Бетатрон - фізична енциклопедія

Бетатрон - циклічний індукційний прискорювач електронів, в к-ром енергія частинок збільшується за рахунок вихрового електричні. поля, що створюється постійно змінюваних магн. потоком, що пронизує орбіту частинок.

У 1922 Дж. Слєпян (J. Slepian) запатентував прискорювач, який використовує вихровий магн. поле. У 1928 P. Відерое (R. Wideroe) сформулював умови існування рівноважної орбіти, т. Е. Орбіти пост. радіусу (т. н. умова Відерое, див. нижче). Однак перший діючий Б. був створений лише в 1940 Д. Керстен (D. Kerst) на основі розробленої ним (спільно з P. Сербер (R. Serber)) теорії руху електронів в Б. і ретельного відпрацювання конструкції прискорювача.

Змінний центр. магн потік створює в Б. вихревую ЕРС індукції, яка прискорює електрони. Утримання прискорених електронів на рівноважної круговій орбіті здійснюється провідним (керуючим) магн. полем, належним чином мінливих в часі, Радіус r миттєвої орбіти, по до-рій звертається в момент t електрон з імпульсом р в азимутально-симетричному магн. поле, дорівнює:

де В (r, t) - магн. індукція поля, е - величина заряду електрона. Для рівноважної орбіти (r = R = const) потрібно, щоб імпульс р змінювався в часі пропорційно утримує полю В :. T. к. Швидкість зміни імпульсу визначається напруженістю прискорює електричні. поля E на орбіті, рівного за законом ел - магн. індукції E = (Ф - потік магн. індукції через орбіту, -ср. значення магн. поля всередині орбіти радіуса r). то для рівноважної орбіти виконується співвідношення:

Його інтегрування дає:

Зокрема, при синхронному зміні ВСР (t) і B (t). найбільш просто реалізується практично, умова сталості радіуса орбіти набирає вигляду:

Ця умова [або точніше умова (2)] зв. Бетатрон умовою, умовою Відерое або "умовою 2. 1".

Частка, інжектованих в прискорювач на рівноважному радіусі з імпульсом, який визначається співвідношенням (1) (т. Н. Рівноважна частка), буде в процесі прискорення безперервно звертатися по орбіті пост. радіусу. Для частки, інжектованих з ін. Поч. імпульсом, миттєва орбіта буде інший, проте в процесі прискорення вона стане повільно наближатися до рівноважної. Можна показати, що її відстань від рівноважної буде зменшуватися обернено пропорційно У.

Для стійкості рівноважної орбіти необхідно, щоб магн. поле Б. утримує електрони на орбіті, злегка спадало по радіусу (див. Фокусування часток, в прискорювачі): коеф. спадання п магн. поля по радіусу, який визначається співвідношенням

повинен знаходитися в межах: 0 <п <1. (6)

Насправді, щоб уникнути резонансної розгойдування частинок гармоніками магн. поля та ін. резонансних явищ, він повинен бути зафіксований в ще більш жорстких межах; зазвичай n

0,6-0,7. Необхідний спад магн. поля і його однорідність по азимуту досягаються за допомогою спец. профілювання магн. полюсів, які формують керуючий магн. поле, і доповнить. компенсуючих обмоток, що регулюють азимутально варіацію поля.

В процесі прискорення амплітуди коливань частинок близько миттєвої орбіти (тобто Бетатрон коливань) зменшуються обернено пропорційно (т. Е. Для Б. обернено пропорційно), так що прискорює потік електронів зосереджується поблизу рівноважної орбіти.

Типова схема Б. показана на рис. 1. Електромагніт змін. струму створює змін. магн. потік між сердечниками 1 і управляє магн. поле в зазорі між профільованими полюсними наконечниками 2.

Мал. 1. Схематичний розріз Бетатрон: 1 - центральний сердечник; 2 - полюсні наконечники; 3 - перетин кільцевої вакуумної камери; 4 - ярмо магніту; 5 - обмотки електромагніту.

Сердечник електромагніта виконаний з тонкого листового ( "трансформаторного") заліза для зменшення в ньому вихрових струмів. Інжектором служить електронна гармата, що розташовується поблизу вакуумної камери 3 і періодично впускающая електрони приблизно по дотичній до рівноважної орбіті в той момент, коли значення керуючого магн. поля відповідає імпульсу інжектіруемих електронів.

Магн. поле змінюється періодично (рис. 2, а), прискорення проводиться на ділянці (tн. tк) зростання керуючого магн. поля. В кінці циклу прискорення за допомогою спец. "Зміщує" обмотки порушують співвідношення (2), що забезпечує сталість радіуса орбіти. Пучок відхиляється від рівноважної орбіти і може бути виведений з прискорить. камери (див. Висновок пучка) або спрямований на мішень, розташовану всередині камери далеко від рівноважної орбіти.

У більшості Б. управляє поле В і индуцирующий потік змінюються синхронно (рис. 2, а). При цьому магн. поле на орбіті не може перевищувати половини макс. поля Вмакс. визначається насиченням заліза. Щоб уникнути цього обмеження, в деяких установках застосовано т.зв. подмагничивание: відповідно до співвідношення (3) в керуюче поле за допомогою доповнить, обмотки вводиться постійна складова В0 (рис. 2, б), що дозволяє майже подвоїти його макс. значення.

Бетатрон режим прискорення застосовується також на невеликих синхротронах для передуватиме. прискорення частинок до релятивістських енергій.

Завдяки простоті конструкції, дешевизні і зручності користування Б. отримали особливо широке застосування в прикладних цілях в діапазоні енергій 20- 50 МеВ. Використовується або безпосередньо пучок прискорених електронів, або викликаного їм при попаданні на мішень гальмівне випромінювання .Преімущества

Мал. 2. Зміна магнітного поля в бетатроні без підмагнічування я (а) і з підмагнічуванням (б). В - керуючий магнітне поло; ВСР - середнє поле всередині орбіти; B0 постійна складова керуючого поля; tн і tк - початковий і кінцевий моменти часу циклу прискорення.

Б. перед ін. Джерелами g-випромінювання - простота поводження з ним, можливість плавного регулювання енергії, дуже малі розміри джерела випромінювання. У промисловості Б. використовуються гл. обр. для радиац. дефектоскопії матеріалів і виробів і в швидкісний рентгенографії (при дослідженні швидко протікаючих процесів всередині закритих обсягів), в медицині - для радиац. терапії.

Розроблено разл. модифікації Б. двокамерні (стереобетатрони), що дають два променя, пересічні в заданому місці поза Б .; з постійним у часі магнітним. полем (типу магн. поля в секторних ФАЗОТРОН і циклотронах), перевагою яких брало є істот. збільшення часу захоплення в режим прискорення. Для підвищення інтенсивності прискореного пучка в Б. пропонувалися також більш ефективні методи фокусування (жорстка фокусування, фокусування поздовжнім магнітним. Полем, газова фокусування і ін.).

Літ .: Керст Д. У. Бетатрон, пров. з англ. "УФН», 1944, т. 26, с. 181; Ананьїв Л. M. Воробйов А. А. Горбунов В. І. Індукційний прискорювач електронів - бетатрон, M. 1961; Коломенський А. А. Фізичні основи методів прискорення заряджених частинок, M. 1980; Москальов В. А. Бетатрон, M. 1981. Е. Л. Бурштейн.