بيتاترون

البيتاثرون هو نوع من مسرعات الجسيمات الدورية للإلكترونات . يتكون من حجرة مفرغة على شكل حلقة تحتوي على مصدر للإلكترونات. يحيط بالحلقة قلب محول حديدي ملفوف حوله سلك. يعمل الجهاز بشكل مشابه للمحول ، حيث تمثل الإلكترونات الموجودة في الحجرة المفرغة الملف الثانوي. يعمل تيار متردد في الملفات الأولية على تسريع الإلكترونات في الفراغ حول مسار دائري. كان البيتاثرون أول جهاز قادر على إنتاج حزم إلكترونية بطاقات أعلى مما يمكن تحقيقه باستخدام مدفع إلكتروني بسيط ، وأول مسرع دائري تدور فيه الجسيمات بنصف قطر ثابت. ^{[ 1 ]}

طُرح مفهوم البيتاثرون في وقت مبكر من عام 1922 على يد جوزيف سليبيان . ^{[ 2 ]} وخلال عشرينيات وثلاثينيات القرن العشرين، درس علماء من بينهم رولف وايدرو ، ^{[ 3 ] [ 4 ]} وإرنست والتون ، وماكس ستينبيك ، عددًا من المشكلات النظرية المتعلقة بهذا الجهاز. ^{[ 5 ]} وقد بنى دونالد كيرست أول بيتاثرون عامل في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين عام 1940. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]}

بعد اكتشاف قانون فاراداي للحث الكهرومغناطيسي في القرن التاسع عشر ، والذي أثبت إمكانية توليد قوة دافعة كهربائية بواسطة مجال مغناطيسي متغير ، تكهن العديد من العلماء بإمكانية استخدام هذا التأثير لتسريع الجسيمات المشحونة إلى طاقات عالية. ^{[ 2 ]} اقترح جوزيف سليبيان جهازًا في عام 1922 يستخدم مغناطيسات دائمة لتوجيه الشعاع أثناء تسريعه بواسطة مجال مغناطيسي متغير. ^{[ 9 ]} إلا أنه لم يتابع الفكرة بعد المرحلة النظرية.

في أواخر عشرينيات القرن العشرين، قام غريغوري بريت وميرل توف في مكتب المغناطيسية الأرضية بتصميم جهاز عملي يستخدم مجالات مغناطيسية متغيرة لتسريع الإلكترونات. وضع جهازهما مغناطيسين لولبيين متجاورين، وأطلق الإلكترونات من مدفع عند الحافة الخارجية للمجال المغناطيسي. ومع زيادة شدة المجال، تسارعت الإلكترونات لتصطدم بهدف في مركز المجال، منتجةً أشعة سينية. شكّل هذا الجهاز خطوة نحو مفهوم البيتاثرون من خلال تشكيل المجال المغناطيسي للحفاظ على تركيز الجسيمات في مستوى التسارع. ^{[ 2 ]}

في عام ١٩٢٩، قدّم رولف وايدرو إسهامًا رئيسيًا آخر في تطوير النظرية من خلال اشتقاق شرط وايدرو للمدارات المستقرة. وقد حدد أنه لكي يظل نصف قطر المدار ثابتًا، يجب أن يكون المجال عند هذا النصف مساويًا تمامًا لمتوسط ​​المجال على مساحة المغناطيس. سمحت هذه الحسابات الحاسمة بتطوير مسرعات تدور فيها الجسيمات عند نصف قطر ثابت، بدلًا من الدوران الحلزوني نحو الداخل، كما في حالة جهاز بريت وتوف، أو نحو الخارج، كما في حالة السيكلوترون . [ ^{١٠ ] على} الرغم من أن وايدرو قدّم إسهامات قيّمة في تطوير نظرية البيتاثرون، إلا أنه لم يتمكن من بناء جهاز تدور فيه الإلكترونات أكثر من مرة ونصف، لأن جهازه لم يكن مزودًا بآلية للحفاظ على تركيز الحزمة. ^{[ ٢ ]}

