电子加速器原理与应用

article/2025/9/1 12:59:19

辐射单位

射线能量 $\epsilon$ ，单位 $e V$
$\epsilon = h×\nu$ ，普朗克常数 $h$ ，电磁波频率 $\nu$
电子伏特 $e V$ ：一个电子（电量为1.6×10C）经过1 $V$ 的电位差加速后获得的动能。
$1 eV = 1.6 × 10^{-19} J = 1.6 × 10^{-12} erg$

照射量exposure，符号 $X$ ，单位 $C / K g$
$X = d Q / d m$
$d Q$ 是致电离辐射给予质量为 $d m$ 的空气的电荷量。
衡量射线对空气的电离能力。
伦琴R： $1R=2.58×10^{-4} C/kg$

吸收剂量absorbed dose，符号 $D$ ，单位 $G y$
$D=d\epsilon /dm$
$d\epsilon$ 是致电离辐射给予质量为 $d m$ 的受照物质的平均能量。
反映介质吸收辐射能量的程度。
拉德rad： $1 G y = 1 J / K g = 100 r a d$
由于单位很大，实际中用更小的单位， $10^6 \mu Gy$

对环境进行辐射监测，用吸收剂量率，单位 $G y / h$

加速器分类

按能量

低能加速器：能量低于100MeV
高能加速器：能量高于1000MeV
两者之间为中能加速器
而在低能加速器中又可继续划分高中低。

按原理

直流高压型：利用直流高压电场加速粒子，包括静电加速器、高压倍加器、高频高压加速器、绝缘芯变压器型加速器、电子帘型加速器。
电磁感应型：利用交变磁场所感生的涡旋电场加速粒子，包括电子感应加速器、直线感应加速器。
回旋共振型：利用高频电场加速粒子，利用导向磁场是粒子做回旋运动，包括普通回旋加速器、等时性回旋加速器、稳相加速器、同步加速器。
直线共振型：利用微波或高频电场加速沿直线轨道运动的粒子，包括电子与粒子，电子直线加速器是世界数量最多的加速器。

应用

工业：辐照加工、无损检测、离子注入
农业：辐照育种、辐照保鲜、辐照杀虫灭菌
医学：放疗、医用同位素生产、辐照消毒

行波与驻波加速原理

关于加速器，有两点需要特别指出：
1、由于粒子速度不能超过光速，但能量增加不受限制，因此准确地说，加速器实际上是“增能器”，其增加的能量通常指粒子的动能。
2、加速器中被加速的不是单个微观粒子而是大量的、非整齐划一的“粒子集团”，电磁场除了要对它们进行加速外，还必须保证在整个加速过程中“粒子集团”不散开。

射频电子直线加速器RF LINAC，按原理分为两种：
行波电子直线加速器traveling wave LINAC
驻波电子直线加速器standing wave LINAC

在使用驻波结构进行加速时，加速场已提前建立，加速场不沿粒子前进方向推进，场的空间分布不变，只随时间变化；在使用行波结构进行加速时，加速电场需要不断向前推进并与粒子同步。尽管行波加速结构和驻波加速结构在结构和性能上有很大差异，但从分析的角度来说，由于驻波电磁场可以分解为行波电磁场的迭加，驻波场完全可以用行波场的观点来分析。

行波加速管是一段盘荷波导，由在一段光滑的盘型波导上周期性地放置具有中孔的圆形膜片组成，其实质上是一个慢波结构。

驻波加速管是由一系列相互耦合的谐振腔组成，在边耦合驻波结构的加速管中，不起加速作用的耦合腔从束流经过的轴线上移至轴线外，在束流经过的路径上都是加速腔，此种加速管加速效率高，平均场强可达140 kV/m。

盘荷波导 disk-loaded waveguide
谐振腔 resonant tank
波导：引导电磁波定向传输的的装置。
圆波导：波导的截面为圆形的柱形波导。
慢波：要求电子的行进速度接近电磁波的相速，即满足同步条件，为此必须减慢电磁波的相速。
谐振腔也叫共振腔
射频：3kHz到300GHz范围内的频率，有时也指该频段的电磁波.
微波：300MHz到300GHz范围内的电磁波。
TM电磁波: 磁场的振动方向垂直于波的传播方向.
在这里插入图片描述

参考

[1]田新智.电子加速器原理与应用.https://www.docin.com/p-137172230.html
[2]如何理解辐射剂量的量与单位.https://www.cas.cn/zt/sszt/kxjdrbqz/qwjd/201103/t20110322_3091702.html
[3]第三节辐射量及其单位.https://www.zysj.com.cn/lilunshuji/hewuqisunshang/961-4-4_group.html
[4]江永兵,杨怡.离子注入机直线加速器原理[J].电子技术与软件工程,2022(12):86-89.
[5]张英侠.近代物理讲座第六讲加速器(Ⅰ)[J].物理,1984(05):306-314.
[6]张英侠.近代物理讲座第六讲加速器(Ⅱ)[J].物理,1984(06):352-356.
[7]龚睿.医用电子直线加速器的工作原理与维修保养[J].医疗装备,2020,33(17):142-144.
[8]陈思富,黄子平,石金水.带电粒子加速器的基本类型及其技术实现[J].强激光与粒子束,2020,32(04):5-21.

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