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無論是醫(yī)學(xué)或科學(xué)研究，粒子加速器幾乎觸及我們?nèi)粘Ｉ畹拿恳粋€(gè)方面。自19世紀(jì)90年代陰極射線管早期以來，粒子加速器為科技創(chuàng)新做出了重要貢獻(xiàn)。今天，全世界有超過30,000個(gè)粒子加速器在運(yùn)行。

什么是粒子加速器？

粒子加速器是一種將基本粒子（如電子或質(zhì)子）加速到非常高能量的機(jī)器。在基本層面上，粒子加速器產(chǎn)生帶電粒子束，可用于各種研究目的。粒子加速器有兩種基本類型：線性加速器和圓形加速器。線性加速器沿著線性或直線束線推動粒子。圓形加速器推動圓形軌道周圍的顆粒。線性加速器用于固定目標(biāo)實(shí)驗(yàn)，而圓形加速器可用于碰撞梁和固定目標(biāo)實(shí)驗(yàn)。

粒子加速器如何運(yùn)作？

粒子加速器使用電場來加速和增加粒子束的能量，粒子被磁場控制和聚焦。粒子源提供要加速的粒子，例如質(zhì)子或電子。粒子束在金屬梁管中的真空內(nèi)行進(jìn)。真空對于保持空氣和無塵環(huán)境以使粒子束無阻礙地行進(jìn)至關(guān)重要。當(dāng)電磁鐵穿過真空管時(shí)，電磁鐵轉(zhuǎn)向并聚焦粒子束。

在加速器周圍間隔開的電場在給定頻率下從正切換到負(fù)，產(chǎn)生無線電波，加速束中的粒子。顆粒可以被引導(dǎo)到固定的目標(biāo)，例如薄的金屬箔，或者兩個(gè)顆粒束可以相撞。粒子探測器記錄并揭示粒子束與目標(biāo)之間碰撞產(chǎn)生的粒子和輻射。

粒子加速器在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用

每年有數(shù)千萬患者在世界各地的醫(yī)院和診所接受基于加速器的診斷和治療。粒子加速器在醫(yī)學(xué)應(yīng)用中有兩個(gè)主要作用：用于醫(yī)學(xué)診斷和治療的放射性同位素的產(chǎn)生，以及用于醫(yī)學(xué)治療的電子束，質(zhì)子和較重的帶電粒子的來源。

放射性同位素的廣泛半衰期及其不同的輻射類型允許針對特定應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化。發(fā)射X射線，伽馬射線或正電子的同位素可以用作診斷探針，儀器位于患者體外以對成像輻射分布進(jìn)行成像，從而生物結(jié)構(gòu)和流體運(yùn)動或收縮（例如血流）。β射線（電子）和α粒子（氦核）的發(fā)射體將大部分能量沉積在靠近發(fā)射核的位置，并用作破壞癌組織的治療劑。

外照射放射治療已成為治療癌癥患者的一種非常有效的方法。現(xiàn)在絕大多數(shù)這些輻照都是用產(chǎn)生電子束和X射線的微波線性加速器進(jìn)行的。過去50年來，加速器技術(shù)，診斷和治療技術(shù)的發(fā)展極大地改善了臨床結(jié)果。今天，全球有30個(gè)質(zhì)子和三個(gè)碳離子束治療中心在運(yùn)作，許多新的中心正在運(yùn)轉(zhuǎn)。

能源部的國家實(shí)驗(yàn)室在這些技術(shù)的早期開發(fā)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室?guī)椭_發(fā)了電子線性加速器，現(xiàn)在是外部束療法的主力。Oak Ridge和Brookhaven國家實(shí)驗(yàn)室為同位素診斷和治療提供了大量現(xiàn)有的專業(yè)知識。勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室率先使用質(zhì)子，α粒子（氦原子核）和其他輕離子進(jìn)行治療和放射生物學(xué)。

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