Betatron

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 9. juni 2022; verifikation kræver 1 redigering .

Betatron ( fra beta + elektron ) er en cyklisk , men ikke resonant, elektronaccelerator med en fast ligevægtsbane, hvor acceleration sker ved hjælp af et elektrisk hvirvelfelt . Maksimal opnåelig energi i betatronen: ≤ 300 MeV.

Historie

Betatronen blev første gang patenteret af Iosif Slepyan i 1922 . [1] Blev designet og skabt af Wideröe i 1928 , men det virkede ikke. Den første pålideligt fungerende betatron blev først skabt af DV Kerst i 1940-1941 i USA , University of Illinois [2] . Det var i betatronen, at Kerst først studerede i detaljer de kvasi-periodiske tværgående svingninger, som en partikel udfører omkring en ligevægtsbane, nu kaldet betatronoscillationer . Den maksimale energi, der er opnået i betatronen, overstiger ikke 300 MeV. Med udviklingen af ​​lineær accelerationsteknologi blev betatroner, som tidligere ofte blev brugt til den primære acceleration af en intens elektronstråle, i høj grad fortrængt af linacs (lineære acceleratorer, fra den engelske lineær accelerator ) og bruges nu sjældent.  

Sådan virker det

Betatronen bruger fænomenet at generere et elektrisk hvirvelfelt ved hjælp af et vekslende magnetfelt. Til acceleration bruges den første og tredje fjerdedel af magnetfeltets oscillationsperiode. Betatronen fungerer som en transformer, hvor den anden vikling består af en omgang accelererede partikler i kammeret [3] . Også det hurtigt voksende magnetfelt udfører to funktioner mere: leder strålen langs den ønskede bane og giver svag fokusering. Den klassiske betatron er en svagt fokuserende maskine. Strålen cirkulerer i et toroidformet vakuumkammer lavet af keramik (så hudeffekten ikke forstyrrer indtrængning af magnetfeltet ind i kammeret), dækket indefra med en tynd ledende film, som gør det muligt at undgå ophobning af elektrisk ladning. Ud fra udtrykket for Lorentz-kraften kan man få sammenhængen mellem partiklens momentum p , magnetfeltet B i strålekredsløbet og krumningsradius ρ: , hvor c er lysets hastighed, e er ladningen af elektronen. Værdien af ​​Bρ kaldes partiklernes magnetiske stivhed . Når magnetfeltet ændres, kan vi ved hjælp af Maxwells ligning for forbindelsen af ​​elektriske og magnetiske felter skrive udtrykket for elektromagnetisk induktion og Newtons lov:

hvorfra følger forholdet mellem det førende felt i strålekredsløbet og fluxen omsluttet af kredsløbet:

den såkaldte " Lov 2:1 ". Fluxen, der trænger ind i strålekredsløbet, skal være dobbelt så stor, som hvis den var skabt af et ensartet magnetfelt, der er lige stor som det førende. Ellers ville kredsløbet ikke forblive konstant under accelerationen. For at opfylde det nævnte krav oprettes en speciel jernkerne i betatronen.

Begrænsninger

Da feltet skabt af kernen er begrænset i størrelse på grund af jernmætning, er den eneste måde at øge energien på at øge tværsnitsarealet af kernen og dermed størrelsen af ​​betatronen og følgelig, dens masse. Således vejede 300-MeV betatronen i Illinois mere end 300 tons. En endnu mere alvorlig begrænsning er forbundet med partiklernes energitab på grund af synkrotronstråling , som bliver signifikant fra en energi på ~100 MeV. I princippet kan protoner også accelereres i en betatron, så den erhvervede energi vil være lig med produktet af den potentielle forskel, ladningen passerer, men på grund af protonens store masse vil dens hastighed være hundredvis af gange mindre. Da stigningen i energien af ​​en partikel i en betatron kun afhænger af antallet af omdrejninger (et par keV pr. periode), vil det tage meget lang tid at accelerere en proton. For at holde protoner i et ligevægtskredsløb (β W = 300  B ( r ,  t )  R , hvor W [MeV], B [T], R [m]) kræves derudover stærkere magnetfelter. Derfor bruges betatronen til at accelerere elektroner.

Noter

  1. ↑ SLEPYAN Joseph (Slepian Joseph) | Sammenslutning af lærere i St. Petersborg . www.eduspb.com . Hentet: 21. juni 2022.
  2. ↑ Fysik i 1940'erne: Betatronen arkiveret 30. maj 2019 på Wayback Machine .
  3. ↑ Kalashnikov S. G. , Electricity, M., GITTL, 1956, kap. XIII "Gensidige transformationer af elektriske og magnetiske felter. Maxwells teori”, s. 150 “Induktionsaccelerator”, s. 331-332.

Links

 partikelacceleratorer
Af design
Efter aftale