7.2.2. Бетатрон.
Бетатрон – ускоритель электронов. Получаемый в нем поток быстрых электронов направляется на мишень, при их торможении возникает поток жесткого рентгеновского излучения.
Существуют так же методики воздействия на ткани организма непосредственно быстрыми электронами, полученными на бетатроне.
Схема бетатрона представлена на рис. 3. Мощный электромагнит бетатрона работает на переменном токе. Его переменное магнитное поле создает в тороидальной камере вихревое электрическое поле, разгоняющее пучок электронов. Кроме того, это магнитное поле удерживает разгоняемые электроны на круговой орбите.
Рис. 3. Схема бетатрона.
Разгонная камера – пустотелый сосуд тороидальной формы (бублик). В ней создается глубокий вакуум: остаточное давление воздуха – 10-6 мм рт. столба. Электроны вводятся в камеру через патрубок камеры с помощью инжектора (на схеме не показан).
Инжектор представляет собой устройство типа «электронная пушка», применяемое в электронно-лучевых трубках. Электроны выходят из катода пушки благодаря термоэлектронной эмиссии и разгоняются по прямолинейной траектории. Анодное напряжение U в пушке – порядка 50 кВ. Работа сил электрического поля eU равна кинетической энергии электрона mV2/2 на выходе электронной пушки; следовательно:
(7.3)
Подставляя сюда заряд электрона e = 1,6·10-19 Кл и его массу m =9,1·10-31кг, получаем, что скорость электрона на выходе из инжектора - порядка 108 м/с. Для сравнения: скорость света в вакууме с=3·108 м/с.
Следовательно, такова начальная скорость движения электрона по круговой орбите в разгонной камере (вектор V на схеме рис. 3). Здесь электроны ускоряет вихревое электрическое поле, возникающее благодаря явлению электромагнитной индукции: переменное магнитное поле создает электрическое поле. Переменное магнитное поле создается переменным током, питающим электромагнит бетатрона, и усиливается атомами ферромагнитного сердечника электромагнита.
Напряженность Е вихревого электрического поля пропорциональна скорости изменения индукции магнитного поля В. Электрон испытывает действие силы F = eE, направленной, как и вектор скорости V, по касательной к траектории разгона.
Электроны удерживаются на круговой орбите силой Лоренца f.
Сила Лоренца – это сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся в нем заряженную частицу, в данном случае – на электрон:
f = еVB Sin α (7.4)
Здесь V – скорость движения электрона в магнитном поле с индукцией В;
α – угол между векторами V и B; в данном случае вектор магнитной индукции В перпендикулярен плоскости круговой орбиты, так что Sin α = 1, и следовательно:
f = qVB. (7.5)
Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам V и B. На схеме рис 3 она направлена к центру О траектории электронов.
Чем быстрее будет двигаться электрон, тем больше должна быть и сила f, удерживающая его на орбите постоянного радиуса r; следовательно, для разгона электрона следует использовать возрастающее, но не убывающее магнитное поле.
Рис.4. Зависимость силы переменного тока в обмотке электромагнита от времени. Представлен один цикл Т колебаний тока. При частоте 50 Гц период Т=0,02 с.
Ускоренное движение электронов в разгонной камере будет происходить при протекании в обмотке электромагнита тока первой четверти цикла ( от t = 0 до t = Т/4 на рис. 4). В начале этой четверти инжектор вбрасывает в разгонную камеру очередную порцию электронов. Они подхватываются электрическим вихрем, разгоняющим электроны (по часовой стрелке на схеме рис.3). Разгон происходит в течение ¼Т = 0,005с. За эти 5 миллисекунд электроны совершают в камере порядка 106 оборотов. Если за один оборот электрическое поле увеличивает энергию электрона на ΔЕ = 50 эВ, то за N=106 оборотов кинетическая энергия электрона достигнет значения Е = 50 МэВ.
В конце первой четверти цикла Т поток ускоренных в камере электронов смещается с орбиты разгона и либо выводится из камеры, либо направляется на тормозную мишень внутри камеры для получения тормозного рентгеновского излучения.
При необходимости, описанные события могут повторяться с частотой 50 Гц.
Достарыңызбен бөлісу: |
