去平衡，从而导致平衡轨道半径的收 缩，电子就碰到真空壁上损失。感应加速器所能达到的最高电子能量也是有限的，到了 最高能量，就要及时引出电子束并利用。已建成的电子感应加速器最高能量320MeV，,6.3、电子能量和辐射损失,3、电子束引出方法1)引出线圈法引出线圈法的基本原 理破坏关系2：1关系。如图所示，磁轭上一 般加一个引出线圈，t时 刻给引出线圈上加一脉冲 电流，产生一个附加蜗旋 电场，使电子加速或减 速。*减速，R0 ，打内靶。 *加速，R0 ，打外
9、靶。,减速，打内靶 ； 加速，打外靶。,6.4、电子的入射俘获及电子流强度,1、定性讨论以电子枪处于轨道外侧为例。 （1）平衡轨道 （2）瞬时轨道 （3）俘获时间从电子枪发射的电子，要按照如图 所示的方式，沿着瞬时轨道，过渡到 平衡轨道。即电子被俘获到平衡轨 道。存在一个俘获时间问题。,6.4、电子的入射俘获及电子流强度,1、定性讨论 （3）俘获时间 假定电子枪发射的电子动量为P，动量分散为 。 在电子感应加速器中存在一个有效入射俘获时间段 。# 入射过早，不能被俘获当入射时间 时，由于此时 太 小， 太大，电子将碰到外侧器壁上损失。# 入射过晚，不能被俘获当入射时间 时，由于此时 太 大，
10、太小，电子将碰到内侧器壁上损失。# 只有在 内入射的电子才能被俘获，慢慢过渡到平轨道，被加速。称为俘获时间，约为磁场周期的千分之一左右。,6.4、电子的入射俘获及电子流强度,2、电子的入射俘获原理 1）瞬时轨道与平衡轨道的差值某一入射时刻：2） 与 之间的关系 对平衡轨道上的电子：对瞬时轨道上的电子：,瞬时轨道的磁场：（在R0附近展开）瞬时轨道上电子的动量：两边同除以：,6.4、电子的入射俘获及电子流强度,2、电子的入射俘获原理讨论：,3、电子流强度 I# I 与俘获时间有关； # I 与电子束的聚焦、传输及空间电荷效应有关。# 几个微安量级,6.5、感应加速器电子束性能,1、能量范围 一般：
11、 1535MeV （50MeV 以下合理）； 最高能量 ： 320MeV 2、能量可调 调节引出时间。,3、电子束是脉冲式的 一般脉冲频率：50200个/秒 4、电子束强度5、上世纪七十年代后，由于电子直线加速器的发展，感应加速器日益减少。,6.5、直线型电子感应加速器,1、引 言直线感应加速器也是利用经典的电磁感应原理，即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。直线感应加速器与电子感应加速器不同之处是，带电粒子沿直线被加速。参考文献:1邓建军,直线感应电子加速器,国防出版社,2006年10月,第一版.,6.5、直线电子感应加速器,2、结构和基本原理直线感应加速器采 用如图所示的感应组
12、元（加速组元）结构。感应组元可以简单 地看成为一个1:1的脉 冲变压器。,6.5、直线电子感应加速器,2、结构和基本原理环绕圆环状磁芯有两个回路。 与脉冲发生器相连的回路是初级， 而包含粒子束流和加速间隙的回路是次级。 加速电压当脉冲发生器产生的脉冲电压输入初级回路时，使磁芯产生 磁通 量的变化，因而在次级回路的加速间隙上产生感应电压， 加速间隙区域形成轴向感应电场.,6.5、直线电子感应加速器,2、结构和基本原理直线感应加速器组成： 注入器、 加速组元系统、 脉冲功率系统、 束流输运系统、 测控系统及辅助系统（包括真空、绝缘油、绝缘气体及去离子水等）。电子能量Ee=N.q.Uc,6.5、直线
13、电子感应加速器,3、性能特点 可产生非常强的束流、非常高峰功率及高品质的脉冲粒子束（电子束或离子束）。直线感应加速器产生的束脉冲重复频率低得多，但束流强度却 高得多（例如可大于10kA）。 直线感应加速器是世界上现有功率最强大的加速器之一。由于具备这些独特的优越性能，直线感应加速器在科学研究、国防及国民经济领域有广泛而重要的应用，它的发展受到许多国家的重视。至今，全世界共建成各类直线感应加速器100多台,6.5、直线电子感应加速器,4、发展历史与研究现状1）美国世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I, 由N. Christofilos发明，并于1963年在美国劳伦斯利弗莫尔实验室（LLNL
14、）建成。该加速器可提供束流350A、能量4MeV、脉宽300ns及重复率100Hz的脉冲电子束，用于约束等离子体，并在实验中用于研究电子束通过大气传输的可行性，远期目标是创造粒子束武器。,6.5、直线电子感应加速器,4、发展历史与研究现状1）美国陆续研制了不同的感应直线加速器： 加速质子的ERA加速器（4MeV、1kA、45ns）； 用于自由电子激光（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）。 1982年，劳伦斯利弗莫尔实验室研制了用
15、于核武器流体动力学试验闪光X光照相的FXR加速器（20MeV、24kA、60ns），这是直线感应加速器首次用于闪光X光照相。 1990年代，随着全面禁核试时代的到来，为了在全面禁核试后继续保持核武器研究和发展能力，各核国家纷纷花大力气提高自已的闪光X光照相能力,6.5、直线电子感应加速器,4、发展历史与研究现状2）前苏联发展直线感应加速器起步比美国稍晚。 1967年在实验物理研究院（VNIIEF）建成第一台无铁芯的直线感应加速器（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、2
16、0ns），,6.5、直线电子感应加速器,4、发展历史与研究现状3）日本 1990年代，日本原子能研究所（JAERI）、高能物理所（KEK）及大坂大学激光工程研究所先后建成用于自由电子激光研究的直线感应加速器。 1996年，日本长岗技术大学建造了直线感应加速器ETIGO-III（8MeV、5kA、30ns），用于X光、高功率微波和烟气脱硫等研究。,6.5、直线电子感应加速器,4、发展历史与研究现状3）中国 中国直线感应加速器研究始于1982年， 1989年研制成功我国首台1.5MeV直线感应加速器； 1991年建成3.3MeV加速器（3.3MeV、2kA、60ns），用 于曙光一号自由电子激光研
17、究，最大输出功率达140MW， 1993年建成我国首台用于闪光X光照相的10MeV直线感应加速器（10MeV、2.3kA、60ns）， 1995年该机升级为12MeV； 本世纪初， 自主研制成功“神龙一号”直线感应加速器（1820MeV、2.5kA、60ns）。“神龙一号”加速器总体性能 跻身国际先进行列。,作业,1、试由感应加速原理推导给出电子感应加速器平均加速磁场和轨道磁场之间的2：1关系 2、试简述电子感应加速器的结构、组成和加速原理。 3、试由电子感应加速器的磁场分布分析其聚焦原理。 4、试推导电子感应加速器中电子能量的辐射损失方程，并分析限制电子能量进一步提高的原因。 5、试简述直线感应加速器的基本结果、组成及原理。,
