Betatron - Betatron

Tidlig betatron ved University of Illinois. Kerst er til høyre og undersøker vakuumkammeret mellom polene på 4-tonns magneten.

En tysk 6 MeV betatron (1942)

En 35 MeV betatron brukt til fotonukleær fysikk ved University of Melbourne.

En betatron er en type syklisk partikkelakselerator . Det er egentlig en transformator med et torusformet vakuumrør som sin sekundære spole. En vekselstrøm i primærspolene akselererer elektroner i vakuumet rundt en sirkulær bane. Betatronen var den første maskinen som var i stand til å produsere elektronstråler ved høyere energier enn det som kunne oppnås med en enkel elektronpistol .

Betatronen ble utviklet i 1935 av Max Steenbeck i Tyskland for å akselerere elektroner, men konseptene stammer til slutt fra Rolf Widerøe , hvis utvikling av en induksjonsakselerator mislyktes på grunn av mangel på tverrgående fokusering. Påfølgende utvikling skjedde i USA gjennom Donald Kerst på 1940 -tallet.

Driftsprinsipp

I en betatron akselererer det skiftende magnetfeltet fra primærspolen elektroner som injiseres i vakuumtorusen, og får dem til å sirkle rundt torus på samme måte som strøm induseres i sekundærspolen til en transformator ( Faradays lov ).

Den stabile bane for elektronene tilfredsstiller

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

hvor

${\ displaystyle \ theta _ {0}}$ er fluksen i området som omsluttes av elektronbanen,

${\ displaystyle r_ {0}}$ er radiusen til elektronbanen, og

${\ displaystyle H_ {0}}$er magnetfeltet kl .${\ displaystyle r_ {0}}$

Med andre ord må magnetfeltet i bane være halvparten av gjennomsnittlig magnetfelt over sitt sirkulære tverrsnitt:

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

Denne tilstanden kalles ofte Widerøes tilstand .

Etymologi

Navnet "betatron" (en referanse til beta -partikkelen , et raskt elektron) ble valgt under en avdelingskonkurranse. Andre forslag var "rheotron", "induksjonsakselerator", "induksjonselektronakselerator" og til og med " Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron ", et forslag fra en tysk medarbeider, om " Hardworking by golly machine for generating extraordinary high speed electrons" or maybe " Extra high speed elektron" hastighetselektrongenerator, høy energi av golly-tron. "

applikasjoner

Betatroner ble historisk ansatt i partikkelfysikkeksperimenter for å gi elektroner med høy energi-opptil 300 MeV . Hvis elektronstrålen er rettet mot en metallplate, kan betatronen brukes som en kilde til energiske røntgenstråler , som kan brukes i industrielle og medisinske applikasjoner (historisk innen stråleonkologi ). En liten versjon av en betatron ble også brukt til å gi en kilde til harde røntgenstråler (via retardasjon av elektronstrålen i et mål) for rask start av noen eksperimentelle atomvåpen ved hjelp av fotonindusert fisjon og fotofisjon i bombekjernen .

Radiation Center, det første private medisinske senteret som behandlet kreftpasienter med en betatron, ble åpnet av Dr. O. Arthur Stiennon i en forstad til Madison, Wisconsin på slutten av 1950 -tallet .

Begrensninger

Maksimal energi som en betatron kan gi er begrenset av magnetfeltets styrke på grunn av metning av jern og av praktisk størrelse på magnetkjernen. Neste generasjon akseleratorer, synkrotronene , overvant disse begrensningene.

Referanser

Eksterne linker

• Betatron ved UIUC