베타트론

A 6 MeV betatron (1942)

베타트론(Betatron)은 1940년에 일리노이 대학의 도널드 W.커스트에 의해 발명된 순환입자 가속기로 전자들을 가속시키기 위해 만들어졌다. 이 개념은 원래 R. 비데뢰에 의해 처음 발생되었다. 하지만 그가 발명한 유도 가속기는 가로방향의 초점의 문제로 인해 실패하였다. 1930년 대에 독일에서도 Max Steenbeck에 의해 발명하려 하였다. 베타트론은 본래 2차 코일로 이루어진 토러스 모양의 변압기입니다. 1차 코일의 교류 전류는 진공상태내의 순환경로 주위의 전자들을 가속시킨다. 이 베타트론은 고에너지 전자를 생산하기 위한 최초의 기계입니다.

작동 원리

베타트론에서 일차 코일에 의해 변화하는 자기장은 진공 토러스에 주입된 전자들을 가속시킨다. 변압기의 이차 코일에서도 유도되는 전류에 의해 일차 코일과 같은 방법으로 전자들이 토러스에서 원운동을 하게 된다.(페러데이의 법칙) 전자가 움직이는 안정적인 궤도는 다음을 만족시킨다.

$\theta _{0}=2\pi r_{0}^{2}H_{0},$

여기서

$\theta _{0}$ 는 전자 궤도에 의해 둘러싸인 영역 내의 자속,

$r_{0}$ 는 전자 궤도의 반지름, 그리고

$H_{0}$ 는 $r_{0}$에서의 자기장입니다.

즉, 궤도 상의 자기장의 세기는 원의 단면적 전체에서의 평균 자기장의 세기의 반이어야 한다는 것을 의미한다.

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

이 조건을 비데뢰 조건라고 한다.

어원

"베타트론(Betatron)"(베타 입자로 부터 따왔다)이란 이름은 공모전을 통해 선정하였다. 이 때 나온 베타트론 이외의 이름으로는 "rheotron", "induction accelerator", "induction electron accelerator", 심지어 독일협회에서 제안한 "Ausserordentlichhochgeschwindigkeitelektronenentwickelndenschwerarbeitsbeigollitron"와 같은 이름도 있었다.

적용

베타트론은 입자물리학 실험에서 300 MeV 이상의 고에너지 광선들을 만들기 위해 사용되어왔다. 전자빔이 금속 판로 들어가게 하여 베타트론을 X-ray 또는 감마광선의 소스로서 사용할 수 있다. 이 X-ray는 산업용 또는 의료용으로 사용되어왔다. 작은 사이즈의 베타트론은 전자를 이용하여 중성자를 전환시킴으로서 핵무기 내부에서 폭발의 소스를 제공하는데 사용된다. 베타트론을 이용하여 암 환자를 치료한 최초의 민간 의료 센터인 방사선 센터(The Radiation Center)는 1950년 대 후반에 위스콘신 교외에서 Dr. O. Arthur Stiennon에 의해 설립되었다.

한계

베타트론으로 낼 수 있는 최대 에너지는 철의 포화도에 의한 자기장의 세기와 자기코어의 현실적인 크기에 의해 제한된다. 이 다음 세대의 가속기인 싱크로트론은 이러한 한계를 극복하였다.(ref. 싱크로트론 방사)