簡介
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,磁軛和磁極均用矽鋼片製成。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鏇電場。因磁場分布是軸對稱的,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,那么這些電子將在渦鏇電場作用下得到加速。
理論證明,要使電子在不斷增長的磁場中沿著一個半徑不變的圓形軌道加速運動,必須保持該軌道所包圍的面積內的平均磁感應強度為軌道上的磁感應強度Bo(t)的二倍,即
=2Bo(t),
這一條件稱做電子感應加速器條件,或“2比1條件”。滿足這一條件的圓形軌道稱為平衡軌道,真空盒的軸線設計得同平衡軌道相重合。
理論還證明,如果在平衡軌道附近的磁場分布滿足
,
則這一平衡軌道是穩定的。式中n是常數,通常稱為磁場降落指數,或場指數;ro是平衡軌道的曲率半徑;B(r)是軌道曲率半徑為r處的磁感應強度,這就是說圍繞該平衡軌道存在著軸向和徑向的聚焦力。由於這一聚焦力的作用,偏離平衡軌道的電子會被拉回平衡軌道,並圍繞平衡軌道作振盪運動。其振幅隨著電子能量的增加而減少。這種振盪運動通常叫做電子感應加速器振盪或者叫自由振盪。
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鏇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 Bo·ro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。