Betatron

Betatron, akcelerator indukcyjny, rodzaj akceleratora cyklicznego, służącego do przyspieszania elektronów. Przyspieszanie następuje pod wpływem wirowego pola elektrycznego, indukowanego przez zmienny strumień pola magnetycznego.
W betatronie elektrony przyspieszane są na stabilnej orbicie, cykl przyspieszania wynosi 1/4 okresu sinusoidalnie zmiennego napięcia zasilania. Pod koniec przyspieszania dodatkowy impuls pola kieruje elektrony na tarczę, gdzie w wyniku promieniowania hamowania wytwarzane są wysokoenergetyczne fotony (kwanty promieniowania gamma).
Maksymalne energie elektronów otrzymywane w betatronie sięgają 200 MeV. Wykorzystywane są w fizyce jądrowej oraz w medycynie nuklearnej (do terapii nowotworowej). Betaterapia, radioterapia stosująca promieniowanie β (beta), wytwarzane przez specjalny aparat betatron. Wprowadzając do ciała promieniowanie beta, czyli elektrony, wywołujemy bezpośrednio jonizację, która stanowi fizyczną podstawę biologicznego działania z grupy promieniowań nazywanych z tego powodu promieniowaniami jonizującymi. Jonizujące promieniowanie, rodzaj promieniowania przenikliwego, strumień wysokoenergetycznych fotonów (promieniowanie gamma lub promieniowanie rentgenowskie) albo cząstek naładowanych (np. elektronów czyli cząstek beta, cząstek alfa, protonów, jonów itp.).
Cząstki promieniowania jonizującego oddziałują elektromagnetycznie z atomami ośrodka, przez co przekazują część swojej energii elektronom ośrodka powodując jonizację.

Przy promieniowaniach elektromagnetycznych, np. rentgenowskim, jonizacja jest zjawiskiem wtórnym, powstającym w napromienianym ciele pod wpływem tego promieniowania

Betatron jest urządzeniem przyśpieszającym elektrony do wysokich prędkości przez poddawanie ich działaniu indukowanych pól elektrycznych, wytwarzanych za pomocą zmiennego strumienia magnetycznego. Jest to doskonała ilustracja indukowanych pól. Wysokoenergetyczne elektrony stosuje się w wielu podstawowych badaniach fizycznych oraz do otrzymywania przenikliwych promieni Roentgena, użytecznych przy leczeniu raka i w przemyśle.
Poniżej widzimy betatron dający elektrony o energii 100MeV. Prędkość elektronów o takiej energii wynosi 0,999986c, gdzie c jest prędkością światła. W związku z tym do analizy ich zachowania konieczne jest stosowanie mechaniki relatywistycznej.


Pole magnetyczne betatronu spełnia kilka funkcji:
a. Utrzymuje elektrony na torze kołowym
b. Zmienne pole magnetyczne generujące pole elektryczne, które z kolei przyśpiesz te elektrony
c. Zapewnia stałość promienia orbity, po której zasadniczo poruszają się elektrony
d. Wprowadza elektrony na orbitę oraz wyprowadza je z betatronu wtedy, gdy mają już one żądaną energię
e. Dostarcza siły zapewniającej równowagę układu, która przeciwdziała tendencji elektronów do opuszczania orbity w kierunku pionowym lub radialnym.
Warto zauważyć, że wszystkie te wymagania można zrealizować przez właściwe ukształtowanie i regulację pola magnetycznego.
Na obrazku poniżej szklana próżniowa komora troidalna, wewnątrz której krążą elektrony, jest oznaczona przez R. orbita tych elektronów jest kołem leżącym w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny rysunku. Elektrony wychodzą z tej płaszczyzny pod kątem prostym względem niej, z lewej strony rysunku (●) i wychodzą z prawej (X). W betatronie firmy General Electric Company promień orbity elektronów wynosi 82 cm. Cewki C oraz 130-tonowy magnes wytwarzają strumień magnetyczny przechodzący prze płaszczyznę orbity.

Prąd płynący w cewkach C, zmieniający się okresowo 60razy/s, wytwarza zmienny strumień przechodzący przez orbitę. Kiedy B skierowane jest do góry wtedy ΦB uważamy za dodatnie. Ruch elektronów we wskazanym kierunku odbywa się w czasie tego półokresu (ac) kiedy strumień jest dodatni. Elektrony są w tym czasie przyśpieszenie przez pole elektryczne wytwarzane przez zmienny strumień. Kierunek indukowanych pół elektrycznych zależy od znaku dΦB /dt i musi być tak dobrany, aby elektrony były przyśpieszane, a nie opóźniane. A więc tylko połowa dodatniego półokresu może być wykorzystana do przyśpieszenia.


Betatron dostarcza przykładu na to, że w przypadku pól elektrycznych wytwarzanych przez indukcję potencjał elektryczny nie ma żadnego znaczenia.
Na początku lat czterdziestych D.W. Kerst z University of Illinois skonstruował nowe urządzenie rozpędzające jony - betatron. Składał on się z komory próżniowej w kształcie torusa umieszczonej między nadbiegunnikami bardzo silnego elektromagnesu. W komorze tej znajdowało się źródło elektronów. Cewki zasilane prądem zmiennym indukują zmienne pole elektromagnetyczne pomiędzy biegunami elektromagnesu. Pole rozpędza elektrony i jednocześnie utrzymuje je na orbicie kołowej. Dzięki temu znikają ograniczenie, które miał cyklotron. Nie zwiększa się bowiem promień toru po którym krąży elektron.