Betatron

Betatron ( sanasta beeta + elektroni ) on syklinen , mutta ei resonoiva elektronikiihdytin, jolla on kiinteä tasapainokiertorata, jossa kiihtyvyys tapahtuu pyörteen sähkökentän avulla. Suurin saavutettavissa oleva energia betatronissa: ≤ 300 MeV.

Historia

Iosif Slepyan patentoi betatronin ensimmäisen kerran vuonna 1922 . [1] Wideröe suunnitteli ja loi sen vuonna 1928 , mutta se ei toiminut. Ensimmäisen luotettavasti toimivan betatronin loi DV Kerst vasta 1940-1941 Yhdysvalloissa , Illinoisin yliopistossa [ 2] . Betatronissa Kerst tutki ensin yksityiskohtaisesti kvasiperiodisia poikittaisia ​​värähtelyjä, joita hiukkanen suorittaa tasapainoradan ympärillä, joita nykyään kutsutaan betatronivärähtelyiksi . Betatronissa saavutettu enimmäisenergia ei ylitä 300 MeV. Lineaarikiihdytintekniikan kehittyessä betatronit, joita käytettiin usein voimakkaan elektronisuihkun ensisijaiseen kiihdytykseen, syrjäytettiin suuresti linacilla (lineaarikiihdyttimet, englanninkielisestä lineaarisesta kiihdyttimestä ), ja niitä käytetään nykyään harvoin.  

Kuinka se toimii

Betatron käyttää ilmiötä, jossa pyörresähkökenttä generoidaan vaihtuvalla magneettikentällä. Kiihdytykseen käytetään magneettikentän värähtelyjakson ensimmäistä ja kolmatta neljännestä. Betatron toimii muuntajan tavoin, jossa toinen käämi koostuu yhden kierroksen kiihdytetyistä hiukkasista kammiossa [3] . Lisäksi nopeasti kasvava magneettikenttä suorittaa kaksi muuta toimintoa: ohjaa säteen haluttua lentorataa pitkin ja tarjoaa heikon tarkennuksen. Klassinen betatron on heikosti tarkentava kone. Säde kiertää keraamisesta (jotta ihovaikutus ei häiritse magneettikentän tunkeutumista kammioon) valmistetussa toroidisessa tyhjiökammiossa, joka on peitetty sisältä ohuella johtavalla kalvolla, mikä mahdollistaa kerääntymisen välttämisen. sähkövarauksesta. Lorentzin voiman lausekkeesta saadaan suhde hiukkasen liikemäärän p , säteen kiertoradalla olevan magneettikentän B ja kaarevuussäteen ρ välillä: missä c on valon nopeus, e on varaus elektronista. Bρ :n arvoa kutsutaan hiukkasten magneettiseksi jäykkyydeksi . Kun magneettikenttä muuttuu, voimme kirjoittaa Maxwellin yhtälön avulla sähkö- ja magneettikenttien yhdistämiseen sähkömagneettisen induktion lausekkeen ja Newtonin lain:

mistä seuraa keilan kiertoradan johtavan kentän ja kiertoradan sulkeman vuon välinen suhde:

niin sanottu " Laki 2:1 ". Säteen kiertoradalle tunkeutuvan vuon on oltava kaksi kertaa suurempi kuin jos se muodostuisi tasaisesta magneettikentästä, joka on yhtä suuri kuin johtavan magneettikentän. Muuten kiertorata ei pysyisi vakiona kiihdytyksen aikana. Mainitun vaatimuksen täyttämiseksi betatroniin luodaan erityinen rautaydin.

Rajoitukset

Koska ytimen luoma kenttä on suuruudeltaan rajoitettu raudan kyllästymisen vuoksi, ainoa tapa lisätä energiaa on kasvattaa ytimen poikkileikkausalaa ja siten betatronin kokoa ja vastaavasti sen massa. Näin ollen 300 MeV:n betatron Illinoisissa painoi yli 300 tonnia. Vielä vakavampi rajoitus liittyy synkrotronisäteilyn aiheuttamiin hiukkasten energiahäviöihin , jotka tulevat merkittäviksi ~100 MeV:n energiasta alkaen. Periaatteessa protoneja voidaan kiihdyttää myös betatronissa, joten hankittu energia on yhtä suuri kuin varauksen ohittaman potentiaalieron tulo, mutta protonin suuren massan vuoksi sen nopeus on satoja kertoja pienempi. Koska hiukkasen energian kasvu betatronissa riippuu vain kierrosten lukumäärästä (muutama keV per jakso), protonin kiihdyttäminen kestää hyvin kauan. Lisäksi protonien pitämiseksi tasapainoradalla (β W = 300  B ( r ,  t )  R , missä W [MeV], B [T], R [m]) tarvitaan vahvempia magneettikenttiä. Siksi betatronia käytetään elektronien kiihdyttämiseen.

Muistiinpanot

1. ↑ SLEPYAN Joseph (Slepian Joseph) | Pietarin opettajien yhdistys . www.eduspb.com . Haettu: 21.6.2022. (määrätön)
2. ↑ Fysiikka 1940-luvulla: Betatron arkistoitu 30. toukokuuta 2019 Wayback Machinessa .
3. ↑ Kalashnikov S. G. , Electricity, M., GITTL, 1956, ch. XIII "Sähkö- ja magneettikenttien keskinäiset muunnokset. Maxwellin teoria", s. 150 "Induktiokiihdytin", s. 331-332.

Linkit

• Betatrons , V. A. Moskalev, V. L. Chakhlov, TPU , 2009.
• Handbook of accelerator physics and engineering , toimittanut A. Chao, M. Tigner, 1999, s. kymmenen.