Дональд Уильям Керст (1 ноября 1911 — 19 августа 1993) — американский физик , работавший над передовыми концепциями ускорителей частиц ( физика ускорителей ) и физикой плазмы . Он наиболее известен своей разработкой бетатрона , нового типа ускорителя частиц, используемого для ускорения электронов .
Выпускник Университета Висконсин-Мэдисон , Керст разработал первый бетатрон в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн , где он начал работать 15 июля 1940 года. Во время Второй мировой войны Керст брал отпуск в 1940 и 1941 годах, чтобы работать над ним с инженерным составом General Electric , и он разработал портативный бетатрон для проверки неразорвавшихся бомб. В 1943 году он присоединился к лаборатории Манхэттенского проекта в Лос-Аламосе , где он отвечал за проектирование и строительство водогрейного котла, ядерного реактора, предназначенного для использования в качестве лабораторного прибора.
С 1953 по 1957 год Керст был техническим директором Ассоциации исследований университетов Среднего Запада , где он работал над передовыми концепциями ускорителей частиц, в частности над ускорителем FFAG . Затем он работал в лаборатории Джона Джея Хопкинса компании General Atomics с 1957 по 1962 год, где он работал над проблемами физики плазмы. Совместно с Тихиро Окавой он изобрел тороидальные устройства для удержания плазмы с помощью магнитных полей. Их устройства были первыми, которые удерживали плазму без нестабильностей, которые преследовали предыдущие конструкции, и первыми, которые удерживали плазму в течение времени жизни, превышающего предел диффузии Бома .
Дональд Уильям Керст родился в Галене, штат Иллинойс , 1 ноября 1911 года [1] , сын Германа Сэмюэля Керста и Лилиан Э. Ветц. [2] Он поступил в Висконсинский университет , где получил степень бакалавра искусств (BA) в 1934 году, а затем степень доктора философии (PhD) в 1937 году, [3] написав диссертацию на тему «Разработка электростатических генераторов в атмосферном давлении и их применение к функциям возбуждения ядерных реакций». [4] Это включало создание и тестирование генератора на 2,3 МэВ для экспериментов с рассеянием протонов . [3]
После окончания университета Керст в течение года работал в компании General Electric Company , занимаясь разработкой рентгеновских трубок и машин. Он находил это удручающим, поскольку рентгеновские исследования требовали высоких энергий, которые в то время невозможно было получить. В 1938 году он принял предложение о преподавательской работе в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн , где глава физического факультета Ф. Уиллер Лумис поощрял Керста в его усилиях по созданию лучшего ускорителя частиц . [3] Результатом этих усилий стал бетатрон . [5] [6] Когда он начал работать 15 июля 1940 года, Керст стал первым человеком, который ускорил электроны с помощью электромагнитной индукции , достигнув энергии 2,3 МэВ. [7]
В декабре 1941 года Керст остановился на «бетатроне», используя греческую букву «бета», которая была символом электронов, и «трон», что означает «инструмент для». [8] Он продолжил строить больше бетатронов с увеличивающейся энергией, машину на 20 МэВ в 1941 году, машину на 80 МэВ в 1948 году и машину на 340 МэВ, которая была завершена в 1950 году. [7]
Бетатрон повлиял на все последующие ускорители. Его успех был обусловлен глубоким пониманием физики и кропотливой разработкой магнитов, вакуумных насосов и источника питания. [1] В 1941 году он объединился с Робертом Сербером, чтобы предоставить первый теоретический анализ колебаний, которые происходят в бетатроне. [1] [9] Оригинальная машина 1940 года была передана в дар Смитсоновскому институту в 1960 году. [7]
Во время Второй мировой войны Керст взял отпуск в Иллинойском университете, чтобы работать над разработкой бетатрона с инженерным составом General Electric в 1940 и 1941 годах. Они спроектировали версии бетатрона на 20 МэВ и 100 МэВ, и он руководил строительством первой, которую он привез с собой в Иллинойский университет. Он также спроектировал портативный бетатрон на 4 МэВ для проверки неразорвавшихся бомб. [1]
