Бетатрон: циклический ускоритель электронов. Устройство и принцип работы – как трансформатор, с ускорением частиц в вакуумной камере. Физика высоких энергий.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Ускоритель циклических частиц
Cyclic particle accelerator
Бетатрон — это тип циклического ускорителя частиц для электронов. Он состоит из вакуумной камеры в форме тора с источником электронов. Вокруг тора расположено железное сердечное ядро трансформатора с проволочной обмоткой. Устройство функционирует аналогично трансформатору, где электроны в вакуумной камере тороидальной формы выступают в роли вторичной обмотки. Переменный ток в первичных обмотках ускоряет электроны в вакууме по круговой траектории. Бетатрон стал первой машиной, способной генерировать электронные пучки с энергиями, превышающими те, которые можно получить с помощью простого электронного пушки, и первым циклическим ускорителем, в котором частицы двигались по орбите с постоянным радиусом. Концепция бетатрона была предложена еще в 1922 году Джозефом Слепьяном. В 1920-х и 1930-х годах ряд теоретических проблем, связанных с этим устройством, рассматривались учеными, включая Рольфа Видеро, Эрнеста Уолтона и Макса Стинбека. Первый рабочий бетатрон был создан Дональдом Керстом в Университете Иллинойса в Урбане-Шампейне в 1940 году.
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.
История
После открытия в 1800-х годах закона индукции Фарадея, который показал, что электродвижущая сила может быть создана изменяющимся магнитным полем, несколько ученых предположили, что этот эффект можно использовать для ускорения заряженных частиц до высоких энергий. Джозеф Слепян предложил в 1922 году устройство, которое использовало бы постоянные магниты для управления пучком, в то время как он ускорялся изменяющимся магнитным полем. Однако он не развил эту идею дальше теоретической стадии. В конце 1920-х годов Грегори Брейт и Мерл Тьюв из Бюро земного магнетизма построили рабочее устройство, которое использовало изменяющиеся магнитные поля для ускорения электронов. Их устройство разместило два соленоидальных магнита рядом друг с другом и направляло электроны из пушки на внешний край магнитного поля. По мере увеличения поля электроны ускорялись и достигали мишени в центре поля, производя рентгеновское излучение. Это устройство сделало шаг к концепции бетатрона, формируя магнитное поле таким образом, чтобы удерживать частицы сфокусированными в плоскости ускорения. В 1929 году Рольф Видеро внес следующий важный вклад в развитие теории, выведя условие Видеро для стабильных орбит. Он определил, что для поддержания постоянного радиуса орбиты напряженность поля в точке радиуса должна быть точно равна половине средней напряженности поля по площади магнита. Этот критический расчет позволил разработать ускорители, в которых частицы вращались по орбите с постоянным радиусом, а не по спирали внутрь, как в машине Брейта и Тьюва, или наружу, как в циклотроне. Хотя Видеро внес ценный вклад в развитие теории бетатрона, он не смог построить устройство, в котором электроны совершали более полутора оборотов, поскольку его устройство не имело механизма для поддержания фокусировки пучка. Одновременно с экспериментами Видеро Эрнест Уолтон проанализировал орбиты электронов в магнитном поле и установил, что можно создать орбиту, радиально сфокусированную в плоскости орбиты. Частицы на такой орбите, отклоняющиеся от орбитального радиуса, испытывали бы силу, возвращающую их к правильному радиусу. Эти колебания вокруг стабильной орбиты в круговом ускорителе теперь называются бетатронными колебаниями. В 1935 году Макс Стинбек подал в Германии заявку на патент на устройство, которое объединяло бы радиальную фокусировку, предложенную Уолтоном, с вертикальной фокусировкой, использованной в машине Брейта и Тьюва. Позже он утверждал, что построил рабочую машину, но это утверждение оставалось спорным. Первой командой, однозначно признанной создавшей работающий бетатрон, была группа под руководством Дональда Керста из Университета Иллинойса. Ускоритель был завершен 15 июля 1940 года.
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
Название "бетатрон" (отсылка к бета-частице, быстрому электрону) было выбрано в ходе ведомственного конкурса. Другими предложениями были "реотрон", "индукционный ускоритель", "индукционный ускоритель электронов" и даже "Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron", предложенное немецким коллегой, что означало "машину для генерации электронов с исключительно высокой скоростью, работающую не покладая рук" или, возможно, "генератор электронов с исключительно высокой скоростью и высокой энергией".
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."
Приложения
Бетатроны исторически применялись в экспериментах по физике частиц для получения высокоэнергетических пучков электронов — до примерно 300 МэВ. Если электронный луч направлен на металлическую пластину, бетатрон можно использовать как источник мощных рентгеновских лучей, которые находят применение в промышленности и медицине (ранее в лучевой онкологии). Компактная версия бетатрона также использовалась для создания источника жесткого рентгеновского излучения (путем замедления электронного пучка в мишени) для быстрого запуска некоторых экспериментальных ядерных устройств посредством фотоделения и фотоядерного деления в сердечнике бомбы. Радиационный центр, первый частный медицинский центр, использовавший бетатрон для лечения онкологических больных, был открыт доктором О. Артуром Стенноном в пригороде Мэдисона, штат Висконсин, в конце 1950-х годов.
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.
Ограничения
Максимальная энергия, которую может сообщить бетатрон, ограничена напряженностью магнитного поля из-за насыщения железа и практическими размерами магнитного сердечника. Следующее поколение ускорителей, синхротроны, преодолело эти ограничения.
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.