Betatron - Betatron

Brzy betatron na University of Illinois. Kerst je vpravo a zkoumá vakuovou komoru mezi póly 4tunového magnetu.
Německý betatron 6 MeV (1942)
35 MeV betatron používaný pro fotonukleární fyziku na University of Melbourne.

A betatron je druh cyklického urychlovač částic. Je to v zásadě a transformátor s vakuovou trubicí ve tvaru torusu jako sekundární cívkou. Střídavý proud v primárních cívkách se zrychluje elektrony ve vakuu kolem kruhové dráhy. Betatron byl prvním strojem schopným produkovat elektronové paprsky při energiích vyšších, než by bylo možné dosáhnout jednoduchým elektronová zbraň.[1]

Betatron byl vyvinut v roce 1935 společností Max Steenbeck v Německu k urychlení elektronů,[2][3][4][5][6][7] ale koncepty nakonec pocházejí z Rolf Widerøe,[8][9] jehož vývoj indukční akcelerátor selhalo kvůli nedostatku příčného zaostření.[10] Následný vývoj nastal ve Spojených státech až do Donald Kerst ve 40. letech 20. století.[11][12][13]

Princip činnosti

V betatronu měnící se magnetické pole z primární cívky zrychluje elektrony vstřikované do vakuového torusu, což způsobuje, že krouží kolem torusu stejným způsobem, jako je indukován proud v sekundární cívce transformátoru (Faradayův zákon ).

Stabilní dráha pro elektrony vyhovuje

kde

je tok v oblasti uzavřené elektronovou dráhou,
je poloměr oběžné dráhy elektronu a
je magnetické pole v .

Jinými slovy, magnetické pole na oběžné dráze musí být v jeho kruhovém průřezu poloviční než průměrné magnetické pole:

Tato podmínka se často nazývá Widerøeův stav.[14]

Etymologie

Název "betatron" (odkaz na beta částice, rychlý elektron) byl vybrán během soutěžní soutěže. Další návrhy byly „rheotron“, „indukční urychlovač“, „indukční elektronový urychlovač“,[15] a dokonce "Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron", návrh německého spolupracovníka, pro" Tvrdou práci holým strojem pro generování mimořádně vysokých elektronů "[16][17] nebo možná „Mimořádně vysoký generátor elektronů, vysoká energie od golly-tronu.“[18]

Aplikace

Betatrony byly historicky zaměstnány v částicová fyzika experimenty na poskytnutí vysokoenergetických paprsků elektronů - až asi 300 MeV. Pokud je elektronový paprsek směrován na kovovou desku, může být betatron použit jako zdroj energie rentgenové záření, které lze použít v průmyslových a lékařských aplikacích (historicky v radiační onkologie ). Malá verze betatronu byla také použita k poskytnutí zdroje tvrdých rentgenových paprsků (prostřednictvím zpomalení elektronového paprsku v cíli) pro rychlé zahájení některých experimentálních nukleární zbraně pomocí štěpení fotonem a foton-neutronové reakce v jádru bomby.[19][20][21]

Radiační centrum, první soukromé lékařské centrum pro léčbu pacientů s rakovinou betatronem, otevřelo Dr. O. Arthur Stiennon na předměstí Madison, Wisconsin na konci 50. let.[22]

Omezení

Maximální energie, kterou může betatron předat, je omezena silou magnetického pole v důsledku nasycení železa a praktickou velikostí jádra magnetu. Příští generace akcelerátorů, synchrotrony překonal tato omezení.

Reference

  1. ^ "Betatron | urychlovač částic". Encyklopedie Britannica. Citováno 2019-01-24.
  2. ^ Pedro Waloschek: Rolf Wideröe über sich selbst: Leben und Werk eines Pioniers des Beschleunigerbaues und der Strahlentherapie. /// "" Vieweg + Teubner, 1994, ISBN  978-3528065867, str. 68-69
  3. ^ Wolfgang U. Eckart: 100 Jahre organisierte Krebsforschung. Georg Thieme Verlag, 2000, ISBN  978-3131056610, str. 140
  4. ^ Harry Friedmann: Einführung in die Kernphysik Wiley-VCH Verlag, 2014, ISBN  978-3527412488, str. 357
  5. ^ Vom Atom zur Kernenergie Walter Kaiser. Web VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.V. 4. listopadu 2015. Citováno 2016-10-01.
  6. ^ Sergej S. Molokov, R. Moreau, H. Keith Moffatt: Magnetohydrodynamika: Historický vývoj a trendy. Springer, 2007, ISBN  978-1841271729, str. 56
  7. ^ „Fyzika a národní socialismus: antologie primárních zdrojů“, Klaus Hentschel. Birkhäuser, 1996. ISBN  3-7643-5312-0, ISBN  978-3-7643-5312-4. str. 350.
  8. ^ Wideröe, R. (17. prosince 1928). „Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen“. Archiv pro Elektrotechnik (v němčině). 21 (4): 387–406. doi:10.1007 / BF01656341. S2CID  109942448.
  9. ^ Dahl, F. (2002). Od nukleární transmutace k jadernému štěpení, 1932-1939. CRC Press. ISBN  978-0-7503-0865-6.
  10. ^ Hinterberger, Frank (2008). Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik. Springer. doi:10.1007/978-3-540-75282-0. ISBN  978-3-540-75281-3.
  11. ^ Kerst, D. W. (1940). "Zrychlení elektronů magnetickou indukcí". Fyzický přehled. 58 (9): 841. Bibcode:1940PhRv ... 58..841K. doi:10.1103 / PhysRev.58.841. S2CID  120616002.
  12. ^ Kerst, D. W. (1941). „Zrychlení elektronů magnetickou indukcí“ (PDF). Fyzický přehled. 60 (1): 47–53. Bibcode:1941PhRv ... 60 ... 47 tis. doi:10.1103 / PhysRev.60.47.
  13. ^ Kerst, D. W.; Serber, R. (Červenec 1941). "Elektronické dráhy v indukčním urychlovači". Fyzický přehled. 60 (1): 53–58. Bibcode:1941PhRv ... 60 ... 53 tis. doi:10.1103 / PhysRev.60.53.
  14. ^ Wille, Klaus (2001). Fyzika urychlovače částic: Úvod. Oxford University Press. ISBN  978-0-19-850549-5.
  15. ^ Vědecká služba (1942). „Bude se nový stroj jmenovat Betatron nebo Rheotron?“. Leták o chemii. 15 (7–12).
  16. ^ Celia Elliot. „Fyzika ve 40. letech 20. století: Betatron“. Physics Illinois: Time Capsules. Urbana-Champaign, IL: University of Illinois. Citováno 13. dubna 2012.
  17. ^ R.A. Kingery; R.D. Berg; E.H. Schillinger (1967). "Elektrony na oběžné dráze". Muži a nápady ve strojírenství: Dvanáct historie z Illinois. Urbana, IL: University of Illinois Press. str. 68. JAKO V  B002V8WB8I.
  18. ^ „Největší Betatron na světě“. Život: 131. 20. března 1950.
  19. ^ Big Science: Růst rozsáhlého výzkumu ISBN  978-0-8047-1879-0
  20. ^ Archiv jaderných zbraní, série Tumblerových výstřelů, položka George
  21. ^ Archiv jaderných zbraní, prvky konstrukce štěpných zbraní, oddíl 4.1.8.2
  22. ^ Wisconsin absolvent, Svazek 58, číslo 15 (25. července 1957)

externí odkazy