Cum funcționează acceleratoarele de particule
Fie că este vorba de cercetare medicală sau științifică, de dezvoltarea produselor de consum sau de securitate națională, acceleratoarele de particule ating aproape fiecare parte a vieții noastre de zi cu zi. Încă din primele zile ale tubului catodic din anii 1890, acceleratoarele de particule au adus contribuții importante la inovația științifică și tehnologică. Astăzi, există mai mult de 30.000 de acceleratoare de particule în funcțiune în întreaga lume.
Ce este un accelerator de particule?
Un accelerator de particule este o mașină care accelerează particulele elementare, cum ar fi electronii sau protoni, la energii foarte mari. La nivel de bază, acceleratoarele de particule produc fascicule de particule încărcate care pot fi utilizate pentru o varietate de scopuri de cercetare. Există două tipuri de bază de acceleratoare de particule: acceleratoare liniare și acceleratoare circulare. Acceleratoarele liniare propulsează particulele de-a lungul unei linii liniare sau drepte. Acceleratoarele circulare propulsează particulele în jurul unei piste circulare. Acceleratoarele liniare sunt utilizate pentru experimentele cu țintă fixă, în timp ce acceleratoarele circulare pot fi utilizate atât pentru experimentele cu fascicul de coliziune, cât și pentru experimentele cu țintă fixă.
Cum funcționează un accelerator de particule?
Acceleratoarele de particule utilizează electric câmpuri pentru a accelera și a crește energia unui fascicul de particule, care sunt direcționate și focalizate de câmpuri magnetice. Sursa de particule furnizează particule, cum ar fi protoni sau electroni, care urmează să fie accelerate. Fasciculul de particule se deplasează în interiorul unui vid în conducta fasciculului metalic. Vidul este crucial pentru menținerea unui mediu liber de aer și praf pentru ca fasciculul de particule să circule neobstrucționat. Electromagnetii direcționează și focalizează fasciculul de particule în timp ce acesta se deplasează prin tubul de vid.
Câmpurile electrice distanțate în jurul acceleratorului trec de la pozitiv la negativ la o anumită frecvență, creând unde radio care accelerează particulele din ciorchini. Particulele pot fi direcționate către o țintă fixă, cum ar fi o bucată subțire de folie de metal, sau două grinzi de particule pot fi ciocnite. Detectoarele de particule înregistrează și dezvăluie particulele și radiațiile produse de coliziunea dintre un fascicul de particule și țintă.
Cum au contribuit acceleratorii la știința de bază?
Acceleratorii de particule sunt esențiali instrumente de descoperire pentru fizica particulelor și nucleare și pentru științele care utilizează raze X și neutroni, un tip de particule subatomice neutre.
Fizica particulelor, numită și fizică cu energie ridicată, pune întrebări de bază despre univers. Având ca acceleratoare de particule instrumentele lor științifice principale, fizicienii de particule au obținut o înțelegere profundă a particulelor fundamentale și a legilor fizice care guvernează materia, energia, spațiul și timpul.
În ultimele patru decenii, sursele de lumină – acceleratoarele care produc fotoni, particula subatomică responsabilă de radiațiile electromagnetice – și științele care le folosesc au făcut progrese dramatice care au traversat multe domenii de cercetare. Astăzi, există acum aproximativ 10.000 de oameni de știință în Statele Unite care folosesc fascicule de raze X pentru cercetarea în fizică și chimie, biologie și medicină, științele Pământului și multe alte aspecte ale științei și dezvoltării materialelor.
acceleratoarele de particule au îmbunătățit produsele de consum?
La nivel mondial, sute de procese industriale folosesc acceleratoare de particule – de la fabricarea cipurilor de computer până la reticularea plasticului pentru folie termocontractabilă și nu numai.
Aplicațiile cu fascicul de electroni se axează pe modificarea proprietăților materialului, cum ar fi modificarea materialelor plastice, pentru tratarea suprafeței și pentru distrugerea agenților patogeni în sterilizarea medicală și iradierea alimentelor. Acceleratoarele cu fascicul de ioni, care accelerează particulele mai grele, își găsesc o utilizare extinsă în industria semiconductoarelor la fabricarea cipurilor și la întărirea suprafețelor materialelor, cum ar fi cele utilizate în îmbinările artificiale.
Cum sunt utilizate acceleratoarele de particule în aplicații medicale? ?
Zeci de milioane de pacienți primesc în fiecare an diagnostice și terapie acceleratoare în spitale și clinici din întreaga lume. Există două roluri principale pentru acceleratorii de particule în aplicații medicale: producerea de radioizotopi pentru diagnostic și terapie medicală și ca surse de fascicule de electroni, protoni și particule încărcate mai grele pentru tratament medical.
Gama largă de timpii de înjumătățire radioizotopici și tipurile lor diferite de radiații permit optimizarea pentru aplicații specifice. Izotopii care emit raze X, raze gamma sau pozitroni pot servi drept sonde de diagnostic, cu instrumente situate în afara pacientului pentru a distribui imaginea radiației și, astfel, structurile biologice și mișcarea sau constricția fluidelor (fluxul sanguin, de exemplu). Emitenții de raze beta (electroni) și particule alfa (nuclei de heliu) își depun cea mai mare parte a energiei aproape de locul nucleului emitent și servesc drept agenți terapeutici pentru distrugerea țesutului canceros.
Radioterapia prin fascicule externe sa dezvoltat într-o metodă extrem de eficientă pentru tratarea pacienților cu cancer. Marea majoritate a acestor iradieri sunt acum efectuate cu acceleratoare liniare cu microunde care produc fascicule de electroni și raze X. Tehnologia acceleratorului, diagnosticarea și evoluția tehnicii de tratament din ultimii 50 de ani au îmbunătățit dramatic rezultatele clinice. Astăzi, 30 de protoni și trei centre de tratament cu fascicul de ioni de carbon sunt în funcțiune în întreaga lume, cu multe centre noi pe drum.
Laboratoarele naționale ale Departamentului Energiei au jucat un rol crucial în dezvoltarea timpurie a acestora. Laboratorul Național Los Alamos a contribuit la dezvoltarea acceleratoarelor liniare pentru electroni, acum caii de lucru ai terapiei cu fascicul extern. Oak Ridge și Laboratoarele Naționale Brookhaven au contribuit cu o mare parte din expertiza prezentă în izotopi pentru diagnostic și terapie. Laboratorul Național Lawrence Berkeley a fost pionierul utilizării protonilor , particule alfa (nuclei de heliu) și alți ioni ușori pentru terapie și radiobiologie.
Cum au beneficiat acceleratoarele de particule securitatea națională?
Acceleratoarele de particule joacă un rol important în securitatea națională, inclusiv în marfă inspecție, administrarea stocurilor și caracterizarea materialelor.
Aplicațiile timpurii ale acceleratoarelor pentru inspectarea combustibililor nucleari au folosit acceleratori lineari de electroni comerciali cu energie scăzută pentru a induce reacții de foto-fisiune. Aceste tehnologii de inspecție s-au extins la investigarea tamburului de deșeuri în anii 1980 și, în cele din urmă, la inspecții de marfă. Invenția laserului cu electroni liberi în anii 1970 a condus la radiații electromagnetice de putere tot mai mare folosind electroni cu energie ridicată, de interes direct pentru aplicațiile de securitate și apărare, inclusiv aplicarea propusă de Marina pentru tehnologia laserului cu electroni liberi la apărarea la bord.