בטאטרון

בטאטרון (באנגלית: Betatron) הוא מאיץ חלקיקים מעגלי המשמש להאצת אלקטרונים. שמו של המאיץ נגזר מהמונח חלקיקי בטא, אשר מתאר אלקטרונים בעלי מהירות גבוהה. הבטאטרון יוצר שדה אלקטרומגנטי משתנה על ידי שימוש בזרם חילופין בסליל וכתוצאה מכך נוצרים שדה חשמלי, אשר מגדיל את מהירות האלקטרונים, ושדה מגנטי, אשר מקנה להם מסלול מעגלי. בשיא מהירותם מנותבים האלקטרונים לכיוון מטרה ומהווים מקור לקרינת רנטגן ותופעות נוספות המתרחשות באנרגיה גבוהה. הבטאטרון נבנה לראשונה ב-1940 על ידי הפיזיקאי האמריקאי דונלד קרסט מאוניברסיטת אילינוי. לגרסאות מודרניות של הבטאטרון יישומים רבים במחקר, בתעשייה וברפואה. הבטאטרון מורכב מצינור ואקום בצורת טורוס המונח בתוך אלקטרומגנט בו הסליל מלופף במקביל לצינור. אל תוך הסליל מוזרם זרם חילופין, אשר יוצר במרכז הבטאטרון שדה מגנטי המשתנה באופן מחזורי. לפי חוק פאראדיי שינוי בשטף המגנטי יוצר שדה חשמלי בתוך הצינור. השדה החשמלי והשדה המגנטי יוצרים כח לורנץ, אשר רכיבו המשיקי מגדיל את מהירות האלקטרונים ורכיבו הרדיאלי מקנה להם את מסלולם המעגלי. למעשה, הבטאטרון פועל כמו שנאי: הסליל הראשי, שהוא הסליל באלקטרומגנט, משרה מתח בסליל המשני, שהוא צינור הוואקום, על ידי יצירת שדה מגנטי משתנה במרכז הסליל הראשי. האצת האלקטרונים בתוך הצינור גורמת להגדלת רדיוס מסלולם. על מנת לשמור על רדיוס מסלול קבוע של האלקטרונים, עוצמת השדה המגנטי הפועל עליהם צריך לקיים את התנאי הבא: B r = 1 2 Φ B π r 2 {\displaystyle B_{r}={\frac {1}{2}}{\frac {\Phi _{B}}{\pi r^{2}}}} כאשר: B r {\displaystyle B_{r}} השדה המגנטי ברדיוס המסלול. Φ B {\displaystyle \Phi _{B}} השטף המגנטי בשטח. r {\displaystyle r} רדיוס המסלול. משוואה זו מכונה "תנאי הבטאטרון". לפיה, על השדה המגנטי ברדיוס מסלול האלקטרונים להיות שווה לחצי השדה המגנטי הממוצע בשטח הכלוא בתוך הסליל. אחת הדרכים לשמירת מסלולם המעגלי הקבוע של האלקטרונים הוא חידוד קטבי המגנטים במקצת, כך שהשדה המגנטי נחלש ככל שרדיוס מסלול האלקטרון גדל. שיטה זו מקנה לאלקטרונים מן "שיווי משקל יציב" ביחס למסלולם: כאשר האלקטרון סוטה ממסלולו, הכוח המגנטי הפועל עליו משתנה בהתאם לשינוי ברדיוס תנועתו והאלקטרון חוזר למסלולו המקורי. התנאים להאצת האלקטרונים ולשמירה על מסלולם המעגלי מתקיימים רק ברבע אחד של מחזור זרם החילופין, בו שינוי השדה המגנטי הוא בכיוון הרצוי ובאותה העת השדה המגנטי גדל בערכו המוחלט, כך שהאלקטרונים מואצים בכיוון הרצוי ושומרים על מסלולם המעגלי בזמן האצתם. תהליך האצת האלקטרונים מתרחש ברבע הראשון של מחזור זרם החילופין. בתחילת המחזור, כאשר השדה המגנטי מתאפס, מוחדרים האלקטרונים לבטאטרון. במהלך רבע המחזור הם צוברים אנרגיה קינטית, ובסוף רבע המחזור, כאשר האלקטרונים בעלי אנרגיה מרבית, הם מנותבים למטרה מסוימת ובהתנגשותם יוצרים קרינת רנטגן. בשנת 1940, פותח הבטאטרון כמאיץ החלקיקים הראשון המבוסס על השראה אלקטרומגנטית על ידי הפיזיקאי דונלד קרסט באוניברסיטת אילינוי. הבטאטרון הראשון העניק לאלקטרונים אנרגיה בסך 2.5 MeV והאיץ אותם למהירות הגדולה מ-254,000 קילומטרים לשנייה, המהירות הגבוהה ביותר שנוצרה על ידי מכונה עד לזמן זה. בזמן זה רווח מאיץ הציקלוטרון, אשר מאיץ את החלקיקים במסלול ספירלי. לעומת זאת, קרסט רצה ליצור מאיץ אשר מקנה לחלקיקים מסלול מעגלי קבוע ושיהיה קשה להסיט אותם ממסלול זה. כדי לקבוע שם למאיץ, ערך קרסט תחרות באגף בו עבד. בין השמות שהוצעו היה השם המעניין "Ausserordentlichhochgeschwindigkeitelektronenentwickelndenschwerarbeitsbeigollitron", שתרגומו המילולי לעברית הוא "מכונה העובדת קשה ובכל האמצעים יוצרת אלקטרונים בעלי מהירות גבוהה במיוחד" . בסופו של דבר, השם שהעניק קרסט למאיץ הוא "בטאטרון". לאחר הצלחתו הראשונית המשיך קרסט לפתח גרסאות משכוללות יותר של הבטאטרון. הדור השני נבנה ב-1941 והגיע לאנרגיה בסך 24 MeV והדור השלישי הגיע ל-80 MeV. בטאטרונים משוכללים מסוגלים להגיע לאנרגיה בסך 340 MeV. לבטאטרון שימושים רבים במגוון תחומים. בטאטרונים גדולים, המגיעים לאנרגיות של 300 MeV ומעלה, משמשים למחקר בפיזיקת חלקיקים, לשם חקר קרינת רנטגן ותופעות נוספות המתרחשות באנרגיות גבוהות. בטאטרונים המגיעים לאנרגיות נמוכות יותר משמשים כמקור קרינת רנטגן ברדיוגרפיה, המשמשת בין השאר לבדיקת חומרי בניין ולצילום הגוף האנושי. כמו כן, הקרינה הנוצרת על ידי בתאטרונים משמשת ברפואה להסרת גידולים סרטניים. בנוסף, קרינת הרנטגן יכולה לשמש כזרז לביקוע גרעיני בראשי נפץ גרעיניים. מאיץ חלקיקים ציקלוטרון חוק פאראדיי מדיה וקבצים בנושא בטאטרון בוויקישיתוף בטאטרון, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) סרטון המסביר על הבטאטרון, אתר YouTube. עורכי Encyclopaedia Britannica, Betatron | particle accelerator, Encyclopaedia Britannica, ‏24 באפריל 2018 Betatron, Illinois Distributed Museum Stanly humphries, Jr., Betatrons, Principles of Charged Particle Acceleration, John Wiley and Sons, 1999 Christine Sutton, Particle accelerator | instrument, Encyplopaedia Britannica, ‏24 באפריל 2018 Bethany Anderson, “A Very Bold and Original Device”: Donald Kerst and the Betatron, University of Illinois Archives, ‏24 באפריל, 2018