Бетатрон - Betatron

Ранний бетатрон в Университете Иллинойса. Керст справа осматривает вакуумную камеру между полюсами 4-тонного магнита.
Немецкий бетатрон на 6 МэВ (1942 г.)
Бетатрон на 35 МэВ, используемый в фотоядерной физике в Мельбурнском университете.

А бетатрон это тип циклического ускоритель частиц. По сути, это трансформатор с вакуумной трубкой в ​​форме тора в качестве вторичной обмотки. Переменный ток в первичных обмотках ускоряет электроны в вакууме по круговой траектории. Бетатрон был первой машиной, способной генерировать электронные пучки с энергиями выше, чем можно было бы получить с помощью простого электронная пушка.[1]

Бетатрон был разработан в 1935 г. Макс Стенбек в Германии для ускорения электронов,[2][3][4][5][6][7] но концепции в конечном итоге происходят из Рольф Видеро,[8][9] чье развитие индукционный ускоритель не удалось из-за отсутствия поперечной фокусировки.[10] Последующее развитие произошло в США через Дональд Керст в 1940-е гг.[11][12][13]

Принцип работы

В бетатроне изменяющееся магнитное поле от 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 электронов удовлетворяет

куда

- поток в области, ограниченной электронной орбитой,
- радиус электронной орбиты, а
магнитное поле при .

Другими словами, магнитное поле на орбите должно быть вдвое меньше среднего магнитного поля по ее круглому сечению:

Это состояние часто называют Состояние Видероэ.[14]

Этимология

Название «бетатрон» (отсылка к бета-частица, быстрый электрон) был выбран в ходе ведомственного конкурса. Другими предложениями были «реотрон», «индукционный ускоритель», «индукционный ускоритель электронов»,[15] и даже "Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron", предложение немецкого сотрудника, для" тяжелой работы, черт возьми, для генерации электронов с чрезвычайно высокой скоростью "[16][17] или, возможно, «Генератор электронов необычайно высокой скорости, высокая энергия от golly-tron».[18]

Приложения

Бетатроны исторически использовались в физика элементарных частиц эксперименты по получению пучков электронов высокой энергии - примерно до 300 МэВ. Если электронный луч направить на металлическую пластину, бетатрон можно использовать как источник энергии. рентгеновские лучи, которые могут использоваться в промышленных и медицинских целях (исторически в Радиационная Онкология ). Уменьшенная версия бетатрона также использовалась в качестве источника жесткого рентгеновского излучения (посредством замедления электронного пучка в мишени) для быстрого запуска некоторых экспериментальных ядерное оружие посредством фотонного деления и фотон-нейтронные реакции в ядре бомбы.[19][20][21]

Радиационный центр, первый частный медицинский центр для лечения онкологических больных с помощью бетатрона, был открыт доктором А. О. Артур Стиеннон в пригороде Мэдисон, Висконсин в конце 1950-х гг.[22]

Ограничения

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

Рекомендации

  1. ^ «Бетатрон | ускоритель частиц». Энциклопедия Британника. Получено 2019-01-24.
  2. ^ Педро Валошек: Rolf Wideröe über sich selbst: Leben und Werk eines Pioniers des Beschleunigerbaues und der Strahlentherapie. /// "" Vieweg + Teubner, 1994, ISBN  978-3528065867, п. 68-69
  3. ^ Вольфганг У. Эккарт: 100 Jahre organisierte Krebsforschung. Георг Тиме Верлаг, 2000 г., ISBN  978-3131056610, п. 140
  4. ^ Гарри Фридманн: Einführung in die Kernphysik Вайли-ВЧ Верлаг, 2014, ISBN  978-3527412488, п. 357
  5. ^ Vom Atom zur Kernenergie Вальтер Кайзер. Веб-сайт VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 4. Ноябрь 2015. Проверено 01.10.2016.
  6. ^ Сергей С. Молоков, Р. Моро, Х. Кейт Моффатт: Магнитогидродинамика: историческое развитие и тенденции. Springer, 2007 г., ISBN  978-1841271729, п. 56
  7. ^ «Физика и национал-социализм: антология первоисточников», Клаус Хентшель. Биркхойзер, 1996. ISBN  3-7643-5312-0, ISBN  978-3-7643-5312-4. п. 350.
  8. ^ Видероэ, Р. (17 декабря 1928 г.). "Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen". Archiv für Elektrotechnik (на немецком). 21 (4): 387–406. Дои:10.1007 / BF01656341. S2CID  109942448.
  9. ^ Даль, Ф. (2002). От трансмутации ядер к делению ядер, 1932-1939 гг.. CRC Press. ISBN  978-0-7503-0865-6.
  10. ^ Хинтербергер, Франк (2008). Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. Springer. Дои:10.1007/978-3-540-75282-0. ISBN  978-3-540-75281-3.
  11. ^ Керст, Д.В. (1940). «Ускорение электронов магнитной индукцией». Физический обзор. 58 (9): 841. Bibcode:1940PhRv ... 58..841K. Дои:10.1103 / PhysRev.58.841. S2CID  120616002.
  12. ^ Керст, Д.В. (1941). «Ускорение электронов магнитной индукцией» (PDF). Физический обзор. 60 (1): 47–53. Bibcode:1941ПхРв ... 60 ... 47К. Дои:10.1103 / PhysRev.60.47.
  13. ^ Керст, Д.В.; Сербер, Р. (Июль 1941 г.). «Электронные орбиты в индукционном ускорителе». Физический обзор. 60 (1): 53–58. Bibcode:1941ПхРв ... 60 ... 53К. Дои:10.1103 / PhysRev.60.53.
  14. ^ Вилле, Клаус (2001). Физика ускорителей элементарных частиц: введение. Oxford University Press. ISBN  978-0-19-850549-5.
  15. ^ Научная служба (1942). «Назовем новую машину Бетатрон или Реотрон». Брошюра по химии. 15 (7–12).
  16. ^ Селия Эллиот. "Физика в 1940-х: Бетатрон". Physics Illinois: капсулы времени. Урбана-Шампейн, Иллинойс: Университет Иллинойса. Получено 13 апреля 2012.
  17. ^ Р.А. Кингери; Р. Д. Берг; E.H. Шиллингер (1967). «Электроны на орбите». Люди и идеи в инженерии: двенадцать историй из Иллинойса. Урбана, Иллинойс: Университет Иллинойс Press. п. 68. КАК В  B002V8WB8I.
  18. ^ «Самый большой бетатрон в мире». Жизнь: 131. 20 марта 1950 г.
  19. ^ Большая наука: рост масштабных исследований ISBN  978-0-8047-1879-0
  20. ^ Архив ядерного оружия, серия выстрелов из тумблера, предмет Джордж
  21. ^ Архив ядерного оружия, Элементы конструкции оружия деления, раздел 4.1.8.2
  22. ^ Выпускник Висконсина, Volume 58, Number 15 (25 июля 1957 г.)

внешняя ссылка