бетатрон

БЕТАТРОН - циклический индукционный ускоритель электронов, в к-ром энергия частиц увеличивается за счёт вихревого электрич. поля, создаваемого изменяющимся магн. потоком, пронизывающим орбиту частиц.

В 1922 Дж. Слепян (J. Slepian) запатентовал ускоритель, использующий вихревое магн. поле. В 1928 P. Видероэ (R. Wideroe) сформулировал условия существования равновесной орбиты, т. е. орбиты пост. радиуса (т. н. условие Видероэ, см. ниже). Однако первый действующий Б. был создан лишь в 1940 Д. Керстом (D. Kerst) на основе разработанной им (совместно с P. Сербером (R. Serber)) теории движения электронов в Б. и тщательной отработки конструкции ускорителя.

Переменный центр. магн поток создаёт в Б. вихревую эдс индукции, ускоряющую электроны. Удержание ускоряемых электронов на равновесной круговой орбите осуществляется ведущим (управляющим) магн. полем, надлежащим образом меняющимся во времени, Радиус r мгновенной орбиты, по к-рой обращается в момент t электрон с импульсом р в азимутально-симметричном магн. поле, равен:

где В(r, t) - магн. индукция поля, е - величина заряда электрона. Для равновесной орбиты (r=R=const) нужно, чтобы импульс р менялся во времени пропорционально удерживающему полю В: . T. к. скорость изменения импульса определяется напряжённостью ускоряющего электрич. поля E на орбите, равного по закону эл--магн. индукции E=(Ф - поток магн. индукции через орбиту, -ср. значение магн. поля внутри орбиты радиуса r), то для равновесной орбиты выполняется соотношение:

Его интегрирование даёт:

В частности, при синхронном изменении В_ср (t) и B(t), наиболее просто реализуемом практически, условие постоянства радиуса орбиты принимает вид:

В_ср(t) = 2В(t). (4)

Это условие [или более точное условие (2)] наз. бетатронным условием, условием Видероэ или "условием 2 : 1".

Частица, инжектированная в ускоритель на равновесном радиусе с импульсом, определяемым соотношением (1) (т. н. равновесная частица), будет в процессе ускорения непрерывно обращаться по орбите пост. радиуса. Для частицы, инжектированной с др. нач. импульсом, мгновенная орбита будет иной, однако в процессе ускорения она станет медленно приближаться к равновесной. Можно показать, что её расстояние от равновесной будет уменьшаться обратно пропорционально В.

Для устойчивости равновесной орбиты необходимо, чтобы магн. поле Б., удерживающее электроны на орбите, слегка спадало по радиусу (см. Фокусировка частиц, в ускорителе): коэф. спадания п магн. поля по радиусу, определяемый соотношением

должен находиться в пределах: 0 < п < 1. (6)

В действительности, чтобы избежать резонансной раскачки частиц гармониками магн. поля и др. резонансных явлений, он должен быть зафиксирован в ещё более жёстких пределах; обычно n~0,6-0,7. Требуемый спад магн. поля и его однородность по азимуту достигаются с помощью спец. профилирования магн. полюсов, формирующих управляющее магн. поле, и дополнит. компенсирующих обмоток, регулирующих азимутальную вариацию поля.

В процессе ускорения амплитуды колебаний частиц около мгновенной орбиты (т.е. бетатронных колебаний) уменьшаются обратно пропорционально (т. е. для Б. обратно пропорционально), так что ускоряемый поток электронов сосредоточивается вблизи равновесной орбиты.

Типичная схема Б. показана на рис. 1. Электромагнит перем. тока создаёт перем. магн. поток между сердечниками 1 и управляющее магн. поле в зазоре между профилированными полюсными наконечниками 2.

Рис. 1. Схематический разрез бетатрона: 1 - центральный сердечник; 2 - полюсные наконечники; 3 - сечение кольцевой вакуумной камеры; 4 - ярмо магнита; 5 - обмотки электромагнита.

Сердечник электромагнита выполнен из тонкого листового ("трансформаторного") железа для уменьшения в нём вихревых токов. Инжектором служит электронная пушка, располагаемая вблизи вакуумной камеры 3 и периодически впускающая электроны примерно по касательной к равновесной орбите в тот момент, когда значение управляющего магн. поля соответствует импульсу инжектируемых электронов.

Магн. поле меняется периодически (рис. 2, а), ускорение производится на участке (t_н, t_к)роста управляющего магн. поля. В конце цикла ускорения с помощью спец. "смещающей" обмотки нарушают соотношение (2), обеспечивающее постоянство радиуса орбиты. Пучок отклоняется от равновесной орбиты и может быть выведен из ускорит. камеры (см. Вывод пучка)или направлен на мишень, расположенную внутри камеры вдали от равновесной орбиты.

В большинстве Б. управляющее поле В и индуцирующий поток меняются синхронно (рис. 2, а). При этом магн. поле на орбите не может превышать половины макс. поля В_макс, определяемого насыщением железа. Чтобы избежать этого ограничения, в нек-рых установках применено т.н. подмагничивание: в соответствии с соотношением (3) в управляющее поле с помощью дополнит, обмотки вводится постоянная составляющая В₀ (рис. 2, б), что позволяет почти удвоить его макс. значение.

Бетатронный режим ускорения применяется также на небольших синхротронах для предварит. ускорения частиц до релятивистских энергий.

Благодаря простоте конструкции, дешевизне и удобству пользования Б. получили особенно широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергий 20- 50 МэВ. Используется либо непосредственно пучок ускоренных электронов, либо вызываемое им при попадании на мишень тормозное излучение .Преимущества

Рис. 2. Изменение магнитного поля в бетатроне без подмагничивани я (а) и с подмагничиванием (б). В- управляющее магнитное поло; В_ср- среднее поле внутри орбиты; B₀-постоянная составляющая управляющего поля; t_н и t_к- начальный и конечный моменты времени цикла ускорения.

Б. перед др. источниками g-излучения - простота обращения с ним, возможность плавной регулировки энергии, очень малые размеры источника излучения. В пром-сти Б. используются гл. обр. для радиац. дефектоскопии материалов и изделий и в скоростной рентгенографии (при исследовании быстро протекающих процессов внутри закрытых объёмов), в медицине - для радиац. терапии.

Разработаны разл. модификации Б.: двухкамерные (стереобетатроны), дающие два луча, пересекающиеся в заданном месте вне Б.; с постоянным во времени магн. полем (типа магн. поля в секторных фазотронах и циклотронах ),преимуществом к-рых является существ. увеличение времени захвата в режим ускорения. Для повышения интенсивности ускоренного пучка в Б. предлагались также более эффективные методы фокусировки (жёсткая фокусировка, фокусировка продольным магн. полем, газовая фокусировка и др.).

Лит.: Керст Д. У., Бетатрон, пер. с англ., "УФН", 1944, т. 26, с. 181; Ананьев Л. M., Воробьев А. А., Горбунов В. И., Индукционный ускоритель электронов - бетатрон, M., 1961; Коломенский А. А., Физические основы методов ускорения заряженных частиц, M., 1980; Москалев В. А., Бетатроны, M., 1981. Э. Л. Бурштейн.

   <<      Предметный указатель      >>