Hvordan partikkelakseleratorer fungerer
Enten det er medisinsk eller vitenskapelig forskning, utvikling av forbrukerprodukter eller nasjonal sikkerhet, berører partikkelakseleratorer nesten alle deler av vårt daglige liv. Siden de første dagene av katodestrålerøret på 1890-tallet har partikkelakseleratorer gitt viktige bidrag til vitenskapelig og teknologisk innovasjon. I dag er det mer enn 30 000 partikkelakseleratorer i drift over hele verden.
Hva er en partikkelakselerator?
En partikkelakselerator er en maskin som akselererer elementære partikler, for eksempel elektroner eller protoner, til veldig høye energier. På grunnleggende nivå produserer partikkelakseleratorer stråler av ladede partikler som kan brukes til en rekke forskningsformål. Det er to grunnleggende typer partikkelakseleratorer: lineære akseleratorer og sirkulære akseleratorer. Lineære akseleratorer driver partikler langs en lineær, eller rett, bjelkelinje. Sirkulære akseleratorer driver partikler rundt et sirkulært spor. Lineære akseleratorer brukes til faste måleksperimenter, mens sirkulære akseleratorer kan brukes til både kolliderende bjelke- og faste måleksperimenter.
Hvordan fungerer en partikkelakselerator?
Partikkelakseleratorer bruker elektrisk felt for å øke hastigheten og øke energien til en stråle av partikler, som styres og fokuseres av magnetfelt. Partikkelkilden tilveiebringer partiklene, slik som protoner eller elektroner, som skal akselereres. Partikkelstrålen beveger seg inne i et vakuum i metallstrålerøret. Vakuumet er avgjørende for å opprettholde et luft- og støvfritt miljø for at partiklene kan bevege seg uhindret. Elektromagneter styrer og fokuserer strålen av partikler mens den beveger seg gjennom vakuumrøret.
Elektriske felt fordelt rundt gasspedalen bytter fra positiv til negativ ved en gitt frekvens, og skaper radiobølger som akselererer partikler i bunter. Partikler kan rettes mot et fast mål, slik som et tynt stykke metallfolie, eller to bjelker av partikler kan kollideres. Partikkeldetektorer registrerer og avslører partiklene og strålingen som produseres av kollisjonen mellom en stråle av partikler og målet.
Hvordan har akseleratorer bidratt til grunnleggende vitenskap?
Partikkelakseleratorer er essensielle. oppdagelsesverktøy for partikkel- og kjernefysikk og for vitenskap som bruker røntgen og nøytroner, en type nøytral subatomær partikkel.
Partikkelfysikk, også kalt høyenergifysikk, stiller grunnleggende spørsmål om universet. Med partikkelakseleratorer som deres viktigste vitenskapelige verktøy, har partikkelfysikere oppnådd en dyp forståelse av de grunnleggende partiklene og fysiske lovene som styrer materie, energi, rom og tid.
I løpet av de siste fire tiårene har lyskilder – akseleratorer som produserer fotoner, den subatomære partikkelen som er ansvarlig for elektromagnetisk stråling – og vitenskapene som bruker dem, har gjort dramatiske fremskritt som skjærer over mange forskningsfelt. I dag er det nå rundt 10.000 forskere i USA som bruker røntgenstråler for forskning innen fysikk og kjemi, biologi og medisin, geovitenskap og mange flere aspekter innen materialvitenskap og utvikling.
Hvordan har partikkelakseleratorer forbedret forbrukerprodukter?
Over hele verden bruker hundrevis av industrielle prosesser partikkelakseleratorer – fra produksjon av datamaskinbrikker til tverrbinding av plast for krympepakning og videre.
Elektronstråleapplikasjoner sentrerer seg om endring av materialegenskaper, som forandring av plast, for overflatebehandling og for ødeleggelse av patogener ved medisinsk sterilisering og matbestråling. Ion-bjelkeakseleratorer, som akselererer tyngre partikler, finner utstrakt bruk i halvlederindustrien i chipproduksjon og i herding av overflatene til materialer som de som brukes i kunstige ledd. ?
Titalls millioner pasienter får akseleratorbasert diagnose og terapi hvert år på sykehus og klinikker over hele verden. Det er to hovedroller for partikkelakseleratorer i medisinske applikasjoner: produksjon av radioisotoper for medisinsk diagnose og terapi, og som kilder til stråler av elektroner, protoner og tyngre ladede partikler for medisinsk behandling.
Det brede spekteret av halveringstider for radioisotoper og deres forskjellige strålingstyper tillater optimalisering for spesifikke applikasjoner. Isotoper som avgir røntgenstråler, gammastråler eller positroner kan tjene som diagnostiske sonder, med instrumenter plassert utenfor pasienten for å distribuere bildestråling og dermed de biologiske strukturer og væskebevegelse eller innsnevring (for eksempel blodstrøm). Utsendere av betastråler (elektroner) og alfapartikler (heliumkjerner) deponerer mesteparten av energien nær stedet for den emitterende kjernen og fungerer som terapeutiske midler for å ødelegge kreftvev.
Strålebehandling av eksterne bjelker har utviklet seg til å være en svært effektiv metode for behandling av kreftpasienter. De aller fleste av disse bestrålinger utføres nå med mikrobølgeovn lineære akseleratorer som produserer elektronstråler og røntgenstråler. Akseleratorteknologi, diagnostikk og behandlingsteknikkutvikling de siste 50 årene har dramatisk forbedret kliniske resultater. I dag er 30 proton- og tre karbonionstrålebehandlingssentre i drift over hele verden, med mange nye sentre på vei.
Energidepartementets National Labs spilte en avgjørende rolle i den tidlige utviklingen av disse Los Alamos National Laboratory bidro til å utvikle lineære akseleratorer for elektroner, nå arbeidshestene til ekstern strålebehandling. Oak Ridge og Brookhaven National Laboratories bidro med mye av den nåværende ekspertisen innen isotoper for diagnose og terapi. Lawrence Berkeley National Laboratory var banebrytende for bruken av protoner. , alfapartikler (heliumkjerner) og andre lysioner for terapi og radiobiologi.
Hvordan har partikkelakseleratorer vært til fordel for nasjonal sikkerhet?
Partikkelakseleratorer spiller en viktig rolle i nasjonal sikkerhet, inkludert last inspeksjon, lagerforvaltning og materialkarakterisering.
Tidlige anvendelser av akseleratorer for å inspisere kjernebrensel brukte kommersielle lavenergi elektronlinjeakseleratorer for å indusere foto-fisjon reaksjoner. Disse inspeksjonsteknologiene utvidet seg til etterforskning av avfallstrommel på 1980-tallet og til slutt til lastekontroll. Oppfinnelsen av den frie elektronlaseren på 1970-tallet førte til stadig sterkere elektromagnetisk stråling ved bruk av høyenergielektroner, av direkte interesse for sikkerhets- og forsvarsapplikasjoner, inkludert Marinens foreslåtte anvendelse av frielektronlaserteknologi til forsvar om bord. / p>