Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Циклдік бөлшектер үдеуіші
Cyclic particle accelerator
Бетатрон – электрондарға арналған циклдік бөлшектер үдеуішінің бір түрі. Ол электрон көзі бар торус пішіндес вакуумдық камерадан тұрады. Торусты айналдыра темірден жасалған трансформатордың өзегі және оның үстіне оралған сым орналасқан. Бұл құрылғы трансформатор сияқты жұмыс істейді, мұнда торус пішіндес вакуумдық камерадағы электрондар оның екінші орамасы болып табылады. Бастапқы орамдардағы айнымалы ток вакуумдағы электрондарды дөңгелек жолмен үдетуге мүмкіндік береді. Бетатрон – қарапайым электрондық қарудан жоғары энергияда электрондық сәулелерді жасауға қабілетті алғашқы құрал және бөлшектердің тұрақты радиуста айналатын алғашқы циклдік үдеткіш. Бетатронның тұжырымдамасы алғаш рет 1922 жылы Джозеф Слепиан тарапынан ұсынылған. 1920 және 30-жылдары Рольф Видеро, Эрнест Уолтон және Макс Стинбек сияқты ғалымдар құрылғымен байланысты бірқатар теориялық мәселелерді қарастырды. Алғашқы жұмыс істейтін бетатрон 1940 жылы Иллинойс университетінің Урбана-Шампайн қаласында Дональд Керст тарапынан құрастырылды.
A betatron is a type of cyclic particle accelerator for electrons. It consists of a torus shaped vacuum chamber with an electron source. Circling the torus is an iron transformer core with a wire winding around it. The device functions similarly to a transformer, with the electrons in the torus shaped vacuum chamber as its secondary coil. An alternating current in the primary coils accelerates electrons in the vacuum around a circular path. The betatron was the first machine capable of producing electron beams at energies higher than could be achieved with a simple electron gun, and the first circular accelerator in which particles orbited at a constant radius. The concept of the betatron had been proposed as early as 1922 by Joseph Slepian. Through the 1920s and 30s a number of theoretical problems related to the device were considered by scientists including Rolf Wideroe, Ernest Walton, and Max Steenbeck. The first working betatron was constructed by Donald Kerst at the University of Illinois Urbana Champaign in 1940.
Тарих
1800 жылдары Фарадейдің индукция заңының ашылуынан кейін, ол магнит өрісінің өзгеруінен электр қозғаушы күштің туындауын көрсетті, содан кейін бірнеше ғалымдар бұл эффектті зарядталған бөлшектерді жоғары энергияларға дейін үдету үшін қолдануға болатынын болжады. 1922 жылы Джозеф Слепян тұрақты магниттерді сәулені бағыттау үшін және магнит өрісінің өзгеруімен үдетілген кезде қолданатын құрылғыны ұсынды. Дегенмен, ол бұл идеяны теориялық деңгейден асырмады. 1920 жылдардың соңында Грегори Брайт және Мерл Тув Жер магниттерін зерттеу бюросында электрондарды үдету үшін өзгеріп отыратын магнит өрістерін пайдаланатын жұмыс істейтін құрылғыны жасады. Олардың құрылғысы екі соленоидты магнитті біріне-бірі жақын орналастырды және магнит өрісінің сыртқы жиегінен электронды оқтан атып шығарды. Өріс күшейтілгенде электрондар үдеп, өрістің ортасындағы нысанаға соқтығысып, Х-сәулелерін тудырды. Бұл құрылғы бетатрон тұжырымына қадам жасады, өйткені магнит өрісін бөлшектерді үдеу жазықтығында шоғырландырып ұстау үшін қалыптастырды. 1929 жылы Рольф Видероу теорияны дамытуға маңызды үлес қосты, ол тұрақты орбиталар үшін Видероу шартын тудырды. Ол орбита радиусы тұрақты болуы үшін радиустағы өріс, магниттің ауданындағы орташа өрістің дәл жартысына тең болуы керек екенін анықтады. Бұл маңызды есептеулер бөлшектердің Брайт және Тув машинасы сияқты ішке немесе сыртқа спираль тәрізді айналудың орнына, тұрақты радиуста айналатын үдеткіштерді жасауға мүмкіндік берді. Видероу бетатрон теориясын дамытуға құнды үлес қосса да, электрондар бір жарымнан көп айналатын құрылғыны құра алмады, өйткені оның құрылғысында сәулені шоғырландыру механизмі болмады. Видероу эксперименттерімен бір уақытта Эрнест Уолтон магнит өрісіндегі электрондардың орбиталарын талдап, орбита жазықтығында радиалды шоғырланған орбитаны құруға болатынын анықтады. Мұндай орбитадағы бөлшектер орбиталық радиустан сәл қашықтаса, оларды дұрыс радиусқа итеруге күш түседі. Айналмалы үдеткіштегі тұрақты орбитадағы осы тербелістер қазір бетатрон тербелісі деп аталады. 1935 жылы Макс Штинбек Германияда Уолтонның радиалды шоғырландыру шартын Брайт пен Тув машинасының тік шоғырландыруымен біріктіретін құрылғыға патент алды. Кейіннен ол жұмыс істейтін машинаны жасағанын мәлімдеді, бірақ бұл талас-тартыс тудырды. Жұмыс істейтін бетатрон құрастырғанын бір ауыздан мойындаған алғашқы команданы Иллинойс университетінің Дональд Керст басқарды. Үдеткіш 1940 жылдың 15 шілдесінде аяқталды.