بالتزامن مع تجارب وايدرو، قام إرنست والتون بتحليل مدارات الإلكترونات في مجال مغناطيسي، وتوصل إلى إمكانية إنشاء مدار مركز شعاعيًا في مستوى المدار. وتتعرض الجسيمات في مثل هذا المدار، التي تتحرك مسافة صغيرة بعيدًا عن نصف قطر المدار، لقوة تدفعها عائدةً إلى نصف القطر الصحيح. ^{[ 2 ]} تُعرف هذه التذبذبات حول مدار مستقر في مسرع دائري الآن باسم تذبذبات بيتاثرون . ^{[ 10 ]}

في عام 1935، تقدم ماكس ستينبيك بطلب للحصول على براءة اختراع في ألمانيا لجهاز يجمع بين شرط التركيز الشعاعي لوالتون والتركيز الرأسي المستخدم في آلة بريت وتوف. ^{[ 5 ]} وادعى لاحقًا أنه صنع آلة عاملة، لكن هذا الادعاء كان محل نزاع. ^{[ 2 ]}

كان أول فريق يُعترف به بشكل قاطع أنه بنى جهاز بيتاثرون عاملاً هو فريق دونالد كيرست في جامعة إلينوي. وقد اكتمل بناء المسرع في 15 يوليو 1940. ^{[ 7 ]}

في البيتاثرون، يعمل المجال المغناطيسي المتغير من الملف الابتدائي على تسريع الإلكترونات المحقونة في الحلقة الفراغية، مما يجعلها تدور حول الحلقة بنفس الطريقة التي يتم بها توليد التيار في الملف الثانوي للمحول ( قانون فاراداي ).

المدار المستقر للإلكترونات يفي بـ $${\displaystyle \theta _{0}=2\pi r_{0}^{2}H_{0},}$$ أين

بمعنى آخر، يجب أن يكون المجال المغناطيسي عند المدار نصف متوسط ​​المجال المغناطيسي على مقطعه العرضي الدائري:

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

تُعرف هذه الحالة غالبًا باسم حالة وايدرو ، ^{[ 11 ]} أو حالة بيتاثرون . ^{[ 12 ]}

تم اختيار اسم "بيتاترون" (إشارة إلى جسيم بيتا ، وهو إلكترون سريع) خلال مسابقة داخل القسم. وشملت المقترحات الأخرى "ريوترون"، و"مسرع الحث"، و"مسرع إلكترونات الحث"، ^{[ 13 ]} وحتى " Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron "، وهو اقتراح من زميل ألماني، ويعني "آلة تعمل بجد لتوليد إلكترونات عالية السرعة بشكل استثنائي" ^{[ 14 ] [ 15 ]} أو ربما "مولد إلكترونات عالي السرعة بشكل استثنائي، طاقة عالية بواسطة جولي-ترون". ^{[ 16 ]}

استُخدمت أجهزة البيتاثرون تاريخيًا في تجارب فيزياء الجسيمات لتوفير حزم إلكترونية عالية الطاقة ، تصل إلى حوالي 300 ميغا إلكترون فولت . عند توجيه حزمة الإلكترونات نحو صفيحة معدنية، يُمكن استخدام البيتاثرون كمصدر للأشعة السينية عالية الطاقة ، والتي يُمكن استخدامها في التطبيقات الصناعية والطبية (تاريخيًا في علاج الأورام بالإشعاع ). كما استُخدمت نسخة مصغرة من البيتاثرون لتوفير مصدر للأشعة السينية عالية الطاقة (عن طريق إبطاء حزمة الإلكترونات في هدف) لبدء تشغيل بعض الأسلحة النووية التجريبية بسرعة ، وذلك عن طريق الانشطار المُستحث بالفوتونات والانشطار الضوئي في قلب القنبلة. ^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

تم افتتاح مركز الإشعاع، وهو أول مركز طبي خاص لعلاج مرضى السرطان باستخدام البيتاثرون، من قبل الدكتور أو. آرثر ستينون في ضاحية من ضواحي ماديسون، ويسكونسن في أواخر الخمسينيات. ^{[ 20 ]} 

تُحدَّد الطاقة القصوى التي يمكن أن يُنتجها البيتاثرون بقوة المجال المغناطيسي نتيجةً لتشبُّع الحديد، وبالحجم العملي لقلب المغناطيس. وقد تغلبت الجيل التالي من المُسرِّعات، وهي السنكروترونات ، على هذه القيود.

• بيتاترون في جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين