Hur partikelacceleratorer fungerar
Oavsett om det är medicinsk eller vetenskaplig forskning, konsumentproduktutveckling eller nationell säkerhet, berör partikelacceleratorer nästan alla delar av vårt dagliga liv. Sedan katodstrålerörets början på 1890-talet har partikelacceleratorer gjort viktiga bidrag till vetenskaplig och teknisk innovation. Idag finns det mer än 30 000 partikelacceleratorer i drift runt om i världen.
Vad är en partikelaccelerator?
En partikelaccelerator är en maskin som accelererar elementära partiklar, såsom elektroner eller protoner, till mycket höga energier. På grundnivå producerar partikelacceleratorer strålar av laddade partiklar som kan användas för en mängd olika forskningsändamål. Det finns två grundläggande typer av partikelacceleratorer: linjära acceleratorer och cirkulära acceleratorer. Linjära acceleratorer driver partiklar längs en linjär eller rak balklinje. Cirkulära acceleratorer driver partiklar runt ett cirkulärt spår. Linjära acceleratorer används för experiment med fasta mål, medan cirkulära acceleratorer kan användas för både kolliderande strål- och fastmålsexperiment.
Hur fungerar en partikelaccelerator?
Partikelacceleratorer använder elektriska fält för att påskynda och öka energin hos en stråle av partiklar, som styrs och fokuseras av magnetfält. Partikelkällan tillhandahåller partiklarna, såsom protoner eller elektroner, som ska accelereras. Partikelstrålen rör sig inuti ett vakuum i metallstråleröret. Vakuumet är avgörande för att upprätthålla en luft- och dammfri miljö så att partikelstrålen kan färdas obehindrat. Elektromagneter styr och fokuserar strålen på partiklar medan den färdas genom vakuumröret.
Elektriska fält som är fördelade runt gaspedalen växlar från positivt till negativt vid en given frekvens, vilket skapar radiovågor som accelererar partiklar i buntar. Partiklar kan riktas mot ett fast mål, såsom en tunn bit metallfolie, eller två partiklar kan kollideras. Partikeldetektorer registrerar och avslöjar partiklar och strålning som produceras av kollisionen mellan en stråle av partiklar och målet.
Hur har acceleratorer bidragit till grundläggande vetenskap?
Partikelacceleratorer är väsentliga verktyg för upptäckt för partikel- och kärnfysik och för vetenskap som använder röntgenstrålar och neutroner, en typ av neutral subatomär partikel.
Partikelfysik, även kallad högenergifysik, ställer grundläggande frågor om universum. Med partikelacceleratorer som primära vetenskapliga verktyg har partikelfysiker uppnått en djupgående förståelse för de grundläggande partiklarna och fysiska lagarna som styr materia, energi, rum och tid.
Under de senaste fyra decennierna har ljuskällor – acceleratorer som producerar fotoner, den subatomära partikeln som ansvarar för elektromagnetisk strålning – och vetenskapen som använder dem har gjort dramatiska framsteg som sträcker sig över många forskningsområden. Idag finns det nu cirka 10 000 forskare i USA som använder röntgenstrålar för forskning inom fysik och kemi, biologi och medicin, geovetenskap och många fler aspekter av materialvetenskap och utveckling.
Hur har partikelacceleratorer förbättrade konsumentprodukter?
I hela världen använder hundratals industriella processer partikelacceleratorer – från tillverkning av datorchips till tvärbindning av plast för krympning och därefter.
Elektronstråleapplikationer är inriktade på modifiering av materialegenskaper, såsom förändring av plast, för ytbehandling och för förstörelse av patogener vid medicinsk sterilisering och bestrålning av livsmedel. Jonstråleacceleratorer, som accelererar tyngre partiklar, hittar omfattande användning i halvledarindustrin vid chiptillverkning och vid härdning av ytor på material som de som används i konstgjorda fogar.
Hur används partikelacceleratorer i medicinska tillämpningar ?
Tiotals miljoner patienter får acceleratorbaserade diagnoser och behandling varje år på sjukhus och kliniker runt om i världen. Det finns två huvudroller för partikelacceleratorer i medicinska tillämpningar: produktion av radioisotoper för medicinsk diagnos och terapi, och som källor till elektronstrålar, protoner och tyngre laddade partiklar för medicinsk behandling.
Det breda utbudet av halveringstider för radioisotoper och deras olika strålningstyper möjliggör optimering för specifika applikationer. Isotoper som avger röntgenstrålar, gammastrålar eller positroner kan fungera som diagnostiska sonder, med instrument placerade utanför patienten för att distribuera bildstrålning och därmed de biologiska strukturerna och vätskerörelse eller förträngning (till exempel blodflöde). Utsändare av betastrålar (elektroner) och alfapartiklar (heliumkärnor) deponerar det mesta av sin energi nära platsen för den emitterande kärnan och fungerar som terapeutiska medel för att förstöra cancervävnad.
Strålbehandling med yttre balkar har utvecklats till en mycket effektiv metod för behandling av cancerpatienter. De allra flesta av dessa bestrålningar utförs nu med linjära mikrovågsacceleratorer som producerar elektronstrålar och röntgenstrålar. Acceleratorteknik, diagnostik och behandlingsteknikutveckling under de senaste 50 åren har dramatiskt förbättrat kliniska resultat. I dag är 30 proton- och tre behandlingscentra för koljonstrålar i drift över hela världen, med många nya centra på väg.
Energiavdelningens National Labs spelade en avgörande roll i den tidiga utvecklingen av dessa Los Alamos National Laboratory hjälpte till att utveckla linjära acceleratorer för elektroner, nu arbetshästarna för extern strålterapi. Oak Ridge och Brookhaven National Laboratories bidrog med mycket av den nuvarande expertis inom isotoper för diagnos och terapi. Lawrence Berkeley National Laboratory banade väg för användningen av protoner , alfapartiklar (heliumkärnor) och andra ljusjoner för terapi och radiobiologi.
Hur har partikelacceleratorer gynnat nationell säkerhet?
Partikelacceleratorer spelar en viktig roll i nationell säkerhet, inklusive last inspektion, lagerförvaltning och materialkarakterisering.
Tidiga tillämpningar av acceleratorer för att inspektera kärnbränslen använde kommersiella lågenergielektronlinjeacceleratorer för att inducera foto-fission reaktioner. Dessa inspektionstekniker utvidgades till att undersöka avfallstrummor på 1980-talet och så småningom till lastinspektioner. Uppfinningen av den fria elektronlasern på 1970-talet ledde till ständigt högre effekt med elektromagnetisk strålning med högenergielektroner, av direkt intresse för säkerhets- och försvarsapplikationer, inklusive Marinens föreslagna tillämpning av frielektronlaserteknik för försvar ombord. / p>