Jak działają akceleratory cząstek

Niezależnie od tego, czy są to badania medyczne lub naukowe, rozwój produktów konsumenckich czy bezpieczeństwo narodowe, akceleratory cząstek dotykają prawie każdej części naszego codziennego życia. Od początku istnienia lampy elektronopromieniowej w latach 90. XIX wieku akceleratory cząstek w istotny sposób przyczyniły się do innowacji naukowych i technologicznych. Obecnie na całym świecie działa ponad 30 000 akceleratorów cząstek.

Co to jest akcelerator cząstek?

Akcelerator cząstek to maszyna, która przyspiesza cząstki elementarne, takie jak elektrony lub protony, do bardzo wysokich energii. Na podstawowym poziomie akceleratory cząstek wytwarzają wiązki naładowanych cząstek, które można wykorzystać do różnych celów badawczych. Istnieją dwa podstawowe typy akceleratorów cząstek: akceleratory liniowe i akceleratory kołowe. Akceleratory liniowe wprawiają cząstki wzdłuż liniowej lub prostej wiązki. Akceleratory kołowe wprawiają cząstki w ruch po torze kołowym. Akceleratory liniowe są używane w eksperymentach ze stałym celem, natomiast akceleratory kołowe mogą być używane zarówno w eksperymentach ze zderzającą się wiązką, jak i ze stałym celem.

Jak działa akcelerator cząstek?

Akceleratory cząstek wykorzystują energię elektryczną pola przyspieszające i zwiększające energię wiązki cząstek, które są kierowane i skupiane przez pola magnetyczne. Źródło cząstek dostarcza cząstek, takich jak protony lub elektrony, które mają zostać przyspieszone. Wiązka cząstek przemieszcza się w próżni w metalowej rurze belki. Próżnia ma kluczowe znaczenie dla utrzymania środowiska wolnego od powietrza i pyłu, aby wiązka cząstek mogła podróżować bez przeszkód. Elektromagnesy sterują i skupiają wiązkę cząstek, gdy przemieszcza się ona przez rurę próżniową.

Pola elektryczne rozmieszczone wokół akceleratora zmieniają się z dodatnich na ujemne przy danej częstotliwości, tworząc fale radiowe, które przyspieszają cząstki w pęczkach. Cząstki mogą być skierowane na nieruchomy cel, taki jak cienki kawałek metalowej folii, lub dwie wiązki cząstek mogą zostać zderzone. Detektory cząstek rejestrują i ujawniają cząstki i promieniowanie powstające w wyniku zderzenia wiązki cząstek z celem.

W jaki sposób akceleratory przyczyniły się do rozwoju podstaw nauki?

Akceleratory cząstek są niezbędne narzędzia odkrywcze dla fizyki cząstek i fizyki jądrowej oraz dla nauk, które wykorzystują promienie rentgenowskie i neutrony, rodzaj neutralnych cząstek subatomowych.

Fizyka cząstek, zwana także fizyką wysokich energii, stawia podstawowe pytania o wszechświat. Z akceleratorami cząstek jako podstawowym narzędziem naukowym, fizycy cząstek osiągnęli dogłębne zrozumienie podstawowych cząstek i praw fizycznych, które rządzą materią, energią, przestrzenią i czasem.

W ciągu ostatnich czterech dekad źródła światła – Akceleratory wytwarzające fotony, cząstkę subatomową odpowiedzialną za promieniowanie elektromagnetyczne – oraz nauki, które je wykorzystują, dokonały dramatycznych postępów w wielu dziedzinach badań. Obecnie w Stanach Zjednoczonych jest obecnie około 10 000 naukowców korzystających z wiązek rentgenowskich w badaniach z zakresu fizyki i chemii, biologii i medycyny, nauk o Ziemi oraz wielu innych aspektów materiałoznawstwa i rozwoju.

Jak akceleratory cząstek ulepszyły produkty konsumenckie?

Na całym świecie setki procesów przemysłowych wykorzystuje akceleratory cząstek – od produkcji chipów komputerowych po sieciowanie plastiku do folii termokurczliwej i nie tylko.

