电子感应加速器
加速器简介
回转频率f 将随m 回转频率f0将随m（或v）而变，破坏了谐振 而变， 条件， 便难于加速。 但是， 条件 ， 便难于加速 。 但是 ， 我们可以调节高 压电源的频率f 使之与变化的f 同步， 压电源的频率 f ， 使之与变化的 f0 同步 ， 这样 改进的回旋加速器称为同步回旋加速器 同步回旋加速器。 改进的回旋加速器称为同步回旋加速器。
回旋加速器
回旋加速器是一种粒子沿圆弧轨道运动的 谐振加速器，离子在恒定的强磁场中， 谐振加速器，离子在恒定的强磁场中，被固定 频率的高频电场多次加速，获得足够高的能量。 频率的高频电场多次加速，获得足够高的能量。 1930年 劳伦斯提出了回旋加速器的工作原理 1930年，劳伦斯提出了回旋加速器的工作原理， 提出了回旋加速器的工作原理， 1932年 第一台直径为27厘米的回旋回速器投 1932年，第一台直径为27厘米的回旋回速器投 入运行，它能将质子加速到1兆电子伏。 入运行，它能将质子加速到1兆电子伏。带电粒 子加速器自30年代问世以来 年代问世以来， 子加速器自30年代问世以来，主要是朝更高能 量的方向发展。在这个过程中， 量的方向发展。在这个过程中，任何一种加速 器都经过了发生、 器都经过了发生、发展和加速能力或经济效益 30日 受到限制的三个阶段。1958年 受到限制的三个阶段。1958年6月30日，新华 社正式公布，中国第一台回旋加速器建成。 社正式公布，中国第一台回旋加速器建成。
北京正负电子对撞机
这是北京正负电子对撞机鸟瞰图（资料照片） 这是北京正负电子对撞机鸟瞰图（资料照片）
北京正负电子对撞机改造后的直线加速器
这是北京正负电子对撞机改造前的存储环（资料照片） 这是北京正负电子对撞机改造前的存储环（资料照片）
北京正负电子对撞机
电子感应加速器
轨道半径为84cm，电子运行的路程是多少？
dB dt
电子轨道
真空 室
ev B
解(1) 在磁场变化一个周期中，只有 1/4的周期内才能满
v
Ei
足磁场力为电子提供向心力和电子在圆轨道上被加速这
样两个基本要求。
(2) 要维持电子在环形真空室的恒定圆形轨道上加速，应该
使向心力随电子的速率增加而相应增加，由此可以推导出磁 场分布情况所满足的条件。 设半径为r的圆周内磁感应强度平均值为 B 则由电磁感应定律可知
电子轨道
真空 室
ev B
v
Ei
（1）电子感应加速器中，在磁场变化一个周期中，电子被加 速的时间有多久？
（2）要使电子维持在恒定的圆形轨道上加速，磁场的分布应
该满足什么条件？ （ 3 ）若电子加速的时间是 4.2ms ，电子轨道内最大磁通量为 1.8Wb ，试求电子沿轨道绕行一周平均获得的能量。如果电 子最后获得的能量为 100MeV，电子绕行了多少周？如果电子
dB dt
dB Ei 2 r r dt
2
ev B
感生电场强度为
r dB Ei 2 dt
v
Ei
另一方面，由动量定理 ，在dt时间内，电子动量增量为
r d ( mv ) eE i dt edB 2
积分得
B mv er 2
v2 evB m r
( 2)
d d i B dS dt dt S
B L EK dl S t dS
感生电场与变化磁场 的关系
结 论
（1）变化的磁场能够激发电场 （2）感生电场的环流不等于零，表明感生电场为涡旋场
加速器原理-第4章
在电子感应加速器中，磁 场的分布是轴对称的，所以涡 旋电场的形状是封闭圆。根据 楞茨定律，电场的方向应与磁 感应强度增长方向的右手螺旋 方向相反。 符合一定条件的电子，被 涡旋电场连续地加速，经过多 次的积累得到了较高的能量。 如果在整个加速过程中，电子 能围绕祸旋电场的封闭圆运动 达百万圈，那么即使电子每转 一圈只获得数十ev的能量，其 最终能量也能达到数十Mev。
现在常采用的偏移方法是围绕加速器中心垫片绕 几匝导线，并通以不同方向的脉冲电流，使中心加速 磁通突然地增大或减小，而轨道磁场仍按常规上升。 这将导致平衡轨道收缩或扩张，使电子进入引出装置 或打内靶。这种偏移方法的优点是： 1）调节脉冲电流的时间，就可以改变电子偏离平衡 轨道的时刻，因而改变引出电子或γ射线的能量。 2）选择脉冲电流的方向，使中心加速磁通突然地增 大，引起平衡轨道扩张。这样，可以把引出电子的装 置或内靶放在平衡轨道的外侧以便于电子的引出。 3）调节脉冲电流的大小，可以改变电子的偏移速度。 如配上合适的引出装置，可使引出电子束的脉宽延长 到300 μs 。
