Hogyan működnek a részecskegyorsítók

Legyen szó orvosi vagy tudományos kutatásról, fogyasztói termékek fejlesztéséről vagy nemzetbiztonságról, a részecskegyorsítók mindennapi életünk szinte minden részét érintik. A katódsugár 1890-es évek elejétől kezdve a részecskegyorsítók jelentősen hozzájárultak a tudományos és technológiai innovációhoz. Ma már több mint 30 000 részecskegyorsító működik világszerte.

Mi az a részecskegyorsító?

A részecskegyorsító olyan gép, amely felgyorsítja az elemi részecskéket, például elektronokat vagy protonok, nagyon magas energiákig. Alapszinten a részecskegyorsítók töltött részecskék gerendáit állítják elő, amelyek különféle kutatási célokra használhatók fel. A részecskegyorsítóknak két alapvető típusa van: lineáris gyorsító és kör alakú gyorsító. A lineáris gyorsítók a részecskéket egy lineáris vagy egyenes sugárvonal mentén hajtják. A körgyorsítók a részecskéket egy kör alakú pálya körül mozgatják. A lineáris gyorsítókat rögzített célú kísérletekhez használják, míg a kör alakú gyorsítókat mind ütköző nyalábú, mind pedig rögzített célú kísérletekhez lehet használni.

Hogyan működik a részecskegyorsító?

A részecskegyorsítók elektromos áramot használnak mezők a mágneses mezők által irányított és fókuszált részecskesugár energiájának felgyorsítására és növelésére. A részecskeforrás biztosítja a felgyorsítandó részecskéket, például protonokat vagy elektronokat. A részecskék nyalábja a fém gerendacső vákuumában mozog. A vákuum döntő fontosságú a levegőtől és a portól mentes környezet fenntartásához, hogy a részecskék nyalábja akadálytalanul haladjon. Az elektromágnesek irányítják és fókuszálják a részecskék sugarát, miközben az a vákuumcsövön keresztül halad.

A gyorsító körül elhelyezett elektromos mezők pozitívról negatívra kapcsolnak egy adott frekvencián, és olyan rádióhullámokat hoznak létre, amelyek csomókban gyorsítják a részecskéket. A részecskék egy fix célpontra irányíthatók, például egy vékony fémfólia darabra, vagy két részecskesugár összeütközhet. A részecske-detektorok rögzítik és feltárják azokat a részecskéket és sugárzást, amelyek a részecskéknyaláb és a cél ütközése során keletkeznek.

Hogyan járultak hozzá a gyorsítók az alaptudományhoz?

A részecskegyorsítók elengedhetetlenek felfedezés eszközei a részecske- és a magfizikához, valamint a röntgensugarakat és a neutronokat használó tudományokhoz, a semleges szubatomi részecskék egyik típusához.

A nagyenergiás fizikának is nevezett részecskefizika alapvető kérdéseket tesz fel az univerzummal kapcsolatban. A részecskefizikusok elsődleges tudományos eszközeiként a részecskefizikusok mélyen megértették az anyagot, az energiát, a teret és az időt irányító alapvető részecskéket és fizikai törvényeket.

Az elmúlt négy évtizedben a fényforrások – fotonokat termelő gyorsítók, az elektromágneses sugárzásért felelős szubatomi részecske – és az ezeket használó tudományok drámai előrelépéseket tettek, amelyek számos kutatási területen átíveltek. Manapság az Egyesült Államokban jelenleg körülbelül 10 000 tudós használja a röntgensugarakat a fizika és kémia, a biológia és az orvostudomány, a földtudomány, valamint az anyagtudomány és a fejlesztés sok más szempontjának kutatásához.

a részecskegyorsítók továbbfejlesztették a fogyasztási cikkeket?

Világszerte ipari folyamatok százai használják a részecskegyorsítókat – a számítógépes chipek gyártásától a műanyag keresztkötéséig a zsugorfóliázásig és azon túl.

