Betatrón

Betatrón temprano en la Universidad de Illinois. Kerst está a la derecha, examinando la cámara de vacío entre los polos del imán de 4 toneladas.

Un betatrón alemán de 6 MeV (1942)

Betatrón de 35 MeV utilizado para la física fotonuclear en la Universidad de Melbourne.

Un betatrón es un tipo de acelerador de partículas cíclico . Es esencialmente un transformador con un tubo de vacío en forma de toro como bobina secundaria. Una corriente alterna en las bobinas primarias acelera los electrones en el vacío alrededor de una trayectoria circular. El betatrón fue la primera máquina capaz de producir haces de electrones a energías superiores a las que se podrían conseguir con un simple cañón de electrones . ^[1]

El betatrón fue desarrollado en 1935 por Max Steenbeck en Alemania para acelerar electrones, ^{[2] [3] [4] [5] [6] [7]} pero los conceptos en última instancia se originan en Rolf Widerøe , ^{[8] [9]} cuyo desarrollo de un acelerador de inducción falló debido a la falta de enfoque transversal. ^[10] El desarrollo posterior ocurrió en los Estados Unidos a través de Donald Kerst en la década de 1940. ^{[11] [12] [13]}

Principio de funcionamiento

En un betatrón, el campo magnético cambiante de la bobina primaria acelera los electrones inyectados en el toro de vacío, haciendo que giren alrededor del toro de la misma manera que se induce la corriente en la bobina secundaria de un transformador ( Ley de Faraday ).

La órbita estable de los electrones satisface

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

dónde

${\displaystyle \theta _{0}}$ es el flujo dentro del área encerrada por la órbita de los electrones,

${\displaystyle r_{0}}$ es el radio de la órbita de los electrones, y

${\displaystyle H_{0}}$es el campo magnético en .${\displaystyle r_{0}}$

En otras palabras, el campo magnético en la órbita debe ser la mitad del campo magnético promedio en su sección transversal circular:

${\displaystyle \Leftrightarrow H_{0}={\frac {1}{2}}{\frac {\theta _{0}}{\pi r_{0}^{2}}}.}$

Esta afección a menudo se denomina afección de Widerøe . ^[14]

Etimología

El nombre "betatrón" (una referencia a la partícula beta , un electrón rápido) fue elegido durante un concurso departamental. Otras propuestas fueron "reotrón", "acelerador de inducción", "acelerador de electrones de inducción", ^[15] e incluso " Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron ", una sugerencia de un asociado alemán, para "Trabajo duro por una máquina golly para generar electrones de velocidad extraordinariamente alta" ^{[16 ] [17]} o quizás "Generador de electrones de velocidad extraordinariamente alta, alta energía por golly-tron". ^[18]

Aplicaciones

Los betatrones se han empleado históricamente en experimentos de física de partículas para proporcionar haces de electrones de alta energía, hasta aproximadamente 300 MeV . Si el haz de electrones se dirige a una placa de metal, el betatrón se puede utilizar como fuente de rayos X energéticos , que se pueden utilizar en aplicaciones industriales y médicas (históricamente en oncología de radiación ). También se utilizó una versión pequeña de un betatrón para proporcionar una fuente de rayos X duros (a través de la desaceleración del haz de electrones en un objetivo) para el inicio rápido de algunas armas nucleares experimentales mediante la fisión inducida por fotones y la fotofisión en el núcleo de la bomba. . ^{[19] [20] [21]}

El Centro de Radiación, el primer centro médico privado para tratar pacientes con cáncer con un betatrón, fue inaugurado por el Dr. O. Arthur Stiennon en un suburbio de Madison, Wisconsin a fines de la década de 1950. ^[22]

Limitaciones

La energía máxima que puede impartir un betatrón está limitada por la fuerza del campo magnético debido a la saturación del hierro y por el tamaño práctico del núcleo del imán. La próxima generación de aceleradores, los sincrotrones , superó estas limitaciones.

