Betatron

Betatron – akcelerator indukcyjny, rodzaj akceleratora cyklicznego, służący do przyspieszania elektronów.

Historia

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 Przemysłowej 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

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:

\theta _{0}=2\pi r_{0}^{2}H_{0},

gdzie $\theta _{0}$ strumień pola magnetycznego przechodzącego przez powierzchnię ograniczoną orbitą o promieniu $r_{0},$ $H_{0}$ natężenie pola magnetycznego na promieniu $r_{0}.$

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

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.