Betatron

Betatron ( de la beta + electron ) este un accelerator de electroni ciclic , dar nu rezonant, cu o orbită de echilibru fixă, în care accelerația are loc cu ajutorul unui câmp electric vortex. Energia maximă realizabilă în betatron: ≤ 300 MeV.

Istorie

Betatronul a fost brevetat pentru prima dată de Iosif Slepyan în 1922 . [1] A fost proiectat și creat de Wideröe în 1928 , dar nu a funcționat. Primul betatron care funcționează fiabil a fost creat de DV Kerst abia în 1940-1941 în SUA , Universitatea din Illinois [2] . În betatron, Kerst a studiat pentru prima dată în detaliu oscilațiile transversale cvasi-periodice pe care le efectuează o particulă în jurul unei orbite de echilibru, numite acum oscilații betatron . Energia maximă care a fost atinsă în betatron nu depășește 300 MeV. Odată cu dezvoltarea tehnologiei de accelerare liniară, betatronii, care au fost adesea folosiți în trecut pentru accelerarea primară a unui fascicul de electroni intens, au fost în mare măsură înlocuiți de linaci (acceleratoare liniare, de la acceleratorul liniar englezesc ) și sunt acum rar utilizați.  

Cum funcționează

Betatronul folosește fenomenul de generare a unui câmp electric vortex printr-un câmp magnetic alternativ. Pentru accelerare se utilizează primul și al treilea trimestru din perioada de oscilație a câmpului magnetic. Betatronul funcționează ca un transformator, în care a doua înfășurare constă din particule accelerate cu o tură în cameră [3] . De asemenea, câmpul magnetic în creștere rapidă îndeplinește încă două funcții: direcționează fasciculul de-a lungul traiectoriei dorite și asigură o focalizare slabă. Betatronul clasic este o mașină de focalizare slabă. Fasciculul circulă într-o cameră de vid toroidală din ceramică (pentru ca efectul pielii să nu interfereze cu pătrunderea câmpului magnetic în cameră), acoperită din interior cu o peliculă conductoare subțire, ceea ce face posibilă evitarea acumulării. de sarcina electrica. Din expresia forței Lorentz, se poate obține relația dintre impulsul p al particulei , câmpul magnetic B pe orbita fasciculului și raza de curbură ρ: , unde c este viteza luminii, e este sarcina a electronului. Valoarea lui Bρ se numește rigiditatea magnetică a particulelor. Când câmpul magnetic se modifică, putem scrie, folosind ecuația lui Maxwell pentru conexiunea câmpurilor electrice și magnetice, expresia pentru inducția electromagnetică și legea lui Newton:

de unde urmează relația dintre câmpul conducător pe orbita fasciculului și fluxul închis de orbită:

așa-numita „ Lege 2:1 ”. Fluxul care pătrunde pe orbita fasciculului trebuie să fie de două ori mai mare decât în ​​cazul în care ar fi fost creat de un câmp magnetic uniform, egal ca mărime cu cel de conducere. În caz contrar, orbita nu ar rămâne constantă în timpul accelerației. Pentru a îndeplini cerința menționată, în betatron este creat un miez special de fier.

Restricții

Deoarece câmpul creat de miez este limitat în mărime din cauza saturației cu fier, singura modalitate de a crește energia este creșterea ariei secțiunii transversale a miezului și, prin urmare, a mărimii betatronului și, în consecință, masa lui. Astfel, betatronul de 300 MeV din Illinois cântărea mai mult de 300 de tone. O limitare și mai serioasă este asociată cu pierderile de energie ale particulelor din cauza radiației sincrotron , care devin semnificative pornind de la o energie de ~100 MeV. În principiu, protonii pot fi accelerați și într-un betatron, deci energia dobândită va fi egală cu produsul diferenței de potențial trecute de sarcină, dar datorită masei mari a protonului, viteza acestuia va fi de sute de ori mai mică. Deoarece creșterea energiei unei particule într-un betatron depinde doar de numărul de rotații (câțiva keV pe perioadă), va dura foarte mult timp pentru a accelera un proton. În plus, pentru a menține protonii pe o orbită de echilibru (β W = 300  B ( r ,  t )  R , unde W [MeV], B [T], R [m]), sunt necesare câmpuri magnetice mai puternice. Prin urmare, betatronul este folosit pentru a accelera electronii.

Note

1. ↑ SLEPYAN Joseph (Slepian Joseph) | Asociația profesorilor din Sankt Petersburg . www.eduspb.com . Preluat: 21 iunie 2022. (nedefinit)
2. ↑ Fizica în anii 1940: The Betatron Arhivat la 30 mai 2019 la Wayback Machine .
3. ↑ Kalașnikov S. G. , Electricitate, M., GITTL, 1956, cap. XIII „Transformări reciproce ale câmpurilor electrice și magnetice. Teoria lui Maxwell”, p. 150 „Acceleratorul de inducție”, p. 331-332.

Link -uri

• Betatrons , V. A. Moskalev, V. L. Chakhlov, TPU , 2009.
• Handbook of accelerator physics and engineering , editat de A. Chao, M. Tigner, 1999, p. zece.