Kuinka hiukkaskiihdyttimet toimivat

Olipa kyse lääketieteellisestä tai tieteellisestä tutkimuksesta, kulutustuotteiden kehittämisestä tai kansallisesta turvallisuudesta, hiukkaskiihdyttimet koskettavat melkein jokaista päivittäisen elämämme osaa. Katodisädeputken alkuaikoista 1890-luvulta lähtien hiukkaskiihdyttimet ovat vaikuttaneet merkittävästi tieteelliseen ja teknologiseen innovaatioon. Nykyään ympäri maailmaa on toiminnassa yli 30000 hiukkaskiihdytintä.

Mikä on hiukkaskiihdytin?

Hiukkaskiihdytin on kone, joka kiihdyttää alkeishiukkasia, kuten elektroneja tai hiukkasia. protoneja, erittäin korkeisiin energioihin. Perustasolla hiukkaskiihdyttimet tuottavat varattujen hiukkasten säteitä, joita voidaan käyttää erilaisiin tutkimustarkoituksiin. Hiukkaskiihdyttimiä on kahta perustyyppiä: lineaariset kiihdyttimet ja pyöreät kiihdyttimet. Lineaariset kiihdyttimet kuljettavat hiukkasia lineaarista tai suoraa säteen viivaa pitkin. Pyöreät kiihdyttimet kuljettavat hiukkasia pyöreän radan ympäri. Lineaarisia kiihdyttimiä käytetään kiinteäkohteisiin kokeisiin, kun taas pyöreitä kiihdyttimiä voidaan käyttää sekä törmäyspalkkiin että kiinteisiin kohteisiin.

Kuinka hiukkaskiihdytin toimii?

Hiukkaskiihdyttimet käyttävät sähköä kentät nopeuttamaan ja lisäämään hiukkassäteen energiaa, jota magneettikentät ohjaavat ja tarkentavat. Hiukkaslähde tarjoaa hiukkaset, kuten protonit tai elektronit, jotka on tarkoitus kiihdyttää. Hiukkassäde kulkee metallipalkin putken tyhjiön sisällä. Tyhjiö on ratkaisevan tärkeää ilman ja pölyn vapaan ympäristön ylläpitämiselle hiukkassäteen esteettömälle liikkumiselle. Sähkömagneetit ohjaavat ja tarkentavat hiukkassädettä, kun se kulkee tyhjiöputken läpi.

Kiihdyttimen ympärille sijoitetut sähkökentät vaihtavat positiivisesta negatiiviseksi tietyllä taajuudella ja luovat radioaaltoja, jotka kiihdyttävät hiukkasia nippuina. Hiukkaset voidaan suunnata kiinteään kohteeseen, kuten ohut metallikalvopala, tai kaksi hiukkassädettä voidaan törmätä. Hiukkastetunnistimet tallentavat ja paljastavat hiukkasten ja kohteen törmäyksessä syntyvät hiukkaset ja säteilyn.

Kuinka kiihdyttimet ovat vaikuttaneet perustieteeseen?

Hiukkaskiihdyttimet ovat välttämättömiä löytövälineet hiukkas- ja ydinfysiikalle sekä tieteille, jotka käyttävät röntgensäteitä ja neutroneja, eräänlaista neutraalia subatomisia hiukkasia.

Hiukkasten fysiikka, jota kutsutaan myös korkean energian fysiikaksi, kysyy universumista. Koska hiukkasten kiihdyttimet ovat ensisijainen tieteellinen työkalu, hiukkasten fyysikot ovat saaneet syvällisen käsityksen aineen, energian, tilan ja ajan hallitsevista perushiukkasista ja fysikaalisista laeista.

Viimeisen neljän vuosikymmenen aikana valonlähteet – fotoneja tuottavat kiihdyttimet, sähkömagneettisesta säteilystä vastaava subatominen hiukkanen – ja niitä käyttävät tieteet ovat saavuttaneet dramaattisia edistysaskeleita, jotka leikkaavat monia tutkimusalueita. Nykyään Yhdysvalloissa on nyt noin 10000 tutkijaa, jotka käyttävät röntgensäteitä fysiikan ja kemian, biologian ja lääketieteen, maatieteiden sekä monien muiden materiaalitieteen ja kehityksen osa-alueiden tutkimukseen.

Kuinka on hiukkaskiihdyttimet paransivat kulutustuotteita?

Maailmanlaajuisesti sadat teolliset prosessit käyttävät hiukkaskiihdyttimiä – tietokoneen sirujen valmistuksesta muovin ristisidontaan kutistekääreisiin ja muualle.

