粒子加速器

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簡介

粒子加速器幫助加速構成粒子，例如質子或電子，使其達到非常高的速度。1930年，歐內斯特·勞倫斯在加州大學制造了第一臺粒子加速器。

許多科學家利用粒子加速器來了解宇宙的起源，並研究人們周圍的亞原子世界結構。粒子加速器幫助科學家推進環境清理、醫學等領域的研究工作。粒子加速器極其有益，有助於不同領域的進步。

在歐洲核子研究組織（CERN），一項粒子物理實驗啟動，在此過程中開發了全球資訊網（WWW）、資料處理和機器人技術。粒子加速器有助於發展技術，並製造新一代緊湊型加速器，其應用範圍從安全到癌症治療。

什麼是粒子加速器？

粒子加速器在國家安全中發揮著至關重要的作用，包括儲備管理、材料表徵和貨物檢查。

粒子加速器是粒子物理和核物理發現的重要工具，利用中子和X射線，這是一種中性亞原子粒子。粒子加速器影響了日常生活的方方面面。粒子加速器中的束流粒子由電子或質子以及亞原子帶電粒子組成。

圖1：升級後的粒子加速器

• 迄今為止，世界上最大的粒子加速器名為“大型強子對撞機（LHD）”。這款粒子加速器的執行能量大約是之前機器的7倍。
• 粒子加速器早期應用於核燃料研究，利用低能電子在商業上誘導光裂變反應。在環形粒子加速器中，粒子通常會反覆地穿過圓形管道。

粒子加速器的分類

“粒子加速器”主要包括兩種型別，即“電動加速器”和“靜電加速器”。

電動加速器

電動加速器的機制涉及電子放電以實現高電壓。動態場的結合有助於將粒子加速到非常高的速度和能量（Kutsaev，2021）。電磁能量的加速是透過利用動態場來實現的。電動粒子加速器主要分為兩種型別：線性加速器和環形加速器。電動“粒子加速器”的一些例項包括“磁感應加速器”、“betatron”、“線性加速器”和“迴旋加速器”。在電動加速器中，輸出能量不受加速場功率的限制，因為粒子會多次穿過相同的加速場。

靜電加速器

這種型別的加速器利用靜電場來加速粒子。靜電粒子加速器被認為是一種粒子加速器，其中帶電粒子透過高靜電壓處理加速到高能量。靜電加速器產生的粒子的最大能量受到機器所能達到的電壓增量的限制（Emma 等人，2018）。與振盪場機器相比，靜電加速器具有以下優勢：更高的束流電流、更低的成本以及產生恆定束流的能力。這種型別加速器的可行例項是“陰極射線管”。

粒子加速器的用途

粒子加速器用於製造放射性材料，方法是將帶電粒子撞擊原子結構，將其轉化為不穩定且不同的原子。粒子加速器中放射性材料的生產用於研究、機器和其他應用。粒子加速器用於掃描容器內部，並幫助識別危險武器（Othman 等人，2020）。粒子加速器用於處理廢水、醫療裝置的滅菌、製造新材料和監測汙染。在醫學方面，加速的粒子用於治療癌症和殺死癌細胞。

粒子加速器的應用

粒子加速器在日常生活中似乎非常有用，物理學家利用加速器來製造基本束流粒子，例如反質子、正電子、電子和質子。大約80%到85%的粒子加速器主要用於離子注入和放射治療。其餘部分用於生物醫學、低能、高能研究和工業加工。

• 離子注入用於生產半導體，是粒子加速器在工業中最重要和最常見的應用之一。該過程允許在所需的深度以特定型別引入離子，以適當的方式摻雜半導體顆粒，並實現電路所需的圖案（Kain 等人，2020）。粒子加速器取代了以前使用的傳統離子擴散。粒子加速器允許複製和精確生產所有最新的緊湊型微電路。

圖2：離子注入

• 粒子加速器用於同位素的形成和在核物理中的應用。“凝聚態”原子核的裸核束用於研究在非常高的密度和溫度下原子核的相互作用、性質和結構（能源，2022）。核物理學家利用此過程來重建代表宇宙起源可靠性的模型。
• 粒子加速器對於輻射滅菌非常有效，具有巨大的經濟潛力。它允許忽略食品儲存的化學活動。輻射的重要應用之一是對加工食品的填充物進行滅菌，然後可以將其在室溫下存放數月（Fedyanin 等人，2022）。輻射還用於保護倉庫中的作物免受昆蟲侵害。

圖3：粒子加速器

• 大型離子加速器用於透過粒子加速器的幫助在薄膜材料中產生微孔膜。粒子加速器的主要應用是多孔基材的過濾器，以及食品工業中用於微生物或培養細胞進行醫學研究或生物學研究。

結論

粒子加速器的結構使得它們能夠驅動粒子穿過“電磁場”。除了普通研究之外，從健康到安全，從工業到能源供應，還有許多領域受到加速器相關技術的影響，並以積極的方式影響著每個人的生活。粒子加速器正變得越來越成為望遠鏡的補充。天體物理學問題可以透過粒子加速器得到很大程度的解決。物理學家用來探測固態物質的性質和結構的主要工具是由核反應堆產生的中子和傳統來源產生的X射線。

常見問題

Q1. 粒子加速器中粒子的速度是多少？

粒子加速器可以旋轉非常輕和小的帶電粒子。在開發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”位於哪裡？

LHD（大型強子對撞機）被稱為全球最大的粒子加速器。這款粒子加速器位於瑞士的歐洲粒子物理實驗室。

Q3. 人類在粒子加速器中會發生什麼？

光束可能會從人體中的原子中反射出來，使光束擴散。儘管能量進入人體，但人體中的大部分能量可能會沉積在其他地方。

Q4. 如果人類被困在粒子加速器中會發生什麼？

許多研究科學家聲稱預計人體會死亡。人們認為過量的致命劑量的輻射對人體健康有害。

Q5. 如果粒子加速器的爆炸反射會發生什麼？

儘管速度和數量很大，但也不可能發生爆炸。當粒子加速器碰撞時，能量進入粒子，然後下降到探測器上。

參考文獻

期刊

Emma, C., Edelen, A., Hogan, M. J., O’Shea, B., White, G., & Yakimenko, V. (2018)。基於機器學習的粒子加速器縱向相空間預測。物理評論加速器和束，21(11)，112802。檢索自：https://journals.aps.org

Fedyanin, V. V., Vavilov, I. S., Yachmenev, P. S., Zharikov, K. I., & Lukyanchik, A. I. (2022, 3月)。加速器雙間隙離子推進器的離子束速度測定。在物理學雜誌：會議系列（第 2182 卷，第 1 期，第 012051 頁）。IOP 出版社。檢索自：https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2182/1/012051/meta

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網站

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