粒子加速器のしくみ

医学的または科学的研究、消費者製品開発、国家安全保障のいずれであっても、粒子加速器は私たちの日常生活のほぼすべての部分に影響を与えます。 1890年代のブラウン管の初期以来、粒子加速器は科学技術革新に重要な貢献をしてきました。今日、世界中で30,000を超える粒子加速器が稼働しています。

粒子加速器とは何ですか？

粒子加速器は、電子や電子などの素粒子を加速する機械です。陽子、非常に高いエネルギーに。基本的なレベルでは、粒子加速器は、さまざまな研究目的に使用できる荷電粒子のビームを生成します。粒子加速器には、線形加速器と円形加速器の2つの基本的なタイプがあります。線形加速器は、線形または直線のビームラインに沿って粒子を推進します。円形加速器は、粒子を円形トラックの周りに推進します。線形加速器は固定ターゲット実験に使用されますが、円形加速器は衝突ビームと固定ターゲット実験の両方に使用できます。

粒子加速器はどのように機能しますか？

粒子加速器は電気を使用します磁場によって操縦され、集束される粒子のビームのエネルギーを加速および増加させるための磁場。粒子源は、加速される陽子や電子などの粒子を提供します。粒子のビームは、金属ビームパイプ内の真空内を移動します。真空は、粒子のビームが遮られることなく移動するための空気とほこりのない環境を維持するために重要です。電磁石は、粒子のビームが真空管を通過するときに、粒子のビームを操縦して集束させます。

加速器の周囲に配置された電界は、特定の周波数で正から負に切り替わり、粒子を束にして加速する電波を生成します。粒子は、金属箔の薄い部分などの固定されたターゲットに向けることができます。または、粒子の2つのビームを衝突させることができます。素粒子検出器は、粒子のビームとターゲットの衝突によって生成される粒子と放射を記録して明らかにします。

加速器は基礎科学にどのように貢献しましたか？

粒子加速器は不可欠です。素粒子物理学と核物理学、および中性亜原子粒子の一種であるX線と中性子を使用する科学のための発見ツール。

高エネルギー物理学とも呼ばれる素粒子物理学は、宇宙についての基本的な質問をします。素粒子加速器を主要な科学ツールとして使用することで、素粒子物理学者は、物質、エネルギー、空間、時間を支配する基本的な粒子と物理法則を深く理解することができました。

過去40年間、光源-光子を生成する加速器、電磁放射の原因となる素粒子-そしてそれらを使用する科学は、多くの研究分野にまたがる劇的な進歩を遂げました。今日、米国には、物理学と化学、生物学と医学、地球科学、および材料科学と開発のその他の多くの側面の研究にX線ビームを使用している約10,000人の科学者がいます。

粒子加速器は消費者製品を改善しましたか？

コンピューターチップの製造からシュリンクラップ用のプラスチックの架橋まで、世界中で何百もの産業プロセスが粒子加速器を使用しています。

電子ビームの用途は、プラスチックの変更などの材料特性の変更、表面処理、および医療滅菌や食品照射における病原体破壊に重点を置いています。重い粒子を加速するイオンビーム加速器は、半導体産業でチップ製造や人工関節に使用されるような材料の表面の硬化に広く使用されています。

医療用途での粒子加速器の使用方法？

世界中の病院や診療所で、毎年数千万人の患者が加速器ベースの診断と治療を受けています。医療用途における粒子加速器の主な役割は2つあります。1つは医療診断および治療用の放射性同位元素の製造、もう1つは医療用の電子ビーム、陽子、およびより重い荷電粒子の発生源です。

放射性同位元素の半減期とそれらの異なる放射線タイプにより、特定のアプリケーションの最適化が可能になります。 X線、ガンマ線、または陽電子を放出するアイソトープは、診断プローブとして機能し、患者の外部に配置された機器を使用して、放射線分布、したがって生物学的構造と体液の動きまたは収縮（血流など）を画像化します。ベータ線（電子）とアルファ粒子（ヘリウム核）のエミッターは、それらのエネルギーの大部分を放出核のサイトの近くに蓄積し、癌性組織を破壊する治療薬として機能します。

外部ビームによる放射線療法は、癌患者を治療するための非常に効果的な方法に発展しました。これらの照射の大部分は現在、電子ビームとX線を生成するマイクロ波線形加速器で実行されています。過去50年間の加速器技術、診断および治療技術の開発は、臨床転帰を劇的に改善しました。現在、30の陽子および3つの炭素イオンビーム処理センターが世界中で稼働しており、多くの新しいセンターが進行中です。

エネルギー省の国立研究所は、これらの初期開発において重要な役割を果たしました。ロスアラモス国立研究所は、現在は外部ビーム療法の主力製品である電子の線形加速器の開発を支援しました。オークリッジ国立研究所とブルックヘブン国立研究所は、診断と治療のための同位体に関する現在の専門知識の多くに貢献しました。ローレンスバークレー国立研究所は陽子の使用を開拓しました。 、アルファ粒子（ヘリウム核）およびその他の治療および放射線生物学用の軽イオン。

粒子加速器は国家安全保障にどのように役立っていますか？

粒子加速器は、貨物を含む国家安全保障において重要な役割を果たしています。検査、備蓄管理、および材料の特性評価。

核燃料を検査するための加速器の初期のアプリケーションでは、市販の低エネルギー電子線形加速器を使用して誘導しました。光核分裂反応。これらの検査技術は、1980年代にドラム缶の調査にまで拡大し、最終的には貨物の検査にまで拡大しました。 1970年代の自由電子レーザーの発明は、高エネルギー電子を使用したこれまでにない高出力の電磁放射をもたらしました。これは、海軍が提案した船上防衛への自由電子レーザー技術の適用を含む、セキュリティおよび防衛の用途に直接関心があります。