Elektronisuihkusovelluksissa keskitytään materiaalien ominaisuuksien muuttamiseen, kuten muovien muokkaamiseen, pintakäsittelyyn ja patogeenien tuhoamiseen lääketieteellisessä steriloinnissa ja elintarvikkeiden säteilytyksessä. Ionisädekiihdyttimiä, jotka kiihdyttävät raskaampia hiukkasia, käytetään laajasti puolijohdeteollisuudessa sirujen valmistuksessa ja kovettamalla esimerkiksi tekonivelissä käytettävien materiaalien pintoja.

Kuinka hiukkaskiihdyttimiä käytetään lääketieteellisissä sovelluksissa ?

Kymmenet miljoonat potilaat saavat kiihdyttimiin perustuvia diagnooseja ja hoitoa vuosittain sairaaloissa ja klinikoilla ympäri maailmaa. Hiukkaskiihdyttimillä on kaksi ensisijaista roolia lääketieteellisissä sovelluksissa: radioisotooppien tuotanto lääketieteelliseen diagnosointiin ja hoitoon sekä elektronisäteiden, protonien ja raskaampien varautuneiden hiukkasten lähteinä lääkehoitoon.

Laaja valikoima radioisotooppien puoliintumisaika ja niiden erilaiset säteilytyypit mahdollistavat optimoinnin tiettyihin sovelluksiin. Isotoopit, jotka lähettävät röntgensäteitä, gammasäteitä tai positroneja, voivat toimia diagnostisina koettimina, ja instrumentit sijaitsevat potilaan ulkopuolella kuvan säteilyn jakautumisen ja siten biologisten rakenteiden ja nesteen liikkeen tai supistumisen (esimerkiksi verenkierron) suhteen. Beetasäteilijät (elektronit) ja alfahiukkaset (heliumytimet) tallentavat suurimman osan energiastaan lähelle säteilevän ytimen paikkaa ja toimivat terapeuttisina aineina tuhoamaan syöpäkudoksen.

Ulkoisten säteiden sädehoidosta on kehittynyt erittäin tehokas menetelmä syöpäpotilaiden hoidossa. Suurin osa näistä säteilytyksistä suoritetaan nyt mikroaaltouunin lineaarisilla kiihdyttimillä, jotka tuottavat elektronisäteitä ja röntgensäteitä. Kiihdytintekniikan, diagnostiikan ja hoitotekniikan kehitys viimeisten 50 vuoden aikana on parantanut dramaattisesti kliinisiä tuloksia. Nykyään 30 protoni- ja kolme hiili-ionisädekäsittelykeskusta on toiminnassa maailmanlaajuisesti, ja uusia keskuksia on tulossa.

Energiaosaston kansallisilla laboratorioilla oli ratkaiseva rooli näiden varhaisessa kehityksessä. Los Alamosin kansallinen laboratorio auttoi kehittämään lineaarisia kiihdyttimiä elektronille, nyt ulkoisen sädehoidon työhevosille. Oak Ridgen ja Brookhavenin kansalliset laboratoriot antoivat suuren osan nykyisestä diagnoosin ja hoidon isotooppien asiantuntemuksesta. Lawrence Berkeleyn kansallinen laboratorio oli edelläkävijä protonien käytössä. , alfahiukkaset (heliumytimet) ja muut valoionit terapiassa ja radiobiologiassa.

Kuinka hiukkaskiihdyttimet ovat hyödyttäneet kansallista turvallisuutta?

Hiukkaskiihdyttimillä on tärkeä rooli kansallisessa turvallisuudessa, mukaan lukien rahti tarkastus, varastonhoito ja materiaalien luonnehdinta.

Varhaiset kiihdyttimien sovellukset ydinpolttoaineiden tarkastamiseksi käyttivät kaupallisia pienenergisiä elektronisia lineaarisia kiihdyttimiä indusoimiseksi valohajoamisreaktiot. Nämä tarkastustekniikat laajenivat 1980-luvun jäterummun tutkimuksiin ja lopulta rahtitarkastuksiin. Vapaan elektronilaserin keksiminen 1970-luvulla johti yhä suuremman tehon sähkömagneettiseen säteilyyn käyttämällä suurenergisiä elektroneja, mikä kiinnostaa suoraan turvallisuus- ja puolustussovelluksia, mukaan lukien laivaston ehdottama vapaaelektronilasertekniikan soveltaminen aluksen puolustukseen. / p>