Материал: l_02
Циклотрон
Циклотрон
Нобелевская
премия
по
физике
1939
г
.
–
Э
.
Лоуренс
За
изобретение
и
создание
циклотрона
и
за
результаты
,
полученные
на
нем
в
особенности
связанные
с
искусственными
радиоактивными
элементами
.
Ernest
Orlando
Lawrence
(1901-1958)
Бетатрон
Бетатрон
Первый
циклический
ускоритель
электронов
бетатрон
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
.
Удержание
электронов
на
орбите
постоянного
радиуса
обеспечивается
определенным
образом
подобранным
соотношением
между
величинами
магнитного
поля
на
орбите
и
внутри
неё
.
Для
устойчивого
движения
электрона
по
круговой
орбите
необходимо
чтобы
магнитное
поле
H
убывало
по
мере
увеличения
расстояния
r
от
центра
по
закону
1
n
H
r
∼
(
1
n
<
).
На
электрон
,
вращающийся
на
равновесной
орбите
0
r
действует
сила
Лоренца
,
равная
Л
Hev
F
c
=
,
направленная
к
центру
орбиты
,
и
центробежная
сила
2
цб
mv
F
r
∼
,
направленная
от
центра
орбиты
.
Поэтому
радиальная
устойчивость
будет
осуществляться
лишь
при
1
n
<
,
т
.
е
.
в
случае
,
когда
магнитное
поле
убывает
с
расстоянием
медленнее
,
чем
центробежная
сила
.
Обычно
выбирают
0,6 0,7
n
=
÷
.
Бетатрон
Бетатрон
Рабочим
циклом
является
первая
(
нарастающая
)
четверть
периода
магнитного
поля
.
В
конце
неё
(
когда
дальнейшее
ускорение
становится
невозможным
)
электроны
обычно
направляются
на
специальную
металлическую
мишень
,
расположенную
внутри
камеры
.
Торможение
электронов
в
этой
мишени
(
называемой
тормозной
)
приводит
к
возникновению
электромагнитного
тормозного
излучения
,
максимальная
энергия
которого
макс
Е
γ
равна
кинетической
энергии
Е
е
электронов
в
конце
ускорения
:
макс
e
Е
E
γ
=
.
Тормозные
фотоны
летят
в
направлении
движения
первичных
электронов
в
узком
конусе
.
Их
энергетический
спектр
непрерывен
,
причем
,
чем
меньше
энергия
фотонов
E
γ
,
тем
их
больше
в
тормозном
спектре
N
γ
.
Характерная
форма
тормозного
спектра
γ
-
излучения
показана
на
рисунке
.
Формирование
высокоэнергичного
электромагнитного
γ−
излучения
торможением
высокоэнергичных
электронов
в
мишени
−
наиболее
простой
и
эффективный
способ
создания
пучков
γ−
квантов
высокой
энергии
для
экспериментов
в
области
ядерной
физики
и
физики
частиц
.
Бетатроны
преимущественно
используются
как
источники
тормозного
излучения
.
Пример
Пример
При
вращении
в
магнитном
поле
с
индукцией
B
электрон
излучает
электромагнитную
энергию
(
магнитно
-
тормозное
или
синхротронное
излучение
).
Интенсивность
излучения
такова
,
что
за
один
оборот
электрон
теряет
энергию
5
2
3 10
,
e
E
E B
−
Δ = ⋅
(*)
e
E
—
энергия
электронов
,
e
E
и
E
Δ
—
в
ГэВ
,
B
—
в
Тл
.
Частота
излучаемых
квантов
в
среднем
составляет
18
2
1
10
,
с
e
E B
γ
ω
−
≈
.
При
каких
значениях
e
E
потери
на
синхротронное
излучение
за
оборот
составляют
10%
от
первоначальной
энергии
электронов
?
Сколько
γ
-
квантов
излучается
при
этом
?
Из
выражения
(*)
получаем
отношение
5
/
3 10
e
e
E E
E B
−
Δ
= ⋅
.
Возьмем
значение
1
B
=
Тл
,
/
1/10
e
E E
Δ
=
.
Тогда
3
3,3 10
e
E
=
⋅
ГэВ
3,3
=
ТэВ
,
а
потери
энергии
электронами
за
оборот
330
E
Δ =
ГэВ
.
Число
γ
-
квантов
,
излучаемых
за
оборот
18
2
11
28
18
2
2
3
2
13
10
3,3 10
эВ
6,6 10
эВ с
10
эВ
/
ГэВ
(3,3 10
ГэВ
)
1
Тл
5 10 -
квантов
.
e
E
E
E
N
E
E B
γ
γ
γ
ω
γ
−
Δ
Δ
Δ
=
=
=
=
⋅
⋅
=
=
⋅
⋅ ×
×
⋅
×
= ⋅
Линейные
Линейные
ускорители
ускорители
l
–
длина
трубки
v
–
скорость
частицы
T
–
период
ВЧ
-
поля
U
1
2
l
vT
=