Инженерное и физическое образование Керста поставило его в начало списка ученых, которых Роберт Оппенгеймер нанял для Лос-Аламосской лаборатории Манхэттенского проекта , которая была создана для разработки атомной бомбы . [10] В августе 1943 года Керст был назначен ответственным за группу P-7 лаборатории, которая отвечала за проектирование и строительство водогрейного котла, [11] [3] ядерного реактора, предназначенного для использования в качестве лабораторного прибора для проверки расчетов критической массы и эффекта различных материалов -тамперов . В его группу, в основном набранную из Университета Пердью , входили Чарльз П. Бейкер, Герхарт Фридлендер , Линдсей Гельмгольц, Маршалл Холлоуэй и Рэмер Шрайбер . Роберт Ф. Кристи оказал помощь с теоретическими расчетами. [12]
Керст спроектировал водный гомогенный реактор , в котором обогащенный уран в форме растворимого сульфата урана растворялся в воде и окружался нейтронным отражателем из оксида бериллия . Это был первый реактор, использовавший обогащенный уран в качестве топлива, и для него требовалась большая часть скудных мировых запасов того времени. Достаточное количество обогащенного урана прибыло в Лос-Аламос к апрелю 1944 года, и в мае начал работу водогрейный котел. К концу июня он достиг всех своих проектных целей. [12]
Лос-Аламосская лаборатория была реорганизована в августе 1944 года, чтобы сосредоточиться на создании ядерного оружия имплозивного типа . [13] Изучение имплозии в больших масштабах или даже в полном масштабе требовало специальных диагностических методов. Еще в ноябре 1943 года Керст предложил использовать бетатрон, использующий гамма-лучи 20 МэВ вместо рентгеновских лучей для изучения имплозии. [14] В ходе реорганизации в августе 1944 года он стал соруководителем, вместе с Сетом Неддермейером , группы G-5, части подразделения G (Gadget) Роберта Бахера , специально ответственного за тестирование бетатронов. Оппенгеймер отправил бетатрон на 20 МэВ из Иллинойсского университета в Лос-Аламос, куда он прибыл в декабре. 15 января 1945 года группа G-5 сделала свои первые бетатронные снимки имплозии. [15]
Керст вернулся в Университет Иллинойса после войны. С 1953 по 1957 год он был техническим директором Ассоциации исследований университетов Среднего Запада , где работал над передовыми концепциями ускорителей частиц, в частности над ускорителем FFAG . [16] Он разработал принцип фокусировки спирального сектора, который лежит в основе многих циклотронов со спиральным гребнем, которые сейчас эксплуатируются по всему миру. Его команда разработала и проанализировала стекирование пучка, процесс ускорения радиочастот в машинах с фиксированным полем, что привело к разработке ускорителей встречных пучков. [3]
С 1957 по 1962 год Керст работал в подразделении General Atomics Лаборатории чистой и прикладной науки имени Джона Джея Хопкинса компании General Dynamics в Ла-Хойе, Калифорния , где он работал над физикой плазмы , которая, как надеялись, станет дверью к контролю термоядерной энергии . [1] Совместно с Тихиро Окавой он изобрел тороидальные устройства для удержания плазмы с помощью магнитных полей. Эти двое завершили эту работу в Университете Висконсина, [3] где Керст был профессором с 1962 года до своей отставки в 1980 году. [17] Их устройства были первыми, которые удерживали плазму без нестабильностей, которые преследовали предыдущие конструкции, и первыми, которые удерживали плазму в течение времени жизни, превышающего предел диффузии Бома . [1] С 1972 по 1973 год он также был председателем Отделения физики плазмы Американского физического общества. [1]
Керст был женат на Дороти Биркетт Керст. У них было двое детей, [1] дочь Мэрилин и сын Стивен. После того, как он вышел на пенсию, Керст и Дороти переехали в Форт-Майерс, Флорида . [17] Он умер 19 августа 1993 года в университетской больнице и клиниках в Мэдисоне, штат Висконсин , от опухоли мозга. У него остались жена и дети. [17] Его документы находятся в архивах Иллинойсского университета. [18]
