Funktionsweise von Teilchenbeschleunigern

Ob medizinische oder wissenschaftliche Forschung, Entwicklung von Verbraucherprodukten oder nationale Sicherheit – Teilchenbeschleuniger berühren nahezu jeden Teil unseres täglichen Lebens. Seit den Anfängen der Kathodenstrahlröhre in den 1890er Jahren haben Teilchenbeschleuniger wichtige Beiträge zur wissenschaftlichen und technologischen Innovation geleistet. Heute sind weltweit mehr als 30.000 Teilchenbeschleuniger in Betrieb.

Was ist ein Teilchenbeschleuniger?

Ein Teilchenbeschleuniger ist eine Maschine, die Elementarteilchen wie Elektronen oder beschleunigt Protonen zu sehr hohen Energien. Grundsätzlich erzeugen Teilchenbeschleuniger Strahlen geladener Teilchen, die für eine Vielzahl von Forschungszwecken verwendet werden können. Es gibt zwei Grundtypen von Teilchenbeschleunigern: Linearbeschleuniger und Kreisbeschleuniger. Linearbeschleuniger treiben Partikel entlang einer linearen oder geraden Strahllinie an. Kreisbeschleuniger treiben Partikel um eine Kreisbahn. Linearbeschleuniger werden für Experimente mit festen Zielen verwendet, während Kreisbeschleuniger sowohl für Experimente mit kollidierenden Strahlen als auch für Experimente mit festen Zielen verwendet werden können.

Wie funktioniert ein Teilchenbeschleuniger?

Teilchenbeschleuniger verwenden elektrische Beschleuniger Felder zur Beschleunigung und Erhöhung der Energie eines Teilchenstrahls, der durch Magnetfelder gesteuert und fokussiert wird. Die Teilchenquelle liefert die Teilchen wie Protonen oder Elektronen, die beschleunigt werden sollen. Der Partikelstrahl bewegt sich innerhalb eines Vakuums im Metallstrahlrohr. Das Vakuum ist entscheidend für die Aufrechterhaltung einer luft- und staubfreien Umgebung, damit sich der Partikelstrahl ungehindert bewegen kann. Elektromagnete steuern und fokussieren den Partikelstrahl, während er sich durch die Vakuumröhre bewegt.

Elektrische Felder, die um den Beschleuniger herum angeordnet sind, wechseln bei einer bestimmten Frequenz von positiv nach negativ und erzeugen Radiowellen, die Partikel in Bündeln beschleunigen. Partikel können auf ein festes Ziel gerichtet sein, beispielsweise auf ein dünnes Stück Metallfolie, oder zwei Partikelstrahlen können kollidieren. Teilchendetektoren erfassen und enthüllen die Teilchen und Strahlung, die durch die Kollision zwischen einem Teilchenstrahl und dem Ziel erzeugt werden.

Wie haben Beschleuniger zur Grundlagenforschung beigetragen?

Teilchenbeschleuniger sind unerlässlich Entdeckungswerkzeuge für die Teilchen- und Kernphysik sowie für Wissenschaften, die Röntgenstrahlen und Neutronen verwenden, eine Art neutrales subatomares Teilchen.

Die Teilchenphysik, auch Hochenergiephysik genannt, stellt grundlegende Fragen zum Universum. Mit Teilchenbeschleunigern als primären wissenschaftlichen Werkzeugen haben Teilchenphysiker ein tiefgreifendes Verständnis der grundlegenden Teilchen und physikalischen Gesetze erreicht, die Materie, Energie, Raum und Zeit regeln.

In den letzten vier Jahrzehnten haben Lichtquellen – Beschleuniger, die Photonen produzieren, das subatomare Teilchen, das für elektromagnetische Strahlung verantwortlich ist – und die Wissenschaften, die sie verwenden, haben dramatische Fortschritte gemacht, die viele Forschungsbereiche abdecken. Heute verwenden in den USA etwa 10.000 Wissenschaftler Röntgenstrahlen für die Forschung in Physik und Chemie, Biologie und Medizin, Geowissenschaften und vielen weiteren Aspekten der Materialwissenschaft und -entwicklung.

Wie haben Teilchenbeschleuniger verbessern Verbraucherprodukte?

Weltweit verwenden Hunderte industrieller Prozesse Teilchenbeschleuniger – von der Herstellung von Computerchips bis zur Vernetzung von Kunststoff für die Schrumpffolie und darüber hinaus.

