Jak fungují urychlovače částic
Ať už se jedná o lékařský nebo vědecký výzkum, vývoj spotřebitelských produktů nebo národní bezpečnost, urychlovače částic se dotýkají téměř každé části našeho každodenního života. Od počátků katodové trubice v 90. letech 19. století urychlovače částic významně přispěly k vědecké a technologické inovaci. Dnes je po celém světě v provozu více než 30 000 urychlovačů částic.
Co je urychlovač částic?
urychlovač částic je stroj, který urychluje elementární částice, jako jsou elektrony nebo protony, na velmi vysoké energie. Na základní úrovni urychlovače částic produkují paprsky nabitých částic, které lze použít pro různé výzkumné účely. Existují dva základní typy urychlovačů částic: lineární urychlovače a kruhové urychlovače. Lineární urychlovače pohánějí částice podél lineární nebo přímé linie paprsku. Kruhové urychlovače pohánějí částice kolem kruhové dráhy. Lineární urychlovače se používají pro experimenty s pevným cílem, zatímco kruhové urychlovače lze použít jak pro experimenty s kolizním paprskem, tak pro pevné cíle.
Jak funguje urychlovač částic?
Částicové urychlovače používají elektrický pole k urychlení a zvýšení energie paprsku částic, které jsou řízeny a zaostřeny magnetickými poli. Zdroj částic poskytuje částice, jako jsou protony nebo elektrony, které mají být urychlovány. Paprsek částic prochází uvnitř vakua v trubce kovového paprsku. Vakuum je zásadní pro udržení prostředí bez vzduchu a prachu, aby paprsek částic mohl nerušeně cestovat. Elektromagnety řídí a zaostřují paprsek částic, zatímco prochází vakuovou trubicí.
Elektrická pole rozmístěná kolem akcelerátoru se při dané frekvenci přepínají z pozitivního na negativní a vytvářejí rádiové vlny, které urychlují částice ve svazcích. Částice mohou být nasměrovány na pevný cíl, například na tenký kousek kovové fólie, nebo se mohou srazit dva paprsky částic. Detektory částic zaznamenávají a odhalují částice a záření, které vznikají při srážce paprsku částic s cílem.
Jak urychlovače přispěly k základní vědě?
Částicové urychlovače jsou zásadní nástroje pro objevování částicové a jaderné fyziky a pro vědy využívající rentgenové záření a neutrony, což je typ neutrálních subatomárních částic.
Fyzika částic, nazývaná také vysokoenergetická fyzika, klade základní otázky o vesmíru. S urychlovači částic jako primárním vědeckým nástrojem fyzici částic dosáhli hlubokého porozumění základním částicím a fyzikálním zákonům, které řídí hmotu, energii, prostor a čas.
Za poslední čtyři desetiletí světelné zdroje – urychlovače produkující fotony, subatomární částice odpovědné za elektromagnetické záření – a vědy, které je používají, dosáhly dramatických pokroků, které zasahují do mnoha oblastí výzkumu. Dnes je ve Spojených státech asi 10 000 vědců, kteří používají rentgenové paprsky pro výzkum ve fyzice a chemii, biologii a medicíně, vědách o Zemi a mnoha dalších aspektech vědy a vývoje materiálů.
Jak urychlovače částic zlepšily spotřební výrobky?
Po celém světě stovky průmyslových procesů používají urychlovače částic – od výroby počítačových čipů až po zesíťování plastů pro smršťovací fólie a dále.
Aplikace elektronového paprsku se soustředí na modifikaci vlastností materiálu, jako je změna plastů, pro povrchovou úpravu a pro ničení patogenů při lékařské sterilizaci a ozařování potravin. Urychlovače iontových paprsků, které urychlují těžší částice, nacházejí široké využití v polovodičovém průmyslu při výrobě čipů a při kalení povrchů materiálů, jako jsou materiály používané v umělých spojích.
Jak se urychlovače částic používají v lékařských aplikacích ?
Desítky milionů pacientů dostávají každý rok v nemocnicích a na klinikách po celém světě diagnostiku a terapii pomocí akcelerátoru. Urychlovače částic v lékařských aplikacích mají dvě hlavní role: výroba radioizotopů pro lékařskou diagnostiku a terapii a jako zdroje paprsků elektronů, protonů a silněji nabitých částic pro lékařské ošetření.
Široká škála poločasy radioizotopů a jejich různé typy záření umožňují optimalizaci pro konkrétní aplikace. Izotopy vyzařující rentgenové paprsky, gama paprsky nebo pozitrony mohou sloužit jako diagnostické sondy s nástroji umístěnými mimo pacienta, aby zobrazovaly distribuci záření, a tím i biologické struktury a pohyb nebo zúžení tekutiny (například průtok krve). Emitory beta paprsků (elektrony) a alfa částice (jádra helia) ukládají většinu své energie blízko místa emitujícího jádra a slouží jako terapeutické látky k ničení rakovinné tkáně.
Radiační terapie vnějšími paprsky se vyvinula ve vysoce efektivní metodu léčby pacientů s rakovinou. Převážná většina těchto ozařování se nyní provádí pomocí mikrovlnných lineárních urychlovačů produkujících elektronové paprsky a rentgenové paprsky. Vývoj technologie urychlovače, diagnostiky a techniky léčby za posledních 50 let dramaticky zlepšil klinické výsledky. Dnes je po celém světě v provozu 30 protonových a tři střediska pro zpracování paprsků uhlík-iontových paprsků, přičemž na cestě je mnoho nových středisek.
Národní laboratoře energetického oddělení hrály zásadní roli v jejich časném vývoji. technologie. Národní laboratoř Los Alamos pomohla vyvinout lineární urychlovače pro elektrony, nyní pracovníky terapie vnějším paprskem. Oak Ridge a Brookhaven National Laboratories přispěly velkou část současné odbornosti v oblasti izotopů pro diagnostiku a terapii. Lawrence Berkeley National Laboratory propagoval použití protonů , částice alfa (jádra hélia) a další lehké ionty pro terapii a radiobiologii.
Jak výhody urychlovače částic přinesly národní bezpečnosti?
urychlovače částic hrají důležitou roli v národní bezpečnosti, včetně nákladu inspekce, správa zásob a charakterizace materiálů.
Rané aplikace urychlovačů ke kontrole jaderných paliv používaly komerční nízkoenergetické elektronové lineární urychlovače k indukci foto-štěpné reakce. Tyto inspekční technologie se rozšířily na vyšetřování odpadních sudů v 80. letech a nakonec na kontroly nákladu. Vynález laseru s volnými elektrony v sedmdesátých letech vedl ke stále silnějšímu elektromagnetickému záření využívajícímu vysokoenergetické elektrony, které se bezprostředně zajímají o bezpečnostní a obranné aplikace, včetně námořnictva navrhované aplikace laserových technologií s volnými elektrony na palubní obranu.