Бетатрон

Циклический ускоритель частиц

Один из первых бетатронов, построенных Дональдом Керстом (на фото справа) в Университете Иллинойса в 1940 году. Его 4-тонный магнит мог ускорять электроны до 24 МэВ.

Немецкий бетатрон на 6 МэВ (1942 г.)

Бетатрон на 35 МэВ, используемый в фотоядерной физике в Мельбурнском университете.

Бетатрон — это тип циклического ускорителя частиц для электронов . Он состоит из вакуумной камеры в форме тора с источником электронов. Вокруг тора вращается железный сердечник трансформатора , вокруг которого намотана проволока. Устройство функционирует аналогично трансформатору , в котором электроны находятся в вакуумной камере в форме тора в качестве вторичной обмотки. Переменный ток в первичных катушках ускоряет электроны в вакууме по круговой траектории. Бетатрон был первой машиной, способной производить электронные пучки с энергиями выше, чем можно было бы достичь с помощью простой электронной пушки , и первым круговым ускорителем, в котором частицы вращались по орбитам с постоянным радиусом. ^[1]

Идея бетатрона была предложена еще в 1922 году Джозефом Слепяном . ^[2] В течение 1920-х и 30-х годов ряд теоретических проблем, связанных с устройством, рассматривался учеными, в том числе Рольфом Видеро , ^{[3] [4]} Эрнестом Уолтоном и Максом Стинбеком . ^[5] Первый работающий бетатрон был построен Дональдом Керстом в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне в 1940 году. ^{[6] [7] [8]}

История

После открытия в 1800-х годах закона индукции Фарадея , который показал, что электродвижущая сила может создаваться изменяющимся магнитным полем , несколько ученых предположили, что этот эффект можно использовать для ускорения заряженных частиц до высоких энергий. ^[2] Джозеф Слепян в 1922 году предложил устройство, которое будет использовать постоянные магниты для управления лучом, пока он ускоряется изменяющимся магнитным полем. ^[9] Однако он не продвинул эту идею дальше теоретической стадии.

В конце 1920-х годов Грегори Брейт и Мерль Тюве из Бюро земного магнетизма сконструировали работающее устройство, которое использовало переменные магнитные поля для ускорения электронов. Их устройство поместило два соленоидальных магнита рядом друг с другом и выпустило электроны из пушки на внешний край магнитного поля. Когда поле увеличивалось, электроны ускорялись и попадали в мишень в центре поля, производя рентгеновские лучи. Это устройство сделало шаг к концепции бетатрона, придав форму магнитному полю таким образом, чтобы частицы были сфокусированы в плоскости ускорения. ^[2]

В 1929 году Рольф Видеро внес следующий крупный вклад в развитие теории, выведя условие Видеро для стабильных орбит. Он определил, что для того, чтобы радиус орбиты оставался постоянным, поле на этом радиусе должно составлять ровно половину среднего поля по площади магнита. Этот критический расчет позволил разработать ускорители, в которых частицы вращались по орбитам постоянного радиуса, а не вращались по спирали внутрь, как в случае с машиной Брейта и Тюве, или наружу, как в случае с циклотроном . ^[10] Хотя Видеро внес ценный вклад в развитие теории бетатрона, он не смог построить устройство, в котором электроны совершали обороты более полутора раз, поскольку в его устройстве не было механизма, позволяющего удерживать луч в фокусе. ^[2]

Одновременно с экспериментами Видеро Эрнест Уолтон проанализировал орбиты электронов в магнитном поле и определил, что можно построить орбиту, радиально сфокусированную в плоскости орбиты. Частицы на такой орбите, которые переместились на небольшое расстояние от радиуса орбиты, будут испытывать силу, толкающую их обратно на правильный радиус. ^[2] Эти колебания вокруг устойчивой орбиты в круговом ускорителе теперь называются бетатронными колебаниями . ^[10]

В 1935 году Макс Стенбек подал заявку в Германии на патент на устройство, которое сочетало бы условие радиальной фокусировки Уолтона с вертикальной фокусировкой, используемой в машине Брейта и Тюве. ^[5] Позже он утверждал, что построил работающую машину, но это утверждение было оспорено. ^[2]

Первую команду, однозначно признанную создавшей работающий бетатрон, возглавил Дональд Керст из Университета Иллинойса. Ускоритель был завершен 15 июля 1940 года. ^[7]

Принцип работы

В бетатроне изменяющееся магнитное поле первичной катушки ускоряет электроны, инжектированные в вакуумный тор, заставляя их вращаться вокруг тора так же, как ток индуцируется во вторичной катушке трансформатора (закон Фарадея ).

