电子直线加速器的工作原理专题培训课件

式中 m0c2为电子静止能量0.511MeV，W为电子动
能，c为光速，
e

v
c

根据式（2-4），电子速度约为v=0.17~0.37c;当加速 到1~2MeV时，电子速度就达到v=0.94~0.98c ，如前
所述，其后能量再电子刚注入直线加速器时，动能 约为10~40KeV增加，电子速度也不再增加多少了。
圆波导管中可以激励起一种具有纵向分量的电场 （ TM01 ）,它可以用来加速电子；其磁场分布如图 2-2所示，但是磁场在圆波导管中传播的相速度大
于光速；要想利用该电场来同步加速电子，要设法 使磁场传播的相速度慢下来。
如图2-3，在圆波导管 中周期性插入带中孔 的圆形膜片，依靠膜 片的反射作用，使电 磁场传播的相速度慢 下来，实现对电子的 同步加速。这种波导 管，人们称其为盘荷 波导（disk-loaded waveguide）加速管， 取圆形膜片对波导管 加载之意。
盘荷波导管的设计和加工。在盘荷波导加速管中的
轴线附近，行波电场纵向分量E可以表示成
E Z (r,z,t) E 0 (z)I0 (k)s riw n ( tz)
（2-5）
上式中， E 0( z )
为场的幅值，为距离z的函
数；为电磁场的角频
率；2/g ，
表示单位长度上的相移， 称为z方向的的相位常数， r,z分别为径向和轴向位置，
图2-8给出了一台国产8MeV医用行波电子直线加速 器电子速度和动能沿加速管变化的计算曲线。图中
可见，沿加速管，电子的动能基本上是线性增长的， 但电子速度很快就很快接近光速了。
由于这一特点，加速能量大于2MeV的电子时，行
波电场的速度可以不变，等于光速，即用结构均匀
的盘荷波导就可以持续加速电子，从而大大简化了
第一节 加速电场及电子能量的获得
带电粒子加速器是用人工方法借助不同形 态的电场，将各种不同种类的带电粒子加 速到更高能量的电磁装置，常称为“粒子 加速器”，简称“加速器”。
电子直线加速器是利用微波电磁场加速电 子并且具有直线运动轨道的加速装置。
电子直线加速器的加速方式有两种：行波 加速方式和驻波加速方式。
由图2-3，在轴线附近，能提供一个沿Z 轴直线加速电子的电场，假设性波加速 电场的的强度为 EZ,电子一直处于电场 的波峰上，则经过长度为L的加速管之 后，电子所获得的能量W为 WeEZL
人们把这种加速原理叫做“行波加速原
理”。
二、驻波加速方式
如图2-4，时变电场按直线连续加速电子的模型：一 系列双圆筒电极之间，分别接上频率相同的电源， 如果该频率和双圆筒电极缝隙之间的距离式（2-2） 的关系，则电子可以得以持续加速。
D v/2fa(22 )
式中为v电子运动速度。
上述模型在现实中很难实现。若取D=5cm，v近似 为光速，则 fa 300M 0 Hz 电线不能传输这样高频率的电压。
实现上述加速模型只能在一个谐振腔列中完成。
在图2-3所示的加速管左右两端适当位置放置短路 板，形成一种电磁振荡的驻波状态，其电场分布如 图2-5所示。
因此在讨论同步加速时，常常引用一个相位图来 表达电子在加速过程中，电子相对于行波电场的
相加速位速相关 相 位系 位 。（ ，利如a用=图（9022--150）为）式加。，速我可的们以波记求峰得，01波80速180的0范 范表围围达为为式减。
图2-5加速管结构中所有腔体都谐振在一个
频率上相邻腔间的距离为D，腔间18电0 场相
位差为
t D/c
电子在一个腔飞跃的时间为
等于加速管中电磁场振荡的半周期，电子
的飞跃时间与加速电场更换方向时间一致，
从而能持续加速。这种加速模型被称为驻 波加速。
综上所述，医用电子直线加速器是利用微 波电磁场的行波加速方式或驻波加速方式。
如图2-6，医用电子直线加速器主要系统： （1）电子由电子枪产生（2）聚焦磁场约束 电子束流的横向运动，避免电子横向散开 （3）加速管内必须为真空，避免电子与真 空中气体碰撞（4）专门微波功率源系统产 生电磁场，由微波功率传输系统馈入加速 管，来加速电子。如图2-6.
第二节 行波加速原理-纵向运动及相运 动
为零阶I虚0(变kr)量贝塞尔函数，
当在r 0时，
1 .
I0(kr)
从式（2-5）可见，行波电场的强度和方向 都是随时间和轴上位置交变的。在同一时 刻，沿加速管轴线不同地方，电场方向有 的与加速运动方向一致，有的则相反。电 场以波的形式向前传播（图2-9）。图中为 导波波长，行波加速就是在行波电场不断 向前传播的过程中，行波电场不断给电子 以加速力。这时波在前进，电子也在前进。 在这动态过程中并不是在任何情况下，电 子都能受到电场的加速作用，只有电子落 入加速相位，才能受到加速。若电子相对 行波场的相位不合适，落入减速相位，电 子反而被减速，失去能量。
一、行波加速方式
图2-1的模型是电子直线加速最基本的原理。很显然，电子只能在加速缝 隙D中得到加速。若平均电场强度为
EZVa /D
则通过加速缝所获得的能量为eVa .
设想加速系统能与电子相同的速度前进运动，电子一直处于加速缝中，则 加速能持续。 但是，根据根据狭义相对论，现实中不可能制造这种系统：由于电子很轻， 经过几十千电子伏特的加速之后，速度就可与光速相比拟，而一个宏观的 系统 是不可能做到与光速相比拟的。
一、行波电场的加速条件
医用行波电子直线加速器的核心是行波加速管， 它只所以能加速电子，是因为它不但具有电场的纵 向分量，而且它是慢波，能把 TM01模的电磁波的相 位传播速度慢倒光速，甚至光速以下。
在盘荷波导中，微波电磁场以波的形式沿轴线方向 （Z轴）向前传播，如图2-7所示。
行波加速原理的核心是电子速度和行波相速之 间必须满足同步条件： v(z)vp(z) (2-3)
电子在行波电场作用下，速度不断增加，要求
行波电场的传播速度也同步增加，以对电子施 加有效的作用。显然，若同步条件遭到破坏， 电场就不能对电子施加有效的加速，如果电子 落入减速相位，电子还会受到减速。
根据狭义相对论，电子速度V和动能满足下列
关系
v c
1(
m0c2
2
)
Wm0c2
（2-4）。