Elektronenstrahlanwendungen konzentrieren sich auf die Änderung von Materialeigenschaften, wie z. B. die Änderung von Kunststoffen, zur Oberflächenbehandlung und zur Zerstörung von Krankheitserregern bei der medizinischen Sterilisation und Bestrahlung von Lebensmitteln. Ionenstrahlbeschleuniger, die schwerere Teilchen beschleunigen, finden in der Halbleiterindustrie in großem Umfang Verwendung bei der Chipherstellung und beim Härten der Oberflächen von Materialien, wie sie beispielsweise in künstlichen Gelenken verwendet werden.

Wie werden Teilchenbeschleuniger in medizinischen Anwendungen eingesetzt?

Dutzende Millionen Patienten erhalten jedes Jahr in Krankenhäusern und Kliniken auf der ganzen Welt beschleunigerbasierte Diagnosen und Therapien. Teilchenbeschleuniger haben in medizinischen Anwendungen zwei Hauptaufgaben: die Herstellung von Radioisotopen für die medizinische Diagnose und Therapie sowie als Quelle für Elektronenstrahlen, Protonen und schwer geladene Teilchen für die medizinische Behandlung.

Das breite Spektrum von Die Halbwertszeiten von Radioisotopen und ihre unterschiedlichen Strahlungstypen ermöglichen eine Optimierung für bestimmte Anwendungen. Isotope, die Röntgenstrahlen, Gammastrahlen oder Positronen emittieren, können als diagnostische Sonden dienen, wobei Instrumente außerhalb des Patienten angeordnet sind, um die Strahlungsverteilung und damit die biologischen Strukturen und die Flüssigkeitsbewegung oder -verengung (z. B. Blutfluss) abzubilden. Emitter von Betastrahlen (Elektronen) und Alphateilchen (Heliumkerne) lagern den größten Teil ihrer Energie nahe der Stelle des emittierenden Kerns ab und dienen als Therapeutika zur Zerstörung von Krebsgewebe.

Die Strahlentherapie mit externen Strahlen hat sich zu einer hochwirksamen Methode zur Behandlung von Krebspatienten entwickelt. Die überwiegende Mehrheit dieser Bestrahlungen wird jetzt mit Mikrowellen-Linearbeschleunigern durchgeführt, die Elektronenstrahlen und Röntgenstrahlen erzeugen. Die Entwicklungen in den Bereichen Beschleunigertechnologie, Diagnostik und Behandlungstechnik in den letzten 50 Jahren haben die klinischen Ergebnisse dramatisch verbessert. Heute sind weltweit 30 Protonen- und drei Kohlenstoffionenstrahl-Behandlungszentren in Betrieb, viele neue Zentren sind in Vorbereitung.

Die National Labs des Energieministeriums spielten eine entscheidende Rolle bei der frühen Entwicklung dieser Zentren Das Los Alamos National Laboratory half bei der Entwicklung von Linearbeschleunigern für Elektronen, heute Arbeitspferde der externen Strahlentherapie. Die Oak Ridge und Brookhaven National Laboratories brachten einen Großteil des gegenwärtigen Fachwissens über Isotope für Diagnose und Therapie ein. Das Lawrence Berkeley National Laboratory leistete Pionierarbeit bei der Verwendung von Protonen , Alpha-Teilchen (Heliumkerne) und andere leichte Ionen für Therapie und Radiobiologie.

Wie haben Teilchenbeschleuniger der nationalen Sicherheit zugute gekommen?

Teilchenbeschleuniger spielen eine wichtige Rolle für die nationale Sicherheit, einschließlich Fracht Inspektion, Lagerverwaltung und Materialcharakterisierung.

Frühe Anwendungen von Beschleunigern zur Inspektion von Kernbrennstoffen verwendeten kommerzielle niederenergetische Elektronenlinearbeschleuniger, um zu induzieren Photospaltungsreaktionen. Diese Inspektionstechnologien wurden in den 1980er Jahren auf die Untersuchung von Abfalltrommeln und schließlich auf Ladungsinspektionen ausgeweitet. Die Erfindung des freien Elektronenlasers in den 1970er Jahren führte zu elektromagnetischer Strahlung mit immer höherer Leistung unter Verwendung energiereicher Elektronen, die für Sicherheits- und Verteidigungsanwendungen von direktem Interesse ist, einschließlich der von der Marine vorgeschlagenen Anwendung der Freie-Elektronen-Lasertechnologie auf die Verteidigung an Bord / p>