Zastosowania wiązki elektronów koncentrują się na modyfikacji właściwości materiałów, takich jak przeróbka tworzyw sztucznych, obróbka powierzchni oraz niszczenie patogenów podczas sterylizacji medycznej i napromieniania żywności. Akceleratory wiązki jonów, które przyspieszają cięższe cząstki, znajdują szerokie zastosowanie w przemyśle półprzewodników do produkcji chipów i utwardzania powierzchni materiałów, takich jak te używane w sztucznych połączeniach.

W jaki sposób akceleratory cząstek są wykorzystywane w zastosowaniach medycznych ?

Każdego roku dziesiątki milionów pacjentów otrzymuje diagnozy i terapię opartą na akceleratorze w szpitalach i klinikach na całym świecie. Akceleratory cząstek pełnią dwie główne role w zastosowaniach medycznych: wytwarzanie radioizotopów do diagnostyki i terapii medycznej oraz jako źródła wiązek elektronów, protonów i cięższych cząstek naładowanych do celów medycznych.

Szeroki zakres okresy półtrwania radioizotopów i ich różne typy promieniowania pozwalają na optymalizację pod kątem określonych zastosowań. Izotopy emitujące promieniowanie rentgenowskie, promieniowanie gamma lub pozytrony mogą służyć jako sondy diagnostyczne, z instrumentami umieszczonymi na zewnątrz pacjenta do obrazowania rozkładu promieniowania, a tym samym struktur biologicznych oraz ruchu płynu lub zwężenia (na przykład przepływu krwi). Emitery promieni beta (elektronów) i cząsteczek alfa (jądra helu) odkładają większość swojej energii blisko miejsca emitującego jądro i służą jako środki terapeutyczne do niszczenia tkanki nowotworowej.

Radioterapia za pomocą zewnętrznych wiązek stała się bardzo skuteczną metodą leczenia pacjentów z rakiem. Zdecydowana większość tych napromieniowań jest obecnie wykonywana za pomocą mikrofalowych akceleratorów liniowych wytwarzających wiązki elektronów i promieniowanie rentgenowskie. Rozwój technologii akceleratorów, diagnostyki i technik leczenia w ciągu ostatnich 50 lat radykalnie poprawił wyniki kliniczne. Obecnie na całym świecie działa 30 ośrodków obróbki protonów i trzy centra obróbki wiązką jonów węgla, a wiele nowych jest w przygotowaniu.

Laboratoria krajowe Departamentu Energii odegrały kluczową rolę we wczesnym ich opracowaniu technologie. Los Alamos National Laboratory pomogło w opracowaniu akceleratorów liniowych dla elektronów, obecnie będących wozami roboczymi terapii wiązkami zewnętrznymi. Oak Ridge i Brookhaven National Laboratories wniosły znaczną część obecnego doświadczenia w zakresie izotopów do diagnostyki i terapii. Lawrence Berkeley National Laboratory jest pionierem w stosowaniu protonów , cząsteczki alfa (jądra helu) i inne lekkie jony w terapii i radiobiologii.

W jaki sposób akceleratory cząstek przyniosły korzyści dla bezpieczeństwa narodowego?

Akceleratory cząstek odgrywają ważną rolę w bezpieczeństwie narodowym, w tym ładunku inspekcja, zarządzanie zapasami i charakterystyka materiałów.

Wczesne zastosowania akceleratorów do kontroli paliw jądrowych wykorzystywały komercyjne niskoenergetyczne liniowe akceleratory elektronów do indukowania reakcje foto-rozszczepienia. Te technologie inspekcji zostały rozszerzone na badania bębnów na odpady w latach 80., a ostatecznie na kontrole ładunku. Wynalazek lasera na swobodnych elektronach w latach siedemdziesiątych XX wieku doprowadził do promieniowania elektromagnetycznego o coraz większej mocy, wykorzystującego elektrony o wysokiej energii, które jest bezpośrednio interesujące dla zastosowań związanych z bezpieczeństwem i obronnością, w tym proponowanym przez marynarkę wojenną zastosowaniem technologii lasera na swobodnych elektronach w obronie statku. / p>