3.电子的注入、俘获与偏移、引出
（1）电子感应加速器的工作状态 电子感应加速器磁铁的励磁绕组由交流电源供电。 磁场随时间是交变的。另一方面，要使电子能围绕平 衡轨道多次稳定地加速，要求产生加速电场的中心磁 通和控制轨道的轨道磁场都随时间增大，所以电子感 应加速器的整个加速过程只能在磁场上升的1/4周期 内完成。 在交变磁场的第一个1/4周期开始后，就把电子 注入到加速轨道。被俘获的电子随磁场的上升而加速， 磁场相位上升到80°左右时将电子引出。引出束流的 脉冲宽度与引出方法有关，一般为1μs。可见，从电 子感应加速器个引出的电子束流是脉冲的。脉冲重复 频率就是励磁绕组供电电源的频率，一般为每秒 50次。
11-3电子感应加速器
涡电流的热效应 利用涡电流进行加热 1、冶炼难熔金属及特种合金 、 2、家用 如：电磁灶 、 3、 3、电磁阻尼 利弊 热效应过强、温度过高， 热效应过强、温度过高， 易破坏绝缘，损耗电能， 易破坏绝缘，损耗电能，还可能造成事故
涡流线 交 流 电 源 铁芯
减少涡流： 、 减少涡流： 1、选择高阻值材料
11-3 电子感应加速器
一、 电子感应加速器 利用涡旋电场对电子进行加速
• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •f• • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • • •
ห้องสมุดไป่ตู้
电子束
• • • • •
F涡
• • • •
E涡
靶
电子枪
涡电流（涡流） 二、 涡电流（涡流） Vortex Current
大块的金属在磁场中运动， 大块的金属在磁场中运动，或处在变化的磁 场中，金属内部也要产生感应电流， 场中，金属内部也要产生感应电流，这种电流在 金属内部自成闭合回路，称为涡电流或涡流 涡电流或涡流。 金属内部自成闭合回路，称为涡电流或涡流。 涡流线 交 流 电 源 铁芯 趋肤效应——涡电流或涡流这种交变电流集中 涡电流或涡流这种交变电流集中 趋肤效应 于导体表面的效应。 于导体表面的效应。
电子感应加速器
电子感应加速器电子感应加速器是应用感生电场加速电子的装置。
在电磁铁的两极之间安置一个环形真空室，当用交变电流激励电磁铁时，在环形室内就会感生出很强的、同心环状的感生电场。
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，并在洛仑兹力的作用下，沿圆形轨道运动。
电子感应加速器设在以r为半径的圆形区域中的磁场的空间平均值为，则所在处的感生电场强度大小为电子受切向电场力而加速，在圆环内的运动方程为电子还受到指向环心的磁场洛仑兹力将上式微分并与电子运动方程比较，得到这是使电子维持在恒定的圆形轨道上加速磁场必须满足的条件。
在电子感应加速器的设计中，两极间的空隙从中心向外逐渐增加，为的是使磁场的分布能满足这一要求。
由于电子感应加速器的电磁铁是用交流电激励，所以磁场是交变的，从而导致有旋电场的方向也是交变的，而且电子受到的洛仑兹力也并非总是指向圆心。
因此，在电流交变的一个周期中，不是所有的时间内电子都可以得到加速。
左图表示了一个周期内磁场、感生电场及电子受到的洛仑兹力的变化。
我们可以看到，只有在第一个四分之一周期内，电子才受到感生电场的加速，并且洛仑兹力的方向指向圆心。
实际上，若交流电的周期为50Hz，则在磁场变化的第一个四分之一周期（约5ms的时间）内，电子就能在感生电场的作用下，在圆形轨道上经历回旋数十万圈的持续加速，从而获得足够高的能量，并在第一个四分之一周期结束时被引出加速器至靶室。
加速器的种类很多，用途也不同，有静电加速器、电子回旋加速器、电子感应加速器、同步辐射加速器……等等。
电子感应加速器主要用于核物理的研究，用被加速的电子轰击各种靶时，将发出穿透力很强的电磁辐射。
另外电子感应加速器还应用于工业探伤或医疗癌症。
目前，我国最大的三个加速器是北京的高能粒子加速器、合肥的同步辐射加速器、兰州的重离子加速器。
北京正负电子对撞机的储存环直径2km的美国费米国立加速器鸟瞰图应用加速器的种类很多，用途也不同，静电加速器、电子回旋加速器、器、同步辐射加速器……等等。
9医用直线加速器的检测
浙江省肿瘤医院放射物理室 狄小云
加速器的发展历史
