Бетатрон

Идея создания бетатрона была опубликована норвежским физиком Р. Видероэ в 1928 году. К этой идее он пришёл еще в 1922 году. Изобрёл и построил первый бетатрон американский физик Д. Керст в 1940 году.

Бетатроном называется индукционный ускоритель электронов, в котором ускорение осуществляется вихревым электрическим полем.

П рибор состоит из сильного электромагнита с полюсными наконечниками А и тороидальной вакуумной ускорительной камеры С. Обмотка электромагнита питается переменным током с частотой порядка сотни герц, создавая переменное магнитное поле.

Переменное магнитное поле выполняет две функции: во-первых, создаёт вихревое электрическое поле; во-вторых, удерживает электроны на орбите. Линии напряжённости электрического поля имеют вид окружности с центром, находящимся в зазоре на оси магнитов. Если индукция магнитного поля меняется по линейному закону и вихревое электрическое поле во всех точках орбиты, то за время порядка 1 мс электроны успевают сделать до 10⁶ оборотов и приобретают энергию до 20 МэВ. При этом масса электрона возрастает в 40 раз, а их скорость близка к скорости света. Но это не влияет на ускорение. Важно чтобы электрон всё время находился на одной орбите.

В конце цикла ускорения включается дополнительное магнитное поле, которое отклоняет ускоренные электроны со стационарной орбиты и выводит на специальную мишень, расположенную внутри ускорительной камеры. Попадая на мишень электроны, тормозятся, и испускается рентгеновское излучение.

Наибольшее использование бетатроны получили в дефектоскопии, в просвечивании непрозрачных деталей жёстким рентгеновским излучением, для нахождения скрытых дефектов.

Расчётами советских учёных Д.Д. Иваненко и И.Я. Померанчуком было показано, что максимальная энергия, до которой можно ускорить электроны в бетатроне, равна 500 МэВ. Это связано с тем, что если электрон движется с ускорением, следовательно, он должен излучать электромагнитное излучение, которое называется бетатронным или синхротронным излучением (это коротковолновое ультрафиолетовое излучение). На это излучение и тратится подводимая энергия.

Бетатроны, например, малогабаритные помещается в корпусе размером в чемодан. Они ускоряют электроны до энергии 5 – 10 МэВ. Большие бетатроны, например, на энергии до 100 МэВ имеют вес магнита порядка ста и более тонн.

Вихревые токи (токи Фуко)

Индукционные токи могут возбуждаться не только в замкнутых контурах, но и в сплошных массивных проводниках. Эти токи оказываются замкнутыми в толще проводника и имеют вихревой характер. Их называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень большой силы.

В соответствии с правилом Ленца токи Фуко выбирают внутри проводника такие пути и направления, чтобы своим действием наиболее сильно противодействовать причине, их вызвавшей. Поэтому движущиеся в сильном магнитном поле хорошие проводники испытывают сильное торможение, вызванное взаимодействием токов Фуко с магнитным полем. Это используется для торможения подвижных частей различных приборов, особенно измерительных.

При протекании больших токов массивные проводники могут сильно разогреваться. Это используется для обезгаживания металлов в вакууме и даже для их расплавления. Печь для нагрева проводящих тел называется индукционной печью. Такая печь представляет собой катушку, которая питается током высокой частоты большой силы. Проводящее тело помещается внутрь катушки.

Во многих случаях токи Фуко оказываются нежелательными, и с ними приходится бороться. Сердечники трансформаторов для предотвращения потерь энергии на нагревание токами Фуко изготавливают из тонких изолированных пластин. Пластины покрывают диэлектрическим лаком. Пластины располагаются перпендикулярно направлению токов Фуко. С появлением ферритов (магнитных материалов с большим электрическим сопротивлением) появилась возможность изготавливать сердечники сплошными.

В ихревые токи возникают и в проводах, по которым течет переменный ток. Эти токи направлены так, что стремятся ослабить ток внутри провода и усилить вблизи поверхности. В результате переменный ток оказывается распределенным по сечению проводника неравномерно – он как бы вытесняется на поверхность проводника. Это явление называется скин-эффектом или поверхностным эффектом. Из-за скин-эффекта внутренняя часть поверхности проводника в высокочастотных цепях оказывается бесполезной. Поэтому в высокочастотных цепях применяют полые проводники. Причём токопроводящую поверхность покрывают серебром, у которого мала величина удельного сопротивления.

Высокочастотные токи используются, например, для закалки поверхности деталей. Тонкий поверхностный слой быстро разогревается в высокочастотном поле, закаляется и становится более прочным, но не хрупким, так как основная масса детали не разогрелась и не закалилась.