Az elektronsugaras alkalmazások középpontjában az anyag tulajdonságainak módosítása áll, például a műanyagok megváltoztatása, a felületkezeléshez, valamint a kórokozók elpusztításához az orvosi sterilizálás és az élelmiszer besugárzása során. A nehezebb részecskéket felgyorsító ionnyalábos gyorsítók széles körben alkalmazhatók a félvezetőiparban a forgácsgyártásban és az olyan anyagok felületének megkeményedésében, mint a mesterséges kötéseknél.

Hogyan használják a részecskegyorsítókat orvosi alkalmazásokban ?

A betegek tízmilliói részesülnek gyorsító alapú diagnózisban és terápiában évente a világ kórházaiban és klinikáin. Két alapvető szerepe van a részecskegyorsítóknak az orvosi alkalmazásokban: radioizotópok előállítása orvosi diagnosztizáláshoz és terápiához, valamint elektronsugarak, protonok és nehezebben töltött részecskék forrásaként az orvosi kezeléshez.

a radioizotópok felezési ideje és különböző sugárzási típusaik optimalizálást tesznek lehetővé speciális alkalmazásokhoz. A röntgensugarakat, gammasugarakat vagy positronokat kibocsátó izotópok diagnosztikai szondaként szolgálhatnak, a páciensen kívül elhelyezkedő eszközökkel a sugárzás eloszlása és ezáltal a biológiai struktúrák és a folyadék mozgása vagy szűkítése (például véráramlás). A béta sugarak (elektronok) és az alfa részecskék (hélium magok) kibocsátói energiájuk nagy részét a kibocsátó mag helyéhez közel rakják le, és terápiás szerként szolgálnak a rákos szövetek elpusztítására.

A külső gerendákkal végzett sugárterápia rendkívül hatékony módszerré fejlődött a rákos betegek kezelésében. Ezeknek a besugárzásoknak a túlnyomó részét ma mikrohullámú lineáris gyorsítókkal hajtják végre, amelyek elektronnyalábokat és röntgensugarakat hoznak létre. A gyorsítótechnika, a diagnosztika és a kezelési technika fejlődése az elmúlt 50 évben drámai módon javította a klinikai eredményeket. Ma 30 proton és három szén-ion-sugárkezelő központ működik világszerte, sok új központ van úton.

Az Energiaügyi Minisztérium Nemzeti Laboratóriumai döntő szerepet játszottak ezek korai fejlesztésében. technológiák. A Los Alamos Nemzeti Laboratórium segített lineáris gyorsítók kifejlesztésében az elektronok számára, ma már a külső sugárterápia munkalovai. Az Oak Ridge és a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumok hozzájárultak a diagnózis és terápia izotópjaival kapcsolatos jelenlegi szakértelem nagy részéhez. Lawrence Berkeley Nemzeti Laboratórium úttörő szerepet játszott a protonok használatában. , alfa részecskék (héliummagok) és más fényionok a terápiához és a radiobiológiához.

Hogyan járultak hozzá a részecskegyorsítók a nemzetbiztonsághoz?

A részecskegyorsítók fontos szerepet játszanak a nemzetbiztonságban, beleértve a rakományt is ellenőrzés, készletgondozás és anyagjellemzés.

A gyorsítók korai alkalmazásai a nukleáris üzemanyagok vizsgálatára kereskedelmi célú alacsony energiafelhasználású elektron lineáris gyorsítókat használtak fel foto-hasadási reakciók. Ezek az ellenőrzési technológiák kiterjedtek az 1980-as évek hulladékdob-vizsgálatára és végül a rakományvizsgálatokra is. A szabad elektronlézer feltalálása az 1970-es években egyre nagyobb teljesítményű elektromágneses sugárzáshoz vezetett nagy energiájú elektronok felhasználásával, ami közvetlenül érdekelte a biztonsági és védelmi alkalmazásokat, ideértve a haditengerészet által javasolt szabadelektronos lézertechnológia alkalmazását a fedélzeti védelemben. / p>