 Д. Керст возле своих бетатронов, маленький - на 2.3 МэВ, большой - на 25 МэВ |
 Схема бетатрона: а) вид сверху, б) сечение по линии АА. Показаны вектора 
и
напряженностей электрического и магнитного полей. 1 - электромагнит,
2 - вакуумная камера, 3 - орбита электрона, 4 - инжектор, 5 - тормозная
мишень, 6 - тормозное излучение. |
Первым циклическим ускорителем электронов явился бетатрон.
Его первый экземпляр был построен в 1940 г.
Д. Керстом.
Бетатрон - это индукционный ускоритель, в котором энергия электронов увеличивается
за счет вихревого электрического поля, создаваемого изменяющимся магнитным
потоком, направленным перпендикулярно к плоскости орбиты частиц. Электроны
двигаются по круговой орбите постоянного радиуса в нарастающем во времени
по синусоидальному закону магнитном поле (обычно промышленной частоты 50
Гц). Удержание электронов на орбите постоянного радиуса обеспечивается определенным
образом подобранным соотношением между величинами магнитного поля на орбите
и внутри неё. Рабочим циклом является первая (нарастающая) четверть периода
магнитного поля.
Бетатрон конструктивно представляет собой большой электромагнит,
между полюсами которого расположена тороидальная вакуумная камера (см. рисунок).
Электромагнит создаёт в зазоре между полюсами переменное (меняющееся со
временем по закону синуса, обычно с промышленной частотой 50 Гц) магнитное
поле напряженностью
, которое
в плоскости вакуумной камеры создаёт вихревое электрическое поле
(э.д.с.
индукции). В вакуумную камеру с помощью инжектора (электронная пушка) в
начале каждого периода нарастания магнитного поля (т.е. с частотой 50 Гц)
впрыскиваются электроны, которые увлекаются вихревым электрическим полем
в процесс
ускорения по круговой равновесной орбите. Радиус равновесной орбиты в бетатроне
R, величина индукции электромагнитного поля B, импульс электрона p, заряд
электрона е связаны соотношением
R = pc/eB,
c – скорость света.
В момент, когда магнитное поле достигает максимального значения (в конце
первой четверти каждого периода), процесс ускорения электронов прекращается
и сменяется их замедлением, так как вихревое поле
меняет
направление, а э.д.с. индукции – знак. Электроны, достигшие наибольшей энергии,
смещаются с равновесной орбиты и либо выводятся из камеры, либо направляются
на специальную мишень внутри камеры, называемую тормозной.
Торможение электронов в этой мишени в кулоновском поле ядер и электронов
приводит к возникновению электромагнитного тормозного излучения, максимальная
энергия которого
равна кинетической энергии Ее электронов в конце ускорения:
= Ее. Тормозные фотоны летят в направлении движения первичных
электронов в узком конусе. Их энергетический спектр непрерывен, причем,
чем меньше энергия фотонов, тем их больше в тормозном излучении.
Для того чтобы радиус орбиты в бетатроне оставался постоянным,
магнитное поле на равновесной орбите Bорб должно быть в два раза
меньше среднего поля внутри орбиты Bсредн
Bорб = Bсредн/2.
Изменение величины магнитного поля по радиусу обычно характеризует показатель спада поля
n = –(R/B)(∂B/∂R).
Для одновременного устойчивого движения в радиальном и вертикальном направлениях должно выполняться условие
0 < n < 1.
Формирование высокоэнергичного электромагнитного γ-излучения
торможением высокоэнергичных электронов в мишени – наиболее простой и эффективный
способ создания пучка γ-квантов высокой энергии для экспериментов в области
ядерной физики и физики частиц.
Бетатроны преимущественно и используются как источники тормозного
излучения. Благодаря простоте конструкции и управления, а также дешевизне
бетатроны получили широкое применение в прикладных целях в диапазоне энергий
20-50 МэВ. Создание бетатронов на более высокие энергии сопряжено с необходимостью
использования электромагнитов слишком большого размера и веса (магнитное
поле приходится создавать не только на орбите, но и внутри неё).