After the discovery in the 1800s of Faraday's law of induction, which showed that an electromotive force could be generated by a changing magnetic field, several scientists speculated that this effect could be used to accelerate charged particles to high energies. Joseph Slepian proposed a device in 1922 that would use permanent magnets to steer the beam while it was accelerated by a changing magnetic field. However, he did not pursue the idea past the theoretical stage. In the late 1920s, Gregory Breit and Merle Tuve at the Bureau of Terrestrial Magnetism constructed a working device that used varying magnetic fields to accelerate electrons. Their device placed two solenoidal magnets next to one another and fired electrons from a gun at the outer edge of the magnetic field. As the field was increased, the electrons accelerated in to strike a target at the center of the field, producing X rays. This device took a step towards the betatron concept by shaping the magnetic field to keep the particles focused in the plane of acceleration. In 1929, Rolf Wideroe made the next major contribution to the development of the theory by deriving the Wideroe Condition for stable orbits. He determined that in order for the orbit radius to remain constant, the field at the radius must be exactly half of the average field over the area of the magnet. This critical calculation allowed for the development of accelerators in which the particles orbited at a constant radius, rather than spiraling inward, as in the case of Breit and Tuve's machine, or outward, as in the case of the cyclotron. Although Wideroe made valuable contributions to the development of the theory of the Betatron, he was unable to build a device in which the electrons orbited more than one and a half times, as his device had no mechanism to keep the beam focused. Simultaneously with Wideroe's experiments, Ernest Walton analyzed the orbits of electrons in a magnetic field, and determined that it was possible to construct an orbit that was radially focused in the plane of the orbit. Particles in such an orbit which moved a small distance away from the orbital radius would experience a force pushing them back to the correct radius. These oscillations about a stable orbit in a circular accelerator are now referred to as betatron oscillations. In 1935 Max Steenbeck applied in Germany for a patent on a device that would combine the radial focusing condition of Walton with the vertical focusing used in Breit and Tuve's machine. He later claimed to have built a working machine, but this claim was disputed. The first team unequivocally acknowledged to have built a working betatron was led by Donald Kerst at the University of Illinois. The accelerator was completed on July 15, 1940.
Этимология
"Бетатрон" атауы (бета бөлшегіне, жылдам электронды білдіреді) бөлімше ішінде өткізілген сайыста таңдалды. Басқа ұсыныстар "реотрон", "индукциялық үдеткіш", "индукциялық электрон үдеткіші" және тіпті неміс әріптесі ұсынған "Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron" – "керемет жылдамдықты электрондарды жасау үшін тынымсыз жұмыс істейтін машина" немесе "тынымсыз тронмен керемет жылдамдықты электрондар генераторы, жоғары энергия".
The name "betatron" (a reference to the beta particle, a fast electron) was chosen during a departmental contest. Other proposals were "rheotron", "induction accelerator", "induction electron accelerator", and even "Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron", a suggestion by a German associate, for "Hard working by golly machine for generating extraordinarily high velocity electrons" or perhaps "Extraordinarily high velocity electron generator, high energy by golly tron."
Қолданбалар
Бетатрондар бұрынғыда бөлшектер физикасы эксперименттерінде 300 МэВ-қа дейін жоғары энергиялы электрондық сәулелерді алу үшін қолданылды. Электрондық сәуле металл пластинаға бағытталған жағдайда, бетатрон энергетикалық рентген сәулелерінің көзі ретінде пайдаланылуы мүмкін, олар өнеркәсіптік және медициналық салаларда қолданылады (тарихта сәулелік онкологияда). Бетатронның кіші нұсқасы кейбір тәжірибелік ядролық қаруларды фотонмен шақырылған бөліну және бомба ядросындағы фотосүрлеу арқылы жылдам іске қосу үшін қатты рентген сәулелерінің көзі (мақсатта электрондық сәуленің баяулауы арқылы) ретінде де қолданылды. Бетатронмен қатерлі ісіктерді емдеуге арналған алғашқы жеке медициналық орталық – Радиологиялық орталықты 1950 жылдардың соңында Висконсин штатының Мэдисон қаласының шетінде доктор О. Артур Стайнон ашты.
Betatrons were historically employed in particle physics experiments to provide high energy beams of electrons—up to about 300 MeV. If the electron beam is directed at a metal plate, the betatron can be used as a source of energetic x rays, which may be used in industrial and medical applications (historically in radiation oncology). A small version of a betatron was also used to provide a source of hard X rays (by deceleration of the electron beam in a target) for prompt initiation of some experimental nuclear weapons by means of photon induced fission and photofission in the bomb core. The Radiation Center, the first private medical center to treat cancer patients with a betatron, was opened by Dr. O. Arthur Stiennon in a suburb of Madison, Wisconsin in the late 1950s.
Шектеулер
Бетатрон бере алатын ең жоғары энергия магнит өрісінің күшімен, темірдің қанығуына байланысты, сондай-ақ магнит өзегінің іс жүзіндегі өлшемімен шектеледі. Келесі буын акселераторлары – синхротрондар бұл шектеулерді еңсерді.
The maximum energy that a betatron can impart is limited by the strength of the magnetic field due to the saturation of iron and by practical size of the magnet core. The next generation of accelerators, the synchrotrons, overcame these limitations.