Sådan fungerer partikelacceleratorer
Uanset om det er medicinsk eller videnskabelig forskning, udvikling af forbrugerprodukter eller national sikkerhed, rører partikelacceleratorer næsten alle dele af vores daglige liv. Siden katodestrålerørets tidlige dage i 1890erne har partikelacceleratorer ydet vigtige bidrag til videnskabelig og teknologisk innovation. I dag er der mere end 30.000 partikelacceleratorer i drift rundt omkring i verden.
Hvad er en partikelaccelerator?
En partikelaccelerator er en maskine, der accelererer elementære partikler, såsom elektroner eller protoner, til meget høje energier. På basisniveau producerer partikelacceleratorer stråler af ladede partikler, der kan bruges til en række forskningsformål. Der er to grundlæggende typer af partikelacceleratorer: lineære acceleratorer og cirkulære acceleratorer. Lineære acceleratorer fremdriver partikler langs en lineær eller lige strålelinje. Cirkulære acceleratorer driver partikler omkring et cirkulært spor. Lineære acceleratorer bruges til eksperimenter med fast mål, mens cirkulære acceleratorer kan bruges til både kolliderende stråle og faste mål eksperimenter.
Hvordan fungerer en partikelaccelerator?
Partikelacceleratorer bruger elektrisk felter for at fremskynde og øge energien fra en stråle af partikler, som styres og fokuseres af magnetfelter. Partikelkilden tilvejebringer de partikler, såsom protoner eller elektroner, der skal accelereres. Partikelstrålen bevæger sig inde i et vakuum i metalstrålerøret. Vakuumet er afgørende for at opretholde et luft- og støvfrit miljø, hvor partiklerne kan bevæge sig uhindret. Elektromagneter styrer og fokuserer strålen af partikler, mens den bevæger sig gennem vakuumrøret.
Elektriske felter, der er fordelt omkring acceleratoren, skifter fra positiv til negativ ved en given frekvens, hvilket skaber radiobølger, der fremskynder partikler i klaser. Partikler kan rettes mod et fast mål, såsom et tyndt stykke metalfolie, eller to stråler af partikler kan kollideres. Partikeldetektorer registrerer og afslører de partikler og stråling, der dannes ved kollisionen mellem en stråle af partikler og målet.
Hvordan har acceleratorer bidraget til grundlæggende videnskab?
Partikelacceleratorer er essentielle opdagelsesværktøjer til partikler og kernefysik og for videnskaber, der bruger røntgenstråler og neutroner, en type neutral subatomær partikel.
Partikelfysik, også kaldet højenergifysik, stiller grundlæggende spørgsmål om universet. Med partikelacceleratorer som deres primære videnskabelige værktøj har partikelfysikere opnået en dyb forståelse af de grundlæggende partikler og fysiske love, der styrer stof, energi, rum og tid.
I løbet af de sidste fire årtier har lyskilder – acceleratorer, der producerer fotoner, den subatomære partikel, der er ansvarlig for elektromagnetisk stråling – og de videnskaber, der bruger dem, har gjort dramatiske fremskridt, der går på tværs af mange forskningsområder. I dag er der nu omkring 10.000 forskere i USA, der bruger røntgenstråler til forskning inden for fysik og kemi, biologi og medicin, jordvidenskab og mange flere aspekter af materialevidenskab og udvikling.
Hvordan har partikelacceleratorer forbedrede forbrugerprodukter?
På verdensplan bruger hundredvis af industrielle processer partikelacceleratorer – fra fremstilling af computerchips til tværbinding af plast til krympeform og derudover.
Elektronstråleapplikationer er centreret om ændring af materialegenskaber, såsom ændring af plast, til overfladebehandling og til ødelæggelse af patogen i medicinsk sterilisering og bestråling af fødevarer. Ionstråleacceleratorer, som accelererer tungere partikler, finder udstrakt brug i halvlederindustrien til chipfremstilling og til hærdning af overfladerne på materialer som dem, der anvendes i kunstige led.
Hvordan anvendes partikelacceleratorer i medicinske applikationer ?
Titusindvis af millioner patienter modtager acceleratorbaserede diagnoser og behandling hvert år på hospitaler og klinikker rundt om i verden. Der er to primære roller for partikelacceleratorer i medicinske applikationer: produktion af radioisotoper til medicinsk diagnose og terapi og som kilder til elektronstråler, protoner og tungere ladede partikler til medicinsk behandling.
Den brede vifte af halveringstider for radioisotoper og deres forskellige strålingstyper muliggør optimering til specifikke applikationer. Isotoper, der udsender røntgenstråler, gammastråler eller positroner, kan tjene som diagnostiske sonder, med instrumenter placeret uden for patienten til billedstrålingsfordeling og dermed de biologiske strukturer og væskebevægelse eller indsnævring (f.eks. Blodgennemstrømning). Emittere af betastråler (elektroner) og alfapartikler (heliumkerner) deponerer det meste af deres energi tæt på stedet for den emitterende kerne og tjener som terapeutiske midler til at ødelægge kræftvæv.
Strålebehandling med eksterne bjælker har udviklet sig til en yderst effektiv metode til behandling af kræftpatienter. Langt størstedelen af disse bestrålinger udføres nu med mikrobølgeovn lineære acceleratorer, der producerer elektronstråler og røntgenstråler. Acceleratorteknologi, diagnostik og behandlingsteknisk udvikling i løbet af de sidste 50 år har dramatisk forbedret kliniske resultater. I dag er 30 proton- og tre carbon-ion-strålebehandlingscentre i drift over hele verden med mange nye centre på vej.
Energiafdelingen National Labs spillede en afgørende rolle i den tidlige udvikling af disse Los Alamos National Laboratory hjalp med at udvikle lineære acceleratorer til elektroner, nu arbejdsheste ved ekstern strålebehandling. Oak Ridge og Brookhaven National Laboratories bidrog med meget af den nuværende ekspertise inden for isotoper til diagnose og terapi. Lawrence Berkeley National Laboratory var banebrydende for brugen af protoner. , alfapartikler (heliumkerner) og andre lysioner til terapi og radiobiologi.
Hvordan har partikelacceleratorer haft gavn for den nationale sikkerhed?
Partikelacceleratorer spiller en vigtig rolle i den nationale sikkerhed, herunder fragt inspektion, lagerforvaltning og materialekarakterisering.
Tidlige anvendelser af acceleratorer til inspektion af nukleart brændsel brugte kommercielle lavenergi-elektronlinearacceleratorer til at inducere foto-fission reaktioner. Disse inspektionsteknologier blev udvidet til at undersøge affaldstromle i 1980erne og til sidst til lastinspektioner. Opfindelsen af den frie elektronlaser i 1970erne førte til stadig højere effekt med elektromagnetisk stråling ved hjælp af højenergielektroner, af direkte interesse for sikkerheds- og forsvarsapplikationer, herunder flådens foreslåede anvendelse af frielektronlaserteknologi til forsvar om bord. / p>