Ускорители частиц — что это такое?

Ускорители — специальные машины, предназначенные для ускорения элементарных частиц. Такого рода оборудование играют ключевую роль в различных секторах жизнедеятельности человека, включая науку, производство продуктов, здравоохранение, а также безопасность. Эти машины сегодня задействованы более чем в 30 000 операций. Техника помогла человеку глубоко сформировать понимание физики элементарных частиц и ядерной физики. Фактически подобные системы стали неотъемлемой частью многочисленных промышленных процессов, медицинских процедур и прочих операций.

Ускорители частиц краткое представление

Первыми системами такого типа отметились электронно-лучевые трубки, которые были разработаны ещё в 1890-х годах. На текущий момент по всему миру работают более 30 000 ускорителей частиц. Как правило, речь идёт об ускорении элементарных частиц — электронов или протонов, до уровня беспрецедентно высоких энергий.

На базовом уровне ускорителями генерируют пучки заряженных частиц, впоследствии применяемые под разные исследовательские задачи. Существует два типа ускорительных систем:

1. Линейные.
2. Круговые.

Линейные системы, соответственно, обеспечивают прямолинейное направление луча. Круговые системы, соответственно, перемещают частицы круговым направлением. Линейные машины традиционно применяют для экспериментов с фиксированной мишенью, тогда как круговые машины применимы для экспериментов встречным пучком и фиксированной мишени.

Как работает ускоритель частиц?

Здесь используют электрические поля, чтобы достичь нужного ускорения и увеличения энергии пучка частиц. Соответственно, направление потока и фокусировка осуществляются магнитными полями. Источник частиц даёт протоны или электроны, подвергающиеся ускорению. Рабочий поток движется в условиях вакуума, внутри металлической балочной трубы.

Вакуумная среда здесь имеет решающее значение для поддержания среды без воздуха и пыли. Тем самым обеспечивается беспрепятственное перемещение пучка электронов и протонов. Электромагнитами выполняется функция направления и фокусировки пучка электронов и протонов в момент прохождения через вакуумную трубку.

Электрические поля, между тем, переключаются с положительного на отрицательное значение при заданной частоте. Так создаются радиоволны, ускоряющие электроны и протоны в сгустках. Поток допустимо направить на фиксированную цель, например, на тонкий кусок металлической фольги. Или же практикуется столкновение двух лучевых потоков. Системными детекторами регистрируется и обнаруживается излучение, образуемое при столкновении с мишенью.

Ускорители и фундаментальные науки

Ускорители частиц выступают необходимым инструментом, при помощи которого достигаются новые открытия в области фундаментальных наук. Физика элементарных частиц (высоких энергий), в частности, помогает раскрыть тайны Вселенной. Используя инструмент, учёным удалось достичь глубокого понимания фундаментальных основ и законов науки физики, а также законов управления:

• материей,
• энергией,
• пространством,
• временем.

Последние четыре десятилетия отметились активными экспериментами с источниками света, представляющими ускорители, производящие фотоны. Это субатомные частицы, ответственные за электромагнитное излучение. Области наук, где это используется, добились значительных успехов, охвативших многие сферы исследований.

Сегодня десятки тысяч учёных мира применяют рентгеновские лучи для исследований в областях:

• физики,
• химии,
• биологии,
• медицины.

Такие системы находят применение во многих промышленных процессах, от производства компьютерных чипов, до сшивки пластика под термоусадочную плёнку. Электронно-лучевые системы сосредоточены на модификации свойств материалов для изменения пластмасс, обработки поверхностей, медицинской стерилизации и стерилизации пищевых продуктов.

Ионно-лучевые системы, ускоряющие более тяжёлые частицы, находят широкое применение в полупроводниковой промышленности при производстве микросхем. Также эта техника используется для упрочнения поверхностей материалов, например, под изготовление искусственных суставов.

Медицинское применение ускорителей

Медицинские учреждения всего мира предоставляют пациентам услуги диагностики и терапии на основе акселераторов. Отмечаются две основные роли ускорителей частиц в медицинских приложениях:

1. Производство радиоизотопов для медицинской диагностики и терапии.
2. Источники пучков электронов, протонов и более тяжёлых заряженных частиц для лечения.

Широкий диапазон периодов полураспада радиоизотопов и различные типы излучения позволяют оптимизировать аппаратуру для конкретных применений. Изотопы, излучающие рентгеновские лучи, гамма-лучи или позитроны, выступают диагностическими зондами. Инструменты, расположенные вне тела пациента, отображают распределение излучения.

Таким образом, исследуются биологические структуры и движение или сужение жидкости (например, кровоток). Излучатели бета-лучей (электроны) и альфа-частицы (ядра гелия) отдают большую часть энергии вблизи места испускания ядра, поэтому могут успешно служить терапевтическими агентами разрушения раковой ткани.

Лучевая терапия внешними лучами рассматривается высокоэффективным методом лечения онкологических больных. Подавляющее большинство такого рода облучений выполняется посредством микроволновых линейных ускорителей, производящих электронные пучки и рентгеновские лучи. Развитие ускорительных технологий, методов диагностики и лечения за последние 50 лет значительно улучшило клинические результаты. Сегодня в мире действуют несколько десятков протонных и три углеродно-ионных лечебных центра. На подходе ещё ряд новых центров.