Betatron

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Wczesny betatron skonstruowany na Universytecie w Illinois.
Niemiecki betatron o mocy 6 MeV (1942).

Betatronakcelerator indukcyjny, rodzaj akceleratora cyklicznego, służący do przyspieszania elektronów.

Historia[edytuj]

Pierwszy betatron zbudował Donald William Kerst w 1940 roku – składał się z pierścieniowej komory próżniowej umieszczonej między nabiegunnikami elektromagnesu[1]

Budowę pierwszego betatronu o całkowicie polskiej konstrukcji rozpoczęto w 1958 roku w pracowni betatronowej przy Zakładzie Radiologii Przemyslowej Instytutu Elektrotechniki w Warszawie[1]. Dokonał tego zespół pod kierownictwem dr Stefana Nowickiego oraz inżynierów Józefa Janiczka, Roberta Kiełszni oraz Krzysztofa Wiśniewskiego. W 1962 roku urządzenie rozpoczęło pracę w Instytucie Badań Jądrowych w Świerku[1].

Budowa i działanie[edytuj]

Elektromagnes zasilany jest ze źródła prądu zmiennego. W momencie gdy pole magnetyczne ma małe natężenie do komory wstrzykiwane są wstępnie przyspieszone elektrony, których tor jest zakrzywiany przez pole magnetyczne. W komorze zostają tylko te elektrony które mają prędkość o takiej wartości, że promień ich obiegu jest równy promieniowi komory. Pole magnetyczne wzrasta, w wyniku zjawiska indukcji elektromagnetycznej wzrastające pole wytwarza wirowe pole elektryczne, które przyspiesza elektrony. Jednocześnie rosnące pole magnetyczne utrzymuje elektrony poruszające się z coraz większą prędkością na orbicie o powoli rosnącym promieniu.

Gdy pole magnetyczne dochodzi do maksymalnej wartości, dodatkowy impuls kieruje elektrony na zewnątrz lub do wewnątrz gdzie umieszczony jest wylot lub tarcza. W czasie cyklu przyspieszania elektrony wykonują w akceleratorze setki tysięcy obiegów.

Opisany cykl obejmuje mniej niż 1/4 okresu sinusoidalnie zmiennego napięcia zasilania. W pozostałej części cyklu elektrony nie są przyspieszane. Cykle powtarzają się w takt zmiany prądu zasilającego cewkę elektromagnesu.

Warunkiem utrzymania elektronu na orbicie stabilnej (mieszczącej się w komorze) jest odpowiednie ukształtowanie pola magnetycznego tak by natężenie pola malało przy wzroście promienia. Pole magnetyczne musi spełniać warunek:

gdzie strumień pola magnetycznego przechodzącego przez powierzchnię ograniczoną orbitą o promieniu , natężenie pola magnetycznego na promieniu .

Warunek ten uzyskuje się poprzez odpowiednie ukształtowanie biegunów magnesu, stosowanie materiałów magnetycznych o większej przenikalności magnetycznej bliżej środka komory.

Uzyskiwanie energii przez elektrony w betatronach ogranicza promieniowanie elektronów gdyż krążą po orbitach kołowych. Przy dużych prędkościach wypromieniowanie narasta i powoduje wytrącenie elektronów z orbity stabilnej. By zmniejszyć promieniowanie, które jest proporcjonalne do przyspieszenia (tu dośrodkowego) buduje się betatrony o większej średnicy. Przyspieszając cząstki do prędkości porównywalnych z prędkością światła w próżni napotyka się wówczas na problem relatywistyczego wzrostu masy przyspieszanej cząstki, który też sprawia, że przyspieszane cząstki wypadają z akceleratora.

Maksymalne uzyskiwane energie sięgają 300 MeV.

Zastosowanie[edytuj]

Betatron używany jest w przemyśle jako źródło cząstek lub źródło promieniowania beta oraz gamma. Wykorzystywany jest jako źródło wysokoenergetycznych kwantów gamma dla celu defektoskopii przemysłowej. W medycynie wykorzystuje się go do terapii naświetlania promieniowaniem chorych organów[1].

W fizyce stanowi jedynie urządzenie dydaktyczne. W fizyce jądrowej został wyparty przez akceleratory umożliwiające uzyskanie wyższych energii cząstek szczególnie synchrotrony.

Przypisy

Bibliografia[edytuj]

  • Ryszard Szepke: 1000 słów o atomie i technice jądrowej. Wydawnictwo Ministerstwa Obrony Narodowej, 1982. ISBN 8311067236. (pol.)
  • Zbigniew Płochocki. "Betatron. Transformator do przyspieszania elektronów". „Młody Technik nr 5 (178) maj 1963”, s. 7-16, 1963. Warszawa.