1895年伦琴发现X线 1899年在瑞典首次使用电离辐射治疗癌症 1940年美国Keirt 发明电子感应加速器 1944年苏联Vekslert提出电子回旋加速器原理 1949年美国用电子感应加速器进行放射治疗 1972年中国开展医用电子感应加速器的研究 1977年北京、南京、上海先后研制成医用电子直线加速 器 1987年北京研制成驻波医用电子直线加速器 1975年中国引进医用电子直线加速器 1977年浙江省肿瘤医院引进医用电子直线加速器进行放
剂量比法（D20/D10）
测量方法：源至水模表面距离SSD=100cm， 模体表面的辐射野10cm×10cm，射线束 轴与模体垂直。若用圆柱形电离室，电 离室轴线与束轴垂直；若用平行板电离 室，束轴垂直于平行板电离室的入射面。 电离室的有效测量点沿束轴移动,分别测 出水深为10cm与20cm处的吸收剂量D10 与 D20，并确定D20/D10的比值。
式中的M是经温度、气压修正后的仪表读数；Sw，air为水对空气的阻止本 领比（其值见表11）；Pu为扰动因子（图16）, 校正电离室物质非水物质的等效性；Pcel为电离室中心电极的修正，仅 仅考虑室壁与平衡帽的非空气等效引起的修正是不够的，中心电极的非 空气等效性也可引起测量的误差。 当电离室壁材料是石墨，中心电极材料为铝时，Pcel=1.000。
组织模体比、剂量比与能量的相应关系
TPR2010 0.60 0.62 0.64 0.66 0.68 0.70 0.72 0.74 0.75 0.76 0.77 0.78 0.79 (0.57 D20/D10 0.520 0.535 0.550 0.570 0.585 0.600 0.615 0.630 0.640 0.645 0.655 0.660 0.675 0.500 MV 3.5 3.9 4.4 5.0 5.8 7.0 8.0 9.5 10.5 12.0 14.0 20.0 25.0 60Coγ 射线 )
流量传感器及其仪表的应用案例
流量传感器及其仪表的应用—电子感应加速器1.课程案例基本信息课程案例名称流量传感器及其仪表的应用—电子感应加速器课程案例编号0505301CE 关键词电子感应加速器对应知识点法拉第电磁感应定律2.课程案例图1是电子感应加速器。
在现代科学研究中，经常用到一种设备——电子感应加速器。
电子感应加速器是利用感生电场使电子得以加速的设备。
它的基本工作原理如图1所示，S 和N 分别为电磁铁的两个磁极，两磁极之间有一个环形真空室，电子在真空室中做圆周运动。
依据电磁铁线圈电流的大小、方向的变化，产生的感生电场使电子得以加速。
图1电子感应加速器的工作原理流量传感器及其仪表的应用—电磁式流量计1.课程案例基本信息课程案例名称流量传感器及其仪表的应用—电磁式流量计课程案例编号0505302CE 关键词电磁式流量计对应知识点电磁式流量计测量导电液体体积流量2.课程案例电磁式流量计是一种测量导电液体体积流量的仪表，通常由传感器、转换器和显示仪表组成，其结构如图2所示。
根据传感器和转换器是否连接在一体，电磁式流量计分为一体型电磁式流量计和分离型电磁式流量计。
传感器一般安装在被测管道上，分离型的电磁流量计的转换器安装在离传感器30—100米的地方，两者之间用屏蔽电缆连接。
测量管道通过不导电的内衬（橡胶、特氟隆等）实现与流体和测量电极的电磁隔离。
图2电磁式流量计流量传感器及其仪表的应用—电磁式流量计在油田中的应用1.课程案例基本信息课程案例名称流量传感器及其仪表的应用—电磁式流量计在油田中的应用课程案例编号0505303CE 关键词电磁式流量计井下对应知识点电磁式流量计测井2.课程案例在油田中，对于注水井的分层测试采用的是井下存储式电磁流量计测井技术。
电磁流量计测井技术主要包括井下流量计、测量数据地面回放、处理设备、测试井口密封装置和绞车。
流量计从井口下入，通过注水管柱到达测量段。
在保持注入压力不变的情况下，通过改变仪器的位置完成对各个测量点的测试。
电子直线加速器与电子感应加速器的比较_刘雨婷
条件： 1）为便于比较，直线加速器焦距取1.8m，回旋加 速器焦距取1.0m； 2）以200mm钢为例计算； 3）采用柯达AA400底片； 4 ）根据我们拍片经验，底片吸收剂量按3.1cGy计算； 5）本计算仅供参考。 根据公式可得出表3所示结果。
式中， I为底片吸收剂量，取3.1cGy； I0为距加速器焦点1米处，出束剂量率cGy/min.m； d为焦距，取1.8m； D为工件厚度，取200mm； D 1/2为 半 价 层 ， 对 4 M e V 电 子 直 线 加 速 器 约 为 25mm；对7.5MeV电子感应加速器约为28mm； 根据上述公式可推出透照时间t的计算公式：
