Betatron - Betatron (English spelling) betatron

Japanese: ベータトロン - べーたとろん（英語表記）betatron

A device that accelerates electrons using an electric field generated by changes in magnetic flux between the poles of an AC electromagnet. Inside a doughnut-shaped accelerating tube placed between the poles of an AC electromagnet, electrons revolve on a circumference of radius r , determined by the strength of the magnetic field and the energy of the electrons. When the magnet is excited by an AC current, the total magnetic flux inside the orbit of the electron's circular motion changes, and an electric field is generated along the electron's orbit by electromagnetic induction. Electrons are accelerated by this electric field, but it is necessary that the increase in electron energy due to acceleration and the rate at which the magnetic field becomes stronger are balanced so that the electrons continue to move on a circumference of a constant radius despite changes in the magnetic field. This is called the betatron condition. A betatron is designed to satisfy this condition by making the gap between the poles at the center of the magnetic poles narrower than the gap at the periphery, making the magnetic field at the center stronger than at the periphery. This type of accelerator was proposed in 1928 by Germany's Rolf Wideröe (1902-1996), but there were problems with acceleration stability, and a full-scale betatron was first realized in 1940 by American Donald William Kerst (1911-1993). Electrons have a small mass and can reach almost the speed of light with relatively low energy. Since it is impossible to exceed the speed of light, an increase in energy due to acceleration is reflected as an increase in the mass of the electron. In cyclotron acceleration, the period of the electron's circular motion slows down as the energy increases, making it impossible to synchronize and accelerate. Betatrons are suitable for accelerating electrons. Since they have a relatively simple structure and can be designed to be small, they are widely used as X-ray sources for medical and industrial purposes.

[Keigo Nishimura]

Medical Use

The radiation generated by betatrons is X-rays and electron beams, but X-rays are not used often because the dose rate (amount of radiation irradiated per unit time) is low. Electron beams are used to treat superficial tumors such as skin tumors. Electron beams of 6 to 40 megaelectron volts are mainly used. A total of about 50 grays are often irradiated in a dozen or so doses (gray is the unit of absorbed dose). Electron beams can only reach a certain depth depending on the energy, so they have the advantage that normal areas deeper than the lesion are not irradiated. However, since the 1980s, linear accelerators, a treatment device that uses electron beams, have the advantage of a higher dose rate and have been increasingly used.

[Atsuo Akanuma]

Source: Shogakukan Encyclopedia Nipponica About Encyclopedia Nipponica Information | Legend

Japanese:

交流電磁石の磁極間の磁束の変化によって発生する電場を用いて、電子を加速する装置。交流電磁石の磁極の間に入れられたドーナツ形の加速管の中で、電子は、磁場の強さと電子のエネルギーによって決まる半径rの円周上を回る。交流電流によって磁石が励磁されると、電子の円運動の軌道の内側の全磁束が変化し、電磁誘導によって電子の軌道沿いに電場が発生する。電子はこの電場によって加速されるが、加速による電子のエネルギー上昇と磁場の強くなる割合がつり合って、磁場の変化にもかかわらず、電子が一定の半径の円周上を運動し続けるようにすることが必要である。これはベータトロン条件とよばれる。ベータトロンは、磁極の中央部の磁極間隙(かんげき)を周辺部の間隙より狭めて中央部の磁場を外周部より強め、この条件を満たすように設計されている。この形の加速器は1928年ドイツのビデレーRolf Wideröe（1902―1996）によって提案されたが、加速の安定性などに問題があり、本格的なベータトロンは1940年にアメリカのカーストDonald William Kerst（1911―1993）によって初めて実現された。電子は質量が小さく、比較的低いエネルギーでほとんど光速に達してしまう。光速を超えることはできないので、加速によるエネルギー増加は電子の質量の増加として表れることになる。サイクロトロン加速では、電子の円運動の周期がエネルギー増加とともに遅くなるので同期がとれなくなり、加速できない。電子の加速にはベータトロンが適している。比較的簡単な構造で小型に設計できるので、医療用、工業用などのX線源として多く使用されている。

［西村奎吾］

医療としての利用

ベータトロンから発生する放射線はX線と電子線であるが、X線は線量率（単位時間当り照射される放射線量）が低くあまり利用されない。電子線は皮膚腫瘍(しゅよう)などの表在腫瘍に対して治療の目的で照射される。主として使われるのは6メガ～40メガ電子ボルトの電子線である。十数回に分けて総量50グレイほどを照射する場合が多い（グレイとは吸収線量の単位）。電子線はエネルギーに応じて一定の深さまでしか到達しないため、病巣より深い正常の部位は照射されずにすむという利点をもっている。なお、1980年代からは、電子線を利用した治療装置リニア・アクセレレーター（線形加速器）のほうが線量率が高い利点があり、利用が進んでいる。

［赤沼篤夫］

[参照項目] | 加速器 | サイクロトロン治療装置 | 電子 | 放射線 | 放射線療法 | リニア・アクセレレーター

出典　小学館　日本大百科全書(ニッポニカ)日本大百科全書(ニッポニカ)について　情報 | 凡例

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