Referencias

1. "Betatron | acelerador de partículas" . Enciclopedia Británica . Consultado el 24 de enero de 2019 .
2. Pedro Waloschek: Rolf Wideröe über sich selbst: Leben und Werk eines Pioniers des Beschleunigerbaues und der Strahlentherapie. /// "" Vieweg + Teubner, 1994, ISBN 978-3528065867 , pág. 68-69 
3. Wolfgang U. Eckart: 100 Jahre organisierte Krebsforschung. Georg Thieme Verlag, 2000, ISBN 978-3131056610 , pág. 140 
4. Harry Friedmann: Einführung in die Kernphysik Wiley-VCH Verlag, 2014, ISBN 978-3527412488 , p. 357 
5. Vom Atom zur Kernenergie Walter Kaiser. Sitio web de VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik eV 4. Noviembre de 2015. Consultado el 1 de octubre de 2016.
6. Sergei S. Molokov, R. Moreau, H. Keith Moffatt: Magnetohidrodinámica: Evolución histórica y tendencias. Springer, 2007, ISBN 978-1841271729 , pág. 56 
7. "Física y nacionalsocialismo: una antología de fuentes primarias" , Klaus Hentschel . Birkhäuser, 1996. ISBN 3-7643-5312-0 , ISBN 978-3-7643-5312-4 . pag. 350.  
8. Wideröe, R. (17 de diciembre de 1928). "Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen". Archiv für Elektrotechnik (en alemán). 21 (4): 387–406. doi : 10.1007 / BF01656341 . S2CID 109942448 . 
9. Dahl, F. (2002). De la transmutación nuclear a la fisión nuclear, 1932-1939 . Prensa CRC . ISBN 978-0-7503-0865-6.
10. Hinterberger, Frank (2008). Physik der Teilchenbeschleuniger und Ionenoptik . Saltador. doi : 10.1007 / 978-3-540-75282-0 . ISBN 978-3-540-75281-3.
11. Kerst, DW (1940). "Aceleración de electrones por inducción magnética". Revisión física . 58 (9): 841. Bibcode : 1940PhRv ... 58..841K . doi : 10.1103 / PhysRev.58.841 . S2CID 120616002 . 
12. Kerst, DW (1941). "La aceleración de los electrones por inducción magnética" (PDF) . Revisión física . 60 (1): 47–53. Código Bibliográfico : 1941PhRv ... 60 ... 47K . doi : 10.1103 / PhysRev.60.47 .
13. Kerst, DW ; Serber, R. (julio de 1941). "Órbitas electrónicas en el acelerador de inducción". Revisión física . 60 (1): 53–58. Código Bibliográfico : 1941PhRv ... 60 ... 53K . doi : 10.1103 / PhysRev.60.53 .
14. Wille, Klaus (2001). Física del acelerador de partículas: una introducción . Prensa de la Universidad de Oxford . ISBN 978-0-19-850549-5.
15. Servicio de ciencia (1942). "¿La nueva máquina se llamará Betatron o Rheotron" ? El folleto de química . 15 (7-12).
16. Celia Elliot. "Física en la década de 1940: El Betatron" . Physics Illinois: Time Capsules . Urbana-Champaign, IL: Universidad de Illinois . Consultado el 13 de abril de 2012 .
17. RA Kingery; RD Berg; EH Schillinger (1967). "Electrones en órbita" . Hombres e ideas en ingeniería: doce historias de Illinois . Urbana, IL: Prensa de la Universidad de Illinois. pag. 68. ASIN B002V8WB8I . 
18. "El Betatron más grande del mundo" . Life : 131. 20 de marzo de 1950.
19. Gran ciencia: el crecimiento de la investigación a gran escala ISBN 978-0-8047-1879-0 
20. Archivo de armas nucleares, serie de disparos Tumbler, artículo George
21. Archivo de armas nucleares, Elementos de diseño de armas de fisión, sección 4.1.8.2
22. Ex alumno de Wisconsin , volumen 58, número 15 (25 de julio de 1957)

Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Betatrons .

• El Betatron en UIUC