粒子加速器

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简介

粒子加速器帮助加速构成粒子，例如质子或电子，使其达到非常高的速度。1930年，欧内斯特·劳伦斯在加州大学制造了第一台粒子加速器。

许多科学家利用粒子加速器来了解宇宙的起源，并研究人们周围的亚原子世界结构。粒子加速器帮助科学家推进环境清理、医学等领域的研究工作。粒子加速器极其有益，有助于不同领域的进步。

在欧洲核子研究组织（CERN），一项粒子物理实验启动，在此过程中开发了万维网（WWW）、数据处理和机器人技术。粒子加速器有助于发展技术，并制造新一代紧凑型加速器，其应用范围从安全到癌症治疗。

什么是粒子加速器？

粒子加速器在国家安全中发挥着至关重要的作用，包括储备管理、材料表征和货物检查。

粒子加速器是粒子物理和核物理发现的重要工具，利用中子和X射线，这是一种中性亚原子粒子。粒子加速器影响了日常生活的方方面面。粒子加速器中的束流粒子由电子或质子以及亚原子带电粒子组成。

图1：升级后的粒子加速器

• 迄今为止，世界上最大的粒子加速器名为“大型强子对撞机（LHD）”。这款粒子加速器的运行能量大约是之前机器的7倍。
• 粒子加速器早期应用于核燃料研究，利用低能电子在商业上诱导光裂变反应。在环形粒子加速器中，粒子通常会反复地穿过圆形管道。

粒子加速器的分类

“粒子加速器”主要包括两种类型，即“电动加速器”和“静电加速器”。

电动加速器

电动加速器的机制涉及电子放电以实现高电压。动态场的结合有助于将粒子加速到非常高的速度和能量（Kutsaev，2021）。电磁能量的加速是通过利用动态场来实现的。电动粒子加速器主要分为两种类型：线性加速器和环形加速器。电动“粒子加速器”的一些实例包括“磁感应加速器”、“betatron”、“线性加速器”和“回旋加速器”。在电动加速器中，输出能量不受加速场功率的限制，因为粒子会多次穿过相同的加速场。

静电加速器

这种类型的加速器利用静电场来加速粒子。静电粒子加速器被认为是一种粒子加速器，其中带电粒子通过高静电压处理加速到高能量。静电加速器产生的粒子的最大能量受到机器所能达到的电压增量的限制（Emma 等人，2018）。与振荡场机器相比，静电加速器具有以下优势：更高的束流电流、更低的成本以及产生恒定束流的能力。这种类型加速器的可行实例是“阴极射线管”。

粒子加速器的用途

粒子加速器用于制造放射性材料，方法是将带电粒子撞击原子结构，将其转化为不稳定且不同的原子。粒子加速器中放射性材料的生产用于研究、机器和其他应用。粒子加速器用于扫描容器内部，并帮助识别危险武器（Othman 等人，2020）。粒子加速器用于处理废水、医疗设备的灭菌、制造新材料和监测污染。在医学方面，加速的粒子用于治疗癌症和杀死癌细胞。

粒子加速器的应用

粒子加速器在日常生活中似乎非常有用，物理学家利用加速器来制造基本束流粒子，例如反质子、正电子、电子和质子。大约80%到85%的粒子加速器主要用于离子注入和放射治疗。其余部分用于生物医学、低能、高能研究和工业加工。

• 离子注入用于生产半导体，是粒子加速器在工业中最重要和最常见的应用之一。该过程允许在所需的深度以特定类型引入离子，以适当的方式掺杂半导体颗粒，并实现电路所需的图案（Kain 等人，2020）。粒子加速器取代了以前使用的传统离子扩散。粒子加速器允许复制和精确生产所有最新的紧凑型微电路。

图2：离子注入

• 粒子加速器用于同位素的形成和在核物理中的应用。“凝聚态”原子核的裸核束用于研究在非常高的密度和温度下原子核的相互作用、性质和结构（能源，2022）。核物理学家利用此过程来重建代表宇宙起源可靠性的模型。
• 粒子加速器对于辐射灭菌非常有效，具有巨大的经济潜力。它允许忽略食品保存的化学活动。辐射的重要应用之一是对加工食品的填充物进行灭菌，然后可以将其在室温下存放数月（Fedyanin 等人，2022）。辐射还用于保护仓库中的作物免受昆虫侵害。

图3：粒子加速器

• 大型离子加速器用于通过粒子加速器的帮助在薄膜材料中产生微孔膜。粒子加速器的主要应用是多孔基材的过滤器，以及食品工业中用于微生物或培养细胞进行医学研究或生物学研究。

结论

粒子加速器的结构使得它们能够驱动粒子穿过“电磁场”。除了普通研究之外，从健康到安全，从工业到能源供应，还有许多领域受到加速器相关技术的影响，并以积极的方式影响着每个人的生活。粒子加速器正变得越来越成为望远镜的补充。天体物理学问题可以通过粒子加速器得到很大程度的解决。物理学家用来探测固态物质的性质和结构的主要工具是由核反应堆产生的中子和传统来源产生的X射线。

常见问题

Q1. 粒子加速器中粒子的速度是多少？

粒子加速器可以旋转非常轻和小的带电粒子。在开发的和最新的粒子加速器中，粒子的速度增加到接近光速。

Q2. 世界上最大的“粒子加速器”位于哪里？

LHD（大型强子对撞机）被称为全球最大的粒子加速器。这款粒子加速器位于瑞士的欧洲粒子物理实验室。

Q3. 人类在粒子加速器中会发生什么？

光束可能会从人体中的原子中反射出来，使光束扩散。尽管能量进入人体，但人体中的大部分能量可能会沉积在其他地方。

Q4. 如果人类被困在粒子加速器中会发生什么？

许多研究科学家声称预计人体会死亡。人们认为过量的致命剂量的辐射对人体健康有害。

Q5. 如果粒子加速器的爆炸反射会发生什么？

尽管速度和数量很大，但也不可能发生爆炸。当粒子加速器碰撞时，能量进入粒子，然后下降到探测器上。

参考文献

期刊

Emma, C., Edelen, A., Hogan, M. J., O’Shea, B., White, G., & Yakimenko, V. (2018)。基于机器学习的粒子加速器纵向相空间预测。物理评论加速器和束，21(11)，112802。检索自：https://journals.aps.org

Fedyanin, V. V., Vavilov, I. S., Yachmenev, P. S., Zharikov, K. I., & Lukyanchik, A. I. (2022, 3月)。加速器双间隙离子推进器的离子束速度测定。在物理学杂志：会议系列（第 2182 卷，第 1 期，第 012051 页）。IOP 出版社。检索自：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2182/1/012051/meta

Kain，V.，Hirlander，S.，Goddard，B.，Velotti，F. M.，Della Porta，G. Z.，Bruchon，N. 和 Valentino，G. (2020)。用于 CERN 加速器控制的样本高效强化学习。物理评论加速器与束，23(12)，124801。检索自：https://journals.aps.org/prab/abstract/10.1103/PhysRevAccelBeams.23.124801

Kutsaev，S. V. (2021)。应用粒子加速器的先进技术及其应用实例。技术物理，66(2)，161-195。检索自：https://link.springer.com/article/10.1134/S1063784221020158

Othman，M. A.，Picard，J.，Schaub，S.，Dolgashev，V. A.，Lewis，S. M.，Neilson，J.，…和 Nanni，E. A. (2020)。外部驱动毫米波粒子加速器结构的实验演示。应用物理快报，117(7)，073502。检索自：https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/5.0011397

网站

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