2 透照时间对比
以下是两种加速器具体的计算比较。由于目前普遍 工业所需用X射线进行检测的工件厚度一般在250mm左 右，因此下面对4MeV电子直线加速器和7.5MeV电子感 应加速器就透照时间、工作性能、防护墙厚度、造价等 方面进行比较。 计算公式说明如下：
4 防护墙厚度对比
计算方法 在厅外距靶点r（m）处的辐射剂量率为（单位rad/ min）：
表3 电子直线加速器和电子感应加速器工作效率对比 D/D1/2 6 5.17 最大剂量率 （cGy/m.min） 500 5 透照时间 4.98分 84.79分
能量（MeV） 4MeV电子直线加速器 7.5MeV电子感应加速器
0.2×3 0.2×3 0.2×3 0.2×3 0.3×3 150 1% 200 1% 250 1% 250 1% 350 1%
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Ⅰ.基本原理
Ⅱ.加速电子的条件
Ⅲ.实例应用
基本原理 带电粒子在交变的非均匀磁场中运动时，将受到 两方面的作用力： (一)感生电场的切向加速作用力
(二)指向环心的洛仑兹力。
电子感应加速器的核心问题是如何保证带电粒子 在要求的圆周上作圆周运动。分析带电离子的受力： 设带电粒子在半径为r的轨道上运动时感受到的磁感 应强度为，而在半径为r的圆周内的平均磁感应强度 为，确保带电粒子在希望的圆周轨道上运动的问题转 化为讨论上述两个磁场之间的数量关系。
Back!!!
加速电子的条件
由于电子感应加速器的电磁铁是用交流 电励磁，所以磁场是交变的，从而导致有旋 电场的方向也是交变的。
那在励磁电流交变的一个 周期中，是不是在所有的时间 内电子都可以得到加速呢？
第一个1/4周期
磁场增强,故感生 电场的方向为顺 时针方向,因而电 子受到的加速电 场的方向为逆时 针方向,而此时洛 仑兹力也是使电 子作逆时针方向 的圆周运动,故第 一个1/4周期可用 来加速电子.
北京的高能粒子加速器
合肥的同步辐射加速器
兰州的重离子加速器
• 切向的感生电场力：
d(mv ) E i 1 dB F eE i e dB e dB 2r dt 2r dt 2r dt dt
• 径向的洛伦兹力：
2 dB d(mv ) f Bqv B r qv B r qv m v mv erBr er r r dt dt
Back!!!
实例应用 加速器的种类很多，用途也不同，有静 电加速器、电子回旋加速器、电子感应加速 器、同步辐射加速器……等等。 电子感应加速器主要用于核物理的研究， 用被加速的电子轰击各种靶时，将发出穿透 力很强的电磁辐射。 另外电子感应加速器还应用于工业探伤 或医疗癌症。 目前，我国最大的三个加速器是 北京的高能粒子加速器、合肥的同步辐射加 速器、兰州的重离子加速器。
第二个1/4周期
磁场减弱,故感生电 场的方向为逆时针 方向,电子受到的加 速电场力的方向为 顺时针方向,此时电 场力的作用能使电 子减速运动故第二 个1/4周期不能加速 电子.
第三个1/4周期
磁场反向增强,故感生 电场的方向为逆时针方 向,电子受到的加速电 场力的方向为顺时针方 向,作用使电子减速运 动,另外洛仑兹力的方 向也不能使电子在规定 的圆形轨道运ຫໍສະໝຸດ . 第三 个1/4周期不能加速电子.
第四个1/4周期
磁场反向减弱, 故感生电场的方 向为顺时针方向, 电子的运动得到 加速,但洛仑兹 力的方向不能使 电子在规定的圆 形轨道上运动, 故第四个1/4周期 亦不能加速电子.
实际上
若以每秒50周的交流电励磁，则在磁场变 化的第一个1/4周期（既约5ms的时间）内， 电子就能在有旋电场的作用下，在圆形轨 道上经历回旋数十万圈的持续加速，从而 获得足够高的能量，并在第一个1/4周期结 束时被引至靶室进行实验。
• 于是： B B • • 即：电子运动处的磁感应强度应等于该路径
r 1 2
所围面积内磁感应强度的一半。
直流电激励电磁铁： 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。
交流电激励电磁铁： 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。