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Un betatrón es un tipo de acelerador cíclico de partículas para electrones . Consiste en una cámara de vacío en forma de toro con una fuente de electrones. Alrededor del toro hay un núcleo de transformador de hierro con un alambre enrollado a su alrededor. El dispositivo funciona de manera similar a un transformador , con los electrones en la cámara de vacío en forma de toro como su bobina secundaria. Una corriente alterna en las bobinas primarias acelera los electrones en el vacío alrededor de una trayectoria circular. El betatrón fue la primera máquina capaz de producir haces de electrones a energías superiores a las que se podían lograr con un simple cañón de electrones , y el primer acelerador circular en el que las partículas orbitaban en un radio constante. [1]
El concepto de betatrón había sido propuesto ya en 1922 por Joseph Slepian . [2] Durante las décadas de 1920 y 1930, varios científicos, entre ellos Rolf Wideroe , [3] [4] Ernest Walton y Max Steenbeck , consideraron una serie de problemas teóricos relacionados con el dispositivo. [5] El primer betatrón funcional fue construido por Donald Kerst en la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign en 1940. [6] [7] [8]
Después del descubrimiento en el siglo XIX de la ley de inducción de Faraday , que mostraba que una fuerza electromotriz podía generarse mediante un campo magnético cambiante , varios científicos especularon que este efecto podría usarse para acelerar partículas cargadas a altas energías. [2] Joseph Slepian propuso un dispositivo en 1922 que usaría imanes permanentes para dirigir el haz mientras era acelerado por un campo magnético cambiante. [9] Sin embargo, no llevó la idea más allá de la etapa teórica.
A finales de la década de 1920, Gregory Breit y Merle Tuve, de la Oficina de Magnetismo Terrestre, construyeron un dispositivo funcional que utilizaba campos magnéticos variables para acelerar los electrones. Su dispositivo colocaba dos imanes solenoidales uno al lado del otro y disparaba electrones desde un cañón en el borde exterior del campo magnético. A medida que aumentaba el campo, los electrones se aceleraban para golpear un objetivo en el centro del campo, lo que producía rayos X. Este dispositivo dio un paso hacia el concepto de betatrón al dar forma al campo magnético para mantener las partículas enfocadas en el plano de aceleración. [2]
En 1929, Rolf Wideroe hizo la siguiente contribución importante al desarrollo de la teoría al derivar la Condición de Wideroe para órbitas estables. Determinó que para que el radio de la órbita permanezca constante, el campo en el radio debe ser exactamente la mitad del campo promedio sobre el área del imán. Este cálculo crítico permitió el desarrollo de aceleradores en los que las partículas orbitaban en un radio constante, en lugar de girar en espiral hacia adentro, como en el caso de la máquina de Breit y Tuve, o hacia afuera, como en el caso del ciclotrón . [10] Aunque Wideroe hizo valiosas contribuciones al desarrollo de la teoría del Betatrón, no pudo construir un dispositivo en el que los electrones orbitaran más de una vez y media, ya que su dispositivo no tenía ningún mecanismo para mantener el haz enfocado. [2]
Simultáneamente con los experimentos de Wideroe, Ernest Walton analizó las órbitas de los electrones en un campo magnético y determinó que era posible construir una órbita que estuviera enfocada radialmente en el plano de la órbita. Las partículas en dicha órbita que se alejaran una pequeña distancia del radio orbital experimentarían una fuerza que las empujaría de nuevo al radio correcto. [2] Estas oscilaciones alrededor de una órbita estable en un acelerador circular se conocen ahora como oscilaciones betatrón . [10]
En 1935, Max Steenbeck solicitó en Alemania una patente para un dispositivo que combinara la condición de enfoque radial de Walton con el enfoque vertical utilizado en la máquina de Breit y Tuve. [5] Más tarde afirmó haber construido una máquina que funcionaba, pero esta afirmación fue cuestionada. [2]
El primer equipo que se reconoció de forma inequívoca haber construido un betatrón funcional fue dirigido por Donald Kerst, de la Universidad de Illinois. El acelerador se completó el 15 de julio de 1940. [7]
En un betatrón, el campo magnético cambiante de la bobina primaria acelera los electrones inyectados en el toro de vacío, haciendo que giren alrededor del toro de la misma manera que se induce la corriente en la bobina secundaria de un transformador ( ley de Faraday ).
La órbita estable para los electrones satisface
dónde
En otras palabras, el campo magnético en la órbita debe ser la mitad del campo magnético promedio en su sección transversal circular:
Esta condición a menudo se denomina enfermedad de Widerøe . [11]
El nombre "betatron" (una referencia a la partícula beta , un electrón rápido) fue elegido durante un concurso departamental. Otras propuestas fueron "rheotron", "acelerador de inducción", "acelerador de electrones de inducción", [12] e incluso " Außerordentlichehochgeschwindigkeitselektronenentwickelndesschwerarbeitsbeigollitron ", una sugerencia de un socio alemán, para "máquina de trabajo duro por golly para generar electrones de velocidad extraordinariamente alta" [13] [14] o quizás "generador de electrones de velocidad extraordinariamente alta, alta energía por golly-tron". [15]
Los betatrones se han empleado históricamente en experimentos de física de partículas para proporcionar haces de electrones de alta energía, de hasta unos 300 MeV . Si el haz de electrones se dirige a una placa de metal, el betatrón puede utilizarse como fuente de rayos X energéticos , que pueden emplearse en aplicaciones industriales y médicas (históricamente en oncología radioterápica ). También se utilizó una versión pequeña de un betatrón para proporcionar una fuente de rayos X duros (mediante la desaceleración del haz de electrones en un objetivo) para la iniciación rápida de algunas armas nucleares experimentales mediante fisión inducida por fotones y fotofisión en el núcleo de la bomba. [16] [17] [18]
El Centro de Radiación, el primer centro médico privado que trató a pacientes de cáncer con un betatrón, fue inaugurado por el Dr. O. Arthur Stiennon en un suburbio de Madison, Wisconsin , a fines de la década de 1950. [19]
La energía máxima que puede transmitir un betatrón está limitada por la fuerza del campo magnético debido a la saturación del hierro y por el tamaño práctico del núcleo magnético. La siguiente generación de aceleradores, los sincrotrones , superaron estas limitaciones.
