Betatron

Tidig betatron vid University of Illinois. Kerst är till höger och undersöker vakuumkammaren mellan polerna på 4-tonsmagneten.

En tysk 6 MeV betatron (1942)

En 35 MeV betatron som används för fotonukleär fysik vid University of Melbourne.

En betatron är en typ av cyklisk partikelaccelerator . Det är i huvudsak en transformator med ett torusformat vakuumrör som sekundärspole. En växelström i primärspolarna accelererar elektroner i vakuumet runt en cirkulär bana. Betatronen var den första maskinen som kunde producera elektronstrålar vid energier högre än vad som kunde uppnås med en enkel elektronpistol , och den första cirkulära acceleratorn där partiklar kretsade med en konstant radie.

Konceptet med betatron hade föreslagits så tidigt som 1922 av Joseph Slepian . Genom 1920- och 30-talen övervägdes ett antal teoretiska problem relaterade till enheten av forskare inklusive Rolf Wideroe , Ernest Walton och Max Steenbeck . Den första fungerande betatronen konstruerades av Donald Kerst vid University of Illinois Urbana-Champaign 1940.

Historia

Efter upptäckten på 1800-talet av Faradays induktionslag, som visade att en elektromotorisk kraft kunde genereras av ett föränderligt magnetfält , spekulerade flera forskare att denna effekt kunde användas för att accelerera laddade partiklar till höga energier. Joseph Slepian föreslog en anordning 1922 som skulle använda permanentmagneter för att styra strålen medan den accelererades av ett förändrat magnetfält. Men han drev inte idén förbi det teoretiska stadiet.

I slutet av 1920-talet konstruerade Gregory Breit och Merle Tuve vid Bureau of Terrestrial Magnetism en fungerande enhet som använde varierande magnetfält för att accelerera elektroner. Deras anordning placerade två solenoidmagneter bredvid varandra och avfyrade elektroner från en pistol vid den yttre kanten av magnetfältet. När fältet ökades, accelererade elektronerna in för att träffa ett mål i mitten av fältet, vilket producerade röntgenstrålar. Den här enheten tog ett steg mot betatronkonceptet genom att forma magnetfältet för att hålla partiklarna fokuserade i accelerationsplanet.

År 1929 gjorde Rolf Wideroe nästa stora bidrag till utvecklingen av teorin genom att härleda Wideroe Condition för stabila banor. Han bestämde att för att omloppsradien ska förbli konstant måste fältet vid radien vara exakt hälften av medelfältet över magnetens yta. Denna kritiska beräkning möjliggjorde utvecklingen av acceleratorer där partiklarna kretsade med en konstant radie, snarare än att spiralera inåt, som i fallet med Breit och Tuves maskin, eller utåt, som i fallet med cyklotronen . Även om Wideroe gav värdefulla bidrag till utvecklingen av teorin om Betatron, kunde han inte bygga en enhet där elektronerna kretsade mer än en och en halv gång, eftersom hans enhet inte hade någon mekanism för att hålla strålen fokuserad.

Samtidigt med Wideroes experiment analyserade Ernest Walton elektronernas banor i ett magnetfält, och fastställde att det var möjligt att konstruera en bana som var radiellt fokuserad i banans plan. Partiklar i en sådan omloppsbana som rörde sig en liten bit bort från omloppsradien skulle uppleva en kraft som trycker tillbaka dem till rätt radie. Dessa svängningar kring en stabil bana i en cirkulär accelerator kallas nu för betatronoscillationer .

1935 ansökte Max Steenbeck i Tyskland om ett patent på en enhet som skulle kombinera det radiella fokuseringsförhållandet hos Walton med den vertikala fokuseringen som används i Breit och Tuves maskin. Han påstod sig senare ha byggt en fungerande maskin, men detta påstående bestreds.

Det första laget som otvetydigt erkänt att ha byggt en fungerande betatron leddes av Donald Kerst vid University of Illinois. Gaspedalen färdigställdes den 15 juli 1940.

Funktionsprincip

I en betatron accelererar det föränderliga magnetfältet från primärspolen elektroner som injiceras i vakuumtorus, vilket får dem att cirkla runt torus på samma sätt som ström induceras i sekundärspolen i en transformator (Faradays lag ) .

Den stabila omloppsbanan för elektronerna uppfyller

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

var

$\theta _{0}$ är flödet inom området som omges av elektronbanan,

$r_{0}$ är radien för elektronbanan och

$H_{0}$ är magnetfältet vid $r_{0}$ .

Med andra ord måste magnetfältet i omloppsbanan vara hälften av det genomsnittliga magnetfältet över dess cirkulära tvärsnitt:

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

Detta tillstånd kallas ofta Widerøes tillstånd .

Etymologi

Namnet "betatron" (en referens till beta-partikeln , en snabb elektron) valdes under en avdelningstävling. Andra förslag var "rheotron", "induktionsaccelerator", "induktionselektronaccelerator" och till och med " Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron ", ett förslag från en tysk medarbetare, för "hårt arbetande med en gollymaskin för att generera extraordinärt höghastighetselektroner" eller kanske "extraordinärt höghastighetselektroner" hastighetselektrongenerator, hög energi av golly-tron."

Ansökningar

Betatroner har historiskt sett använts i partikelfysikexperiment för att ge högenergistrålar av elektroner - upp till cirka 300 MeV . Om elektronstrålen är riktad mot en metallplatta kan betatronen användas som en källa för energiska röntgenstrålar , som kan användas i industriella och medicinska tillämpningar (historiskt inom strålningsonkologi ). En liten version av en betatron användes också för att tillhandahålla en källa för hårda röntgenstrålar (genom retardation av elektronstrålen i ett mål) för omedelbar initiering av några experimentella kärnvapen med hjälp av foton-inducerad fission och fotofission i bombens kärna .

Radiation Center, det första privata medicinska centret som behandlade cancerpatienter med en betatron, öppnades av Dr. O. Arthur Stiennon i en förort till Madison, Wisconsin i slutet av 1950-talet.

Begränsningar

Den maximala energi som en betatron kan ge begränsas av styrkan på magnetfältet på grund av mättnad av järn och av praktisk storlek på magnetkärnan. Nästa generation av acceleratorer, synkrotronerna , övervann dessa begränsningar.

externa länkar

• Betatronen vid UIUC