Hoe deeltjesversnellers werken
Of het nu gaat om medisch of wetenschappelijk onderzoek, ontwikkeling van consumentenproducten of nationale veiligheid, deeltjesversnellers raken bijna elk onderdeel van ons dagelijks leven. Sinds het begin van de kathodestraalbuis in de jaren 1890 hebben deeltjesversnellers een belangrijke bijdrage geleverd aan wetenschappelijke en technologische innovatie. Tegenwoordig zijn er wereldwijd meer dan 30.000 deeltjesversnellers in gebruik.
Wat is een deeltjesversneller?
Een deeltjesversneller is een machine die elementaire deeltjes versnelt, zoals elektronen of protonen, tot zeer hoge energieën. Op een basisniveau produceren deeltjesversnellers bundels geladen deeltjes die voor verschillende onderzoeksdoeleinden kunnen worden gebruikt. Er zijn twee basistypen deeltjesversnellers: lineaire versnellers en circulaire versnellers. Lineaire versnellers drijven deeltjes langs een lineaire of rechte bundellijn. Circulaire versnellers drijven deeltjes rond een cirkelvormig spoor. Lineaire versnellers worden gebruikt voor experimenten met vaste doelen, terwijl circulaire versnellers kunnen worden gebruikt voor experimenten met zowel botsende bundels als vaste doelen.
Hoe werkt een deeltjesversneller?
Deeltjesversnellers gebruiken elektrische velden om de energie van een bundel deeltjes te versnellen en te vergroten, die worden gestuurd en gefocust door magnetische velden. De deeltjesbron levert de deeltjes, zoals protonen of elektronen, die moeten worden versneld. De deeltjesbundel reist in een vacuüm in de metalen bundelbuis. Het vacuüm is cruciaal voor het handhaven van een lucht- en stofvrije omgeving zodat de deeltjesbundel onbelemmerd kan reizen. Elektromagneten sturen en focusseren de bundel deeltjes terwijl deze door de vacuümbuis reist.
Elektrische velden rond de versneller schakelen van positief naar negatief bij een bepaalde frequentie, waardoor radiogolven ontstaan die deeltjes in bundels versnellen. Deeltjes kunnen worden gericht op een vast doel, zoals een dun stuk metaalfolie, of twee bundels deeltjes kunnen worden gebotst. Deeltjesdetectoren registreren en onthullen de deeltjes en straling die worden geproduceerd door de botsing tussen een bundel deeltjes en het doelwit.
Hoe hebben versnellers bijgedragen aan de basiswetenschap?
Deeltjesversnellers zijn essentieel ontdekkingsinstrumenten voor deeltjes- en kernfysica en voor wetenschappen die röntgenstraling en neutronen gebruiken, een soort neutraal subatomair deeltje.
De deeltjesfysica, ook wel hoge-energiefysica genoemd, stelt basisvragen over het universum. Met deeltjesversnellers als hun primaire wetenschappelijke instrumenten, hebben deeltjesfysici een diepgaand begrip bereikt van de fundamentele deeltjes en fysische wetten die materie, energie, ruimte en tijd beheersen.
In de afgelopen vier decennia hebben lichtbronnen – versnellers die fotonen produceren, het subatomaire deeltje dat verantwoordelijk is voor elektromagnetische straling – en de wetenschappen die ze gebruiken, hebben dramatische vorderingen gemaakt die veel onderzoeksgebieden doorsnijden. Tegenwoordig zijn er nu ongeveer 10.000 wetenschappers in de Verenigde Staten die röntgenstralen gebruiken voor onderzoek in natuurkunde en scheikunde, biologie en geneeskunde, aardwetenschappen en nog veel meer aspecten van materiaalkunde en -ontwikkeling.
Hoe hebben we dit gedaan? deeltjesversnellers verbeterden consumentenproducten?
Wereldwijd gebruiken honderden industriële processen deeltjesversnellers – van de fabricage van computerchips tot het vernetten van plastic voor krimpfolie en nog veel meer.