Стабильная орбита для электронов удовлетворяет

${\displaystyle \theta _{0}=2\pi r_{0}^{2}H_{0},}$

где

${\displaystyle \theta _{0}}$– поток внутри области, ограниченной орбитой электрона,

${\displaystyle r_{0}}$- радиус орбиты электрона, а

${\displaystyle H_{0}}$магнитное поле при . ${\displaystyle r_{0}}$

Другими словами, магнитное поле на орбите должно составлять половину среднего магнитного поля по ее круглому сечению:

${\displaystyle \Leftrightarrow H_{0}={\frac {1}{2}}{\frac {\theta _{0}}{\pi r_{0}^{2}}}.}$

Это состояние часто называют состоянием Видероэ . ^[11]

Этимология

Название «бетатрон» (отсылка к бета-частице , быстрому электрону) было выбрано в ходе ведомственного конкурса. Другими предложениями были «реотрон», «индукционный ускоритель», «индукционный ускоритель электронов» ^[12] и даже « Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron », предложение немецкого коллеги, означающее «Усердную работу машины для генерации электронов с чрезвычайно высокой скоростью» ^{[13] ] [14]} или, возможно, «Необычайно высокоскоростной генератор электронов, высокая энергия от черт-трона». ^[15]

Приложения

Бетатроны исторически использовались в экспериментах по физике элементарных частиц для получения пучков электронов высокой энергии — примерно до 300 МэВ . Если пучок электронов направить на металлическую пластину, бетатрон можно использовать в качестве источника энергичного рентгеновского излучения , которое может быть использовано в промышленных и медицинских целях (исторически в радиационной онкологии ). Небольшая версия бетатрона также использовалась в качестве источника жесткого рентгеновского излучения (путем замедления электронного луча в мишени) для быстрого инициирования некоторых экспериментальных ядерных боеголовок посредством деления, индуцированного фотонами, и фотоделения в ядре бомбы. . ^{[16] [17] [18]}

Радиационный центр, первый частный медицинский центр, где лечили раковых больных с помощью бетатрона, был открыт доктором  О. Артуром Стиенноном в пригороде Мэдисона, штат Висконсин, в конце 1950-х годов. ^[19]

Ограничения

Максимальная энергия, которую может передать бетатрон, ограничена силой магнитного поля из-за насыщения железом и практическим размером сердечника магнита. Следующее поколение ускорителей — синхротроны — преодолело эти ограничения.

Рекомендации

1. «Бетатрон | ускоритель частиц» . Британская энциклопедия . Проверено 24 января 2019 г.
2. Керст, Дональд В. (январь 1946 г.). «Историческое развитие бетатрона». Природа . 157 (3978): 90–95. дои : 10.1038/157090a0. PMID  21015096. S2CID  42153256.
3. Видероэ, Р. (17 декабря 1928 г.). «Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen». Archiv für Elektrotechnik (на немецком языке). 21 (4): 387–406. дои : 10.1007/BF01656341. S2CID  109942448.
4. Даль, Ф. (2002). От ядерной трансмутации к ядерному делению, 1932-1939 гг. ЦРК Пресс . ISBN 978-0-7503-0865-6.
5. Стенбек, Макс (1943). «Beschleunigung von Electronen durch elektrische Wirbelfelder». Die Naturwissenschaften . 31 (С): 234–235. дои : 10.1007/BF01482241. S2CID  6832156.
6. Керст, DW (1940). «Ускорение электронов магнитной индукцией». Физический обзор . 58 (9): 841. Бибкод : 1940ФРв...58..841К. doi : 10.1103/PhysRev.58.841. S2CID  120616002.
7. Керст, DW (1941). «Ускорение электронов магнитной индукцией» (PDF) . Физический обзор . 60 (1): 47–53. Бибкод : 1941PhRv...60...47K. дои : 10.1103/PhysRev.60.47.
8. Керст, Д.В .; Сербер, Р. (июль 1941 г.). «Электронные орбиты в индукционном ускорителе». Физический обзор . 60 (1): 53–58. Бибкод : 1941PhRv...60...53K. дои : 10.1103/PhysRev.60.53.
9. США 1645304, Джозеф Слепян, «Рентгеновская трубка», опубликовано в 1927 г. 
10. Эдвардс, Д.А.; Сайферс, MJ (1993). Введение в физику ускорителей высоких энергий . Нью-Йорк: Уайли. стр. 22–23. ISBN 978-0-471-55163-8.
11. Вилле, Клаус (2001). Физика ускорителей частиц: введение . Издательство Оксфордского университета . ISBN 978-0-19-850549-5.
12. Научная служба (1942). «Назовут новую машину Бетатроном или Реотроном». Брошюра по химии . 15 (7–12).
13. Селия Эллиот. «Физика в 1940-е годы: Бетатрон». Физика Иллинойса: Капсулы времени . Урбана-Шампейн, Иллинойс: Университет Иллинойса . Архивировано из оригинала 15 апреля 2012 года . Проверено 13 апреля 2012 г.
14. Р. А. Кингери; Р.Д. Берг; Э. Х. Шиллингер (1967). «Электроны на орбите». Люди и идеи в инженерии: двенадцать историй из Иллинойса . Урбана, Иллинойс: Издательство Университета Иллинойса. п. 68. АСИН  B002V8WB8I.
15. «Самый большой бетатрон в мире». Жизнь . 20 марта 1950 г. с. 131.
16. Большая наука: рост крупномасштабных исследований, ISBN 978-0-8047-1879-0 . 
17. Архив ядерного оружия, серия снимков с тумблера, предмет Джордж.
18. Архив ядерного оружия, Элементы конструкции оружия деления, раздел 4.1.8.2.
19. Выпускник Висконсина, том 58, номер 15 (25 июля 1957 г.).

Внешние ссылки

• Бетатрон в UIUC