全世界有超过3万个粒子加速器在运行 它们是如何运作的?

无论是医学或科学研究，粒子加速器几乎触及我们日常生活的每一个方面。自19世纪90年代阴极射线管早期以来，粒子加速器为科技创新做出了重要贡献。今天，全世界有超过30,000个粒子加速器在运行。

什么是粒子加速器?

粒子加速器是一种将基本粒子(如电子或质子)加速到非常高能量的机器。在基本层面上，粒子加速器产生带电粒子束，可用于各种研究目的。粒子加速器有两种基本类型：线性加速器和圆形加速器。线性加速器沿着线性或直线束线推动粒子。圆形加速器推动圆形轨道周围的颗粒。线性加速器用于固定目标实验，而圆形加速器可用于碰撞梁和固定目标实验。

粒子加速器如何运作?

粒子加速器使用电场来加速和增加粒子束的能量，粒子被磁场控制和聚焦。粒子源提供要加速的粒子，例如质子或电子。粒子束在金属梁管中的真空内行进。真空对于保持空气和无尘环境以使粒子束无阻碍地行进至关重要。当电磁铁穿过真空管时，电磁铁转向并聚焦粒子束。

在加速器周围间隔开的电场在给定频率下从正切换到负，产生无线电波，加速束中的粒子。颗粒可以被引导到固定的目标，例如薄的金属箔，或者两个颗粒束可以相撞。粒子探测器记录并揭示粒子束与目标之间碰撞产生的粒子和辐射。

粒子加速器在医疗领域的应用

每年有数千万患者在世界各地的医院和诊所接受基于加速器的诊断和治疗。粒子加速器在医学应用中有两个主要作用：用于医学诊断和治疗的放射性同位素的产生，以及用于医学治疗的电子束，质子和较重的带电粒子的来源。

放射性同位素的广泛半衰期及其不同的辐射类型允许针对特定应用进行优化。发射X射线，伽马射线或正电子的同位素可以用作诊断探针，仪器位于患者体外以对成像辐射分布进行成像，从而生物结构和流体运动或收缩(例如血流)。β射线(电子)和α粒子(氦核)的发射体将大部分能量沉积在靠近发射核的位置，并用作破坏癌组织的治疗剂。

外照射放射治疗已成为治疗癌症患者的一种非常有效的方法。现在绝大多数这些辐照都是用产生电子束和X射线的微波线性加速器进行的。过去50年来，加速器技术，诊断和治疗技术的发展极大地改善了临床结果。今天，全球有30个质子和三个碳离子束治疗中心在运作，许多新的中心正在运转。

能源部的国家实验室在这些技术的早期开发中发挥了至关重要的作用。洛斯阿拉莫斯国家实验室帮助开发了电子线性加速器，现在是外部束疗法的主力。Oak Ridge和Brookhaven国家实验室为同位素诊断和治疗提供了大量现有的专业知识。劳伦斯伯克利国家实验室率先使用质子，α粒子(氦原子核)和其他轻离子进行治疗和放射生物学。