Elektronenbundeltoepassingen concentreren zich op de wijziging van materiaaleigenschappen, zoals de wijziging van kunststoffen, voor oppervlaktebehandeling en voor vernietiging van pathogenen bij medische sterilisatie en voedselbestraling. Ionenbundelversnellers, die zwaardere deeltjes versnellen, worden op grote schaal gebruikt in de halfgeleiderindustrie bij de fabricage van chips en bij het verharden van de oppervlakken van materialen zoals die worden gebruikt in kunstmatige gewrichten.
Hoe worden deeltjesversnellers gebruikt in medische toepassingen ?
Tientallen miljoenen patiënten krijgen elk jaar op versnellers gebaseerde diagnoses en therapie in ziekenhuizen en klinieken over de hele wereld. Er zijn twee hoofdrollen voor deeltjesversnellers in medische toepassingen: de productie van radio-isotopen voor medische diagnose en therapie, en als bronnen van elektronenbundels, protonen en zwaardere geladen deeltjes voor medische behandeling.
Het brede scala van halveringstijden van radio-isotopen en hun verschillende stralingstypen maken optimalisatie voor specifieke toepassingen mogelijk. Isotopen die röntgenstralen, gammastralen of positronen uitzenden, kunnen dienen als diagnostische sondes, met instrumenten die zich buiten de patiënt bevinden om de stralingsverdeling en dus de biologische structuren en vloeiende beweging of vernauwing (bijvoorbeeld bloedstroom) in beeld te brengen. Emitters van bètastralen (elektronen) en alfadeeltjes (heliumkernen) zetten het grootste deel van hun energie neer nabij de plaats van de emitterende kern en dienen als therapeutische middelen om kankerweefsel te vernietigen.
Stralingstherapie door externe stralen heeft zich ontwikkeld tot een zeer effectieve methode voor de behandeling van kankerpatiënten. De overgrote meerderheid van deze bestralingen wordt nu uitgevoerd met lineaire versnellers met microgolven die elektronenbundels en röntgenstralen produceren. De ontwikkelingen op het gebied van acceleratortechnologie, diagnostiek en behandelingstechniek in de afgelopen 50 jaar hebben de klinische resultaten drastisch verbeterd. Tegenwoordig zijn er wereldwijd 30 protonen- en drie koolstof-ionenbundelbehandelingscentra in bedrijf, en er zijn veel nieuwe centra op komst.
De National Labs van de Energieafdeling speelden een cruciale rol in de vroege ontwikkeling van deze centra. technologieën. Los Alamos National Laboratory hielp bij de ontwikkeling van lineaire versnellers voor elektronen, nu de werkpaarden van externe straaltherapie. Oak Ridge en Brookhaven National Laboratories droegen veel bij aan de huidige expertise op het gebied van isotopen voor diagnose en therapie. Lawrence Berkeley National Laboratory was een pionier in het gebruik van protonen , alfadeeltjes (heliumkernen) en andere lichtionen voor therapie en radiobiologie.
Hoe hebben deeltjesversnellers de nationale veiligheid geprofiteerd?
Deeltjesversnellers spelen een belangrijke rol in de nationale veiligheid, inclusief vracht inspectie, voorraadbeheer en materiaalkarakterisering.
Vroege toepassingen van versnellers om nucleaire brandstoffen te inspecteren, gebruikten commerciële, laag-energetische lineaire elektronenversnellers om fotosplijtingsreacties. Deze inspectietechnologieën breidden zich uit tot onderzoek van afvalvaten in de jaren tachtig en uiteindelijk tot vrachtinspecties. De uitvinding van de vrije-elektronenlaser in de jaren zeventig leidde tot elektromagnetische straling met een steeds hoger vermogen met behulp van hoogenergetische elektronen, die van direct belang zijn voor beveiligings- en defensietoepassingen, waaronder de door de marine voorgestelde toepassing van vrije-elektronenlasertechnologie op de verdediging aan boord. / p>