Бетатрон

Среди многочисленных типов ускорителей заряженных частиц, применяемых в научных и практических целях, бетатрон – индукционный ускоритель электронов – занимает особое место. Другие ускорители по принципу действия – резонансные (движение частиц и воздействие на них ускоряющего электрического поля строго синхронизированы). В бетатроне для ускорения электронов по круговой орбите используют электрическое поле, индуктируемое изменяющимся во времени магнитным потоком. Это поле воздействует на ускоряемый электрон непрерывно в течение всего времени ускорения. Поэтому бетатрон выделяют в отдельный класс – индукционные ускорители, где он единственный успешно действующий ускоритель.

Основы теории бетатрона

Работа бетатрона, как и любого другого ускорителя заряженных частиц, состоит из нескольких основных этапов, каждый из которых имеет свои особенности и обеспечивается необходимым комплексом технических средств (системы формирования магнитного поля, генераторы импульсов напряжения и тока и т. д.). Первый этап – инжекция электронов – представляет собой процесс ввода в ускорительную камеру пучка электронов, предварительно ускоренных до некоторой энергии E i , соответствующей напряженности управляющего магнитного поля в момент инжекции. Для успешного осуществления этого процесса используют высоковольтный источник электронов и электронную аппаратуру, позволяющую соблюдать условия, необходимые для захвата частиц на круговую орбиту и последующего ускорения.

Второй этап – ускорение электронов – занимает большую часть времени рабочего цикла бетатрона, при этом энергия электронов увеличивается до заданного расчетного значения. В зависимости от параметров магнитного поля бетатрона и характеристик инжектированного пучка электронов на этом этапе наблюдаются колебания электронов, которые в некоторых случаях приводят к потере ускоряемого пучка или его части.

Для наблюдения за пучком и изучения его динамики в процессе ускорения используют специальные методы и соответствующую аппаратуру.

Третий этап заключается в смещении пучка электронов, достигшего конечного значения энергии, с равновесной орбиты на мишень для получения тормозного коротковолнового излучения или вывода непосредственно ускоренных электронов за пределы ускорительной камеры бетатрона. Устройства и электронная техника, применяемые для смещения и вывода пучка электронов, определяются областью, в которой будет использован конкретный бетатрон – в промышленной дефектоскопии,

скоростной рентгеновской съемке, в медицине и т. д. Важнейшее условие нормальной работы бетатрона – создание магнитного поля, обладающего требуемыми характеристиками. Поэтому большое значение имеют вопросы расчета и конструирования электромагнита бетатрона.

Малогабаритные бетатроны

Аппаратурным источником излучения, компактным, простым и надежным в эксплуатации, является малогабаритный бетатрон, к которому предъявляют некоторые специальные требования, вытекающие из особенностей его эксплуатации в нестационарных условиях. Надо получить наибольший коэффициент компактности, являющийся отношением объема активных материалов и помещенных в блоке деталей к габаритному объему блока. Желательно объединить функции, выполняемые отдельными узлами установки в одном узле (элементе). Необходима «равнопрочность» конструкции, предусматривающая примерно одинаковую загрузку активных материалов и примерно одинаковый срок службы основных узлов ускорителя.

Необходимо обеспечить за счет использования напряженных режимов работы активных материалов и узлов ускорителя уменьшение габаритов и массы ускорителя.

Опыт эксплуатации переносных малогабаритных бетатронов в нестационарных условиях показал, что наиболее удачно следующее распределение узлов бетатрона по отдельным блокам.

1. Блок излучателя, включающий электромагнит, ускорительную камеру, схемы инжекции и смещения и выносной детектор устройства измерения мощности дозы тормозного излучения.

2. Блок схем питания электромагнита.

При работе блоки соединяют гибкими кабелями, длину которых выбирают из условий обеспечения безопасных условий работы, а также местоположения контролируемых объектов.