Elektrongyorsító

A Betatron ( béta + elektronból ) egy ciklikus , de nem rezonáns, rögzített egyensúlyi pályával rendelkező elektrongyorsító, amelyben a gyorsulás örvény elektromos tér segítségével történik. Maximális elérhető energia a betatronban: ≤ 300 MeV.

Történelem

A betatront először Iosif Slepyan szabadalmaztatta 1922 - ben . [1] Wideröe tervezte és készítette 1928 - ban , de nem működött. Az első megbízhatóan működő betatront DV Kerst hozta létre csak 1940-1941 között az USA -ban, az Illinoisi Egyetemen [2] . Kerst a betatronban tanulmányozta először részletesen azokat a kváziperiodikus transzverzális rezgéseket, amelyeket a részecske egy egyensúlyi pálya körül hajt végre, amelyeket ma betatron-oszcillációnak neveznek . A betatronban elért maximális energia nem haladja meg a 300 MeV-ot. A lineáris gyorsítási technológia fejlődésével a korábban gyakran intenzív elektronnyaláb elsődleges gyorsítására használt betatronokat nagymértékben kiszorították a linacok (lineáris gyorsítók, az angol linear accelerator szóból ), és ma már ritkán használják őket.  

Hogyan működik

A betatron azt a jelenséget használja, hogy váltakozó mágneses térrel örvény elektromos teret hoz létre. A gyorsításhoz a mágneses tér rezgési periódusának első és harmadik negyedét használjuk. A betatron úgy működik, mint egy transzformátor, amelyben a második tekercs a kamrában egy fordulattal felgyorsított részecskékből áll [3] . Ezenkívül a gyorsan növekvő mágneses tér két további funkciót is ellát: a sugarat a kívánt pályára irányítja, és gyenge fókuszálást biztosít. A klasszikus betatron egy gyengén fókuszáló gép. A sugár kerámiából készült toroid vákuumkamrában kering (hogy a bőrhatás ne zavarja a mágneses tér behatolását a kamrába), belülről vékony vezetőréteggel borítva, ami lehetővé teszi a felhalmozódás elkerülését. elektromos töltés. A Lorentz-erő kifejezéséből megállapítható az összefüggés a részecske p impulzusa, a sugárpályán lévő B mágneses tér és a ρ görbületi sugár között: ahol c a fénysebesség, e a töltés az elektroné. A Bρ értékét a részecskék mágneses merevségének nevezzük . Amikor a mágneses tér megváltozik, az elektromos és mágneses mezők összekapcsolására szolgáló Maxwell-egyenlet segítségével felírhatjuk az elektromágneses indukció kifejezését és a Newton-törvényt:

ahonnan a nyalábpályán lévő vezető mező és a pálya által bezárt fluxus közötti kapcsolat következik:

az úgynevezett „ Törvény 2:1 ”. A nyalábpályán áthatoló fluxusnak kétszer akkorának kell lennie, mintha a vezető mágneses térrel egyenlő nagyságú egyenletes mágneses tér hozná létre. Ellenkező esetben a pálya nem maradna állandó a gyorsítás során. Az említett követelmény teljesítése érdekében a betatronban egy speciális vasmag van kialakítva.

Korlátozások

Mivel a mag által létrehozott mező a vas telítettsége miatt korlátozott nagyságrendű, az energia növelésének egyetlen módja a mag keresztmetszete, és ezáltal a betatron méretének növelése, és ennek megfelelően a tömege. Így az illinoisi 300 MeV-es betatron több mint 300 tonnát nyomott. Ennél is komolyabb korlát a részecskék szinkrotronsugárzás miatti energiavesztesége, amely ~100 MeV energiától kezdődően válik jelentőssé. A betatronban elvileg a protonokat is fel lehet gyorsítani, így a megszerzett energia egyenlő lesz a töltés által áthaladó potenciálkülönbség szorzatával, de a proton nagy tömege miatt a sebessége több százszor kisebb lesz. Mivel egy betatronban lévő részecske energiájának növekedése csak a fordulatok számától függ (pár keV periódusonként), a proton felgyorsítása nagyon hosszú ideig tart. Emellett a protonok egyensúlyi pályán tartásához (β W = 300  B ( r ,  t )  R , ahol W [MeV], B [T], R [m]) erősebb mágneses mezőkre van szükség. Ezért a betatront az elektronok gyorsítására használják.

Jegyzetek

1. ↑ SLEPYAN Joseph (Slepian Joseph) | Szentpétervári Tanárok Egyesülete . www.eduspb.com . Letöltve: 2022. június 21. (határozatlan)
2. ↑ Fizika az 1940-es években: A Betatron archiválva : 2019. május 30. a Wayback Machine -nél .
3. ↑ Kalashnikov S. G. , Electricity, M., GITTL, 1956, ch. XIII „Elektromos és mágneses mezők kölcsönös átalakulásai. Maxwell elmélete”, 150. oldal „Indukciós gyorsító”, p. 331-332.

Linkek

• Betatrons , V. A. Moszkalev, V. L. Chakhlov, TPU , 2009.
• Handbook of accelerator physics and engineering , szerkesztette: A. Chao, M. Tigner, 1999, p. tíz.