Zobrazení zdroje stránky Betatron

[[Soubor:First betatron 1940.jpg|náhled|D. Kerst (vpravo) u jednoho z prvních betatronů na universitě v Illinois]]
'''Betatron''' je cyklický [[Rezonance|nerezonanční]] [[Urychlovač částic|urychlovač]] elektronů (nebo obecněji elektricky nabitých částic) s kruhovou rovnovážnou drahou, ve kterém jsou elektrony urychlovány vlivem vírového [[Elektrické pole|elektrického pole]]. Toto elektrické pole je [[Elektromagnetické pole|indukované]] časově proměnným [[Magnetické pole|magnetickým polem]]. Název betatron souvisí s tím, že se jedná o zařízení produkující rychlé elektrony a rychlé elektrony, pokud vznikají při [[Radioaktivita|radioaktivním rozpadu]], se označují jako [[Záření beta|záření β<sup>−</sup>]]. Betatron však nemá s radioaktivitou nic společného. Při výběru názvu pro nový typ urychlovače se uvažovalo o různých variantách, mezi nimiž stojí za pozornost návrh údajně pocházející od jednoho z německých spolupracovníků<ref>{{Citace elektronického periodika
| příjmení = Elliot
| jméno = Celia
| titul = Betatron
| periodikum = www.scientificlib.com
| url = https://www.scientificlib.com/en/Physics/Accelerator/Betatron.html
| jazyk = en-US
| datum přístupu = 2023-05-06
}}</ref>: "Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenwickelndesschwerarbeitsbeigollitron". Podle jiných zdrojů<ref>{{Citace elektronické monografie
| titul = Betatron. The Grainger College of Engineering, Physics.
| url = https://physics.illinois.edu/people/history/betatron
| vydavatel = University of Illinois
| datum přístupu = 2023-05-06
}}</ref><ref>{{Citace elektronického periodika
| titul = The biggest betatron in the world
| periodikum = LIFE, March 20, 1950, pp. 129 – 132
| url = https://books.google.co.jp/books?id=AFMEAAAAMBAJ&lpg=PA131&dq=by.golly.tron&pg=PA131&hl=cs#v=onepage&q=by.golly.tron&f=false
| datum přístupu = 2023-05-06
}}</ref> se však jednalo o vtip, se kterým přišel Donald Kerst (1911–1993) v roce 1940 při vývoji svého prvního úspěšného betatronu na universitě v [[Illinois]].

S myšlenkou na využití magnetické indukce pro urychlování elektronů emitovaných žhavou katodou ve vysokém vakuu přišel v roce 1922 americký elektroinženýr Joseph Slepian (1891–1969).<ref>{{Citace elektronického periodika
| příjmení = Kerst
| jméno = D.
| titul = Historical development of the betatron
| periodikum = Nature 157, 90–95 (1946)
| url = https://doi.org/10.1038/157090a0
| datum přístupu = 2023-05-01
}}</ref> Šlo mu o návrh zdroje rentgenového záření, v němž by se zvyšovala energie elektronů bez nutnosti použít  urychlovací napětí řádově vyšší než to, které se používá v [[Rentgenka|rentgenkách]]. Ty pracují s urychlovacím napětím od desítek do stovek kV. Další informace k teoretickému a experimentálnímu vývoji betatronu se poněkud liší podle toho, jakou sledujeme literaturu. Zatímco v německých zdrojích<ref>{{Citace periodika
| příjmení = Steenbeck
| jméno = M.
| titul = Beschleunigung von Elektronen durch elektrische Wirbelfelder
| periodikum = Naturwissenschaften
| datum vydání = 1943
| ročník = 31
| strany = 234–235
| url = https://doi.org/10.1007/BF01482241
}}</ref><ref>{{Citace periodika
| příjmení = Wideröe
| jméno = R.
| titul = Über ein neues Prinzip zur Herstellung hoher Spannungen
| periodikum = Archiv f. Elektrotechnik
| datum vydání = 1928
| ročník = 21
| strany = 387–406
| url = https://doi.org/10.1007/BF01656341
}}</ref> se akcentují zásluhy Maxe Steenbecka (1904–1981), Rolfa Wideröeho (1902–1996) a dalších odborníků působících v 30. a 40. letech 20. století v Německu, v anglické literatuře se jako autor prvního prokazatelně fungujícího betatronu uvádí D. Kerst.
[[Soubor:Betatron schematic.jpg|vlevo|náhled|Schematické znázornění betatronu bez primárního (budicího) vinutí: řez kolmý k rovině rovnovážné dráhy. 1 – magnetické pole udržující elektrony na kruhové dráze, 2 – oběžná dráha svazku elektronů, 3 – laminované jádro elektromagnetu, 4 – toroidní vakuová komora]]
R. Wideröe byl norský badatel specializovaný na urychlovače částic, pracoval střídavě v Německu, v Norsku, po [[Druhá světová válka|2. světové válce]] pak ve Švýcarsku. Je autorem tzv. betatronové (Wideröeho) podmínky,<ref name=":0">{{Citace elektronické monografie
| příjmení = Doležal
| jméno = Zdeněk
| titul = Betatron
| url = https://www-ucjf.troja.mff.cuni.cz/~dolezal/teach/accel/urych05_P.pdf
| vydavatel = Ústav částicové a jaderné fyziky, MFF UK
| místo = Praha
| datum přístupu = 2023-05-01
}}</ref> která je pro činnost betatronu nutná, ale sama o sobě jeho úspěšný provoz nezaručuje. D. Kerst a další se zabývali i [[Kmitání|oscilacemi]] svazku elektronů způsobenými rozptylem elektronů při jejich srážkách s molekulami zbytkových plynů uvnitř betatronu. Tyto oscilace se nazývají betatronové kmity, i když se mohou vyskytovat i v jiných urychlovačích, nejen v betatronech. Klíčovým problémem bylo oscilace utlumit a udržet elektrony na kruhové dráze, po níž uběhnou celkovou dráhu řádu stovek km během urychlovacího cyklu, který trvá zlomky až jednotky ms. Teprve po úspěšném vyřešení podobných problémů mohl D. Kerst v roce 1940 uvést do provozu svůj první betatron s energií elektronů 2,3 MeV.<ref>{{Citace periodika
| příjmení = KERST
| jméno = D. W.
| titul = The Acceleration of Electrons by Magnetic Induction
| periodikum = Phys. Rev.
| datum vydání = 1941
| ročník = 60
| strany = 47- 52
| url = http://web.ihep.su/dbserv/compas/src/kerst41/eng.pdf
}}</ref><ref>{{Citace monografie
| titul = First betatron of Donald Kerst, 1940
| url = https://www.si.edu/object/first-betatron-donald-kerst-1940%3Anmah_700149
| vydavatel = Smithsonian - National Museum of American History
| místo = Washington, D.C.
}}</ref> Později na [[Univerzita Illinois v Urbana Champaign|universitě v Illinois]] konstruoval a do provozu postupně uváděl betatrony s energiemi vyššími, z nichž posledním a nejvýkonnějším byl 300 MeV betatron.
[[Soubor:Betatron - time varying magnetic field.jpg|náhled|180x180pixelů|Časově proměnné magnetické pole v betatronu. Dvě čtvrtperiody (I, III) oscilujícího magnetického pole vhodné pro urychlení svazku elektronů. Při frekvenci 250 Hz je délka jedné čtvrtperiody 1 ms ]]
Vírové elektrické pole, které v betatronu urychluje elektrony, je generováno střídavým magnetickým polem. Tento jev (zákon [[Elektromagnetické pole|elektromagnetické indukce]]) popisuje druhá [[Maxwellovy rovnice|Maxwellova rovnice]]

<math>rot\vec{E} = - {\partial\vec{B}\over\ \partial t}</math>, podle níž je rotace vektoru intenzity elektrického pole rovna záporně vzaté časové derivaci magnetické indukce. Betatron je [[transformátor]], jehož sekundární vinutí tvoří jediný závit – [[toroid]]ní vakuová komora s kruhovým prstencem urychlovaných elektronů uvnitř. Primární vinutí je napájeno [[Střídavý proud|střídavým proudem]] s frekvencí 50 Hz nebo 60 Hz u prvních betatronů, u pozdějších konstrukcích se frekvence zvyšovala až k 600 Hz,<ref name=":0" /> přičemž k urychlování lze využít např. první a třetí čtvrtperiodu oscilujícího magnetického pole. Magnetické pole zastává v betatronu dvě funkce: Kromě urychlování elektronů na ně působí také [[Dostředivá síla|dostředivou silou]] a udržuje je tím na kruhové dráze. To platí, pokud je splněna Wideröeho podmínka, podle níž pole na kruhové dráze musí mít hodnotu ½ středního pole uvnitř kruhové dráhy.<ref name=":1">{{Citace monografie
| titul = Handbook of Accelerator Physics and Engineering
| url = https://books.google.cz/books?id=Z3J4SjftF1YC&printsec=frontcover&redir_esc=y#v=onepage&q&f=false
| editoři = Alexander Wu Chao, Maury Tigner
| vydání = (2nd Printing)
| vydavatel = World Scientific Publishing
| místo = Singapore
| rok vydání = 1999, Reprinted 2002.
}}</ref> Na začátku urychlovací čtvrtperiody jsou elektrony vstříknuty ve směru [[Tečna kružnice|tečny]] do toroidní komory z elektronového zdroje se žhavou [[Katoda|katodou]], který je umístěn mimo stabilní oběžnou dráhu elektronů. Ty potom vykonají stovky tisíc oběhů a po celou čtvrtperiodu kontinuálně získávají energii. Na konci urychlovacího intervalu jsou elektrony vychýleny na terč a produkují [[rentgenové záření]] nebo jiné vysokoenergetické jevy.    
[[Soubor:Betatron Siemens 6 MeV + 15 MeV.jpg|náhled|Vlevo: 6 MeV betatron, který v letech 1943–1946 vyvinul Konrad Gund. Vpravo: Toroidní vakuová komora (urychlovací elektronka) pro 15 MeV betatron z let 1955–1965. Exponáty v&nbsp;Siemens Healthineers Med Museu v&nbsp;Erlangenu]]
Maximální dosažitelné magnetické pole je v betatronu omezené sycením železného jádra a další zvyšování energie elektronů potom vyžaduje zvětšovat rozměry celého zařízení. V případě 300 MeV betatronu v Illinois přesáhla hmotnost železného jádra 300 t, což je jeden z důvodů, proč se větší betatrony už nenavrhovaly. Dalším důvodem jsou rostoucí ztráty energie vlivem synchrotronového záření, které produkují nabité částice pohybující se se zrychlením. Tento jev, který jako první popsal I. J. Pomerančuk (1913–1966),<ref>{{Citace monografie
| příjmení = Kulipanov
| jméno = G. N.
| příjmení2 = Skrinski
| jméno2 = A. N.
| titul = I. Ya. Pomeranchuk and Synchrotron Radiation. Proceedings of the International Conference. Held 24-28 January 2003 in Moscow.
| url = https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2003pptc.conf...72K/abstract
| editoři = A Berkov, N Narozhny, L Okun
| vydavatel = World Scientific Publishing
| rok vydání = 2003
| strany = 72–87
| isbn = 978-9812387677
}}</ref> nabývá v betatronech na důležitosti při energiích zhruba 100 MeV a vyšších.<ref name=":1" />

Komerčně se betatrony vyráběly po roce 1950 s typickými energiemi řádu desítek MeV<ref name=":0" /> jako zdroje tvrdého rentgenového záření pro použití v lékařské a průmyslové radiografii. Pro průmyslové aplikace v nedestruktivní defektoskopii se používají i přenosné betatrony, které např. ve stavebnictví dokážou prozářit [[beton]] se železobetonovou výztuží o tloušťce až 1 000 mm.<ref>{{Citace elektronického periodika
| příjmení = Hobst
| jméno = Leonard
| titul = Krátké ohlédnutí za vývojem radiačních metod ve stavebnictví za posledních 25 let
| periodikum = Beton
| vydavatel = Beton TKS, s. r. o.
| url = https://www.ebeton.cz/wp-content/uploads/2015-3-08_0.pdf
| datum vydání = 2015
| číslo = 3
| strany = 8–10
| datum přístupu = 2023-05-06
}}</ref>  

== Odkazy ==

=== Externí odkazy ===
* {{Commonscat}}

=== Reference ===
<references />
{{Autoritní data}}

[[Kategorie:Urychlovače částic]]
[[Kategorie:Fyzika]]
[[Kategorie:Elektrotechnika]]