Aplicaciones de los aceleradores de partículas
Los productos producidos por irradiación tienen muchas propiedades excelentes. Por ejemplo, después de una dosis de irradiación de 105 Gy, las propiedades eléctricas y térmicas de los cables de polietileno reticulado irradiados mejoran enormemente. La temperatura de uso antes de la irradiación es de 60~70 ℃, y la temperatura de uso a largo plazo después de la irradiación puede alcanzar más de 120 ℃. En China, más de 200 líneas de producción utilizan aceleradores para el procesamiento de irradiación. Las pruebas no destructivas consisten en examinar el estado interno de materiales, productos o componentes para determinar si existen defectos internos sin dañarlos ni destruirlos. Existen muchos métodos modernos de prueba no destructivos, como pruebas ultrasónicas, pruebas de corrientes parásitas, pruebas de penetrantes fluorescentes y pruebas radiográficas. La inspección por rayos X no sólo puede inspeccionar la superficie de la pieza de trabajo, sino también los defectos dentro de la pieza de trabajo. El equipo puede utilizar rayos gamma producidos por el radioisótopo Co60, rayos X de baja energía producidos por una máquina de rayos X y rayos X de alta energía producidos por un acelerador de electrones. En particular, los aceleradores de detección de fallas tienen altas capacidades de penetración y sensibilidad. Como método de inspección final o método de verificación para otros métodos de detección de fallas, se usa ampliamente en el control de calidad para inspeccionar defectos en grandes piezas soldadas fundidas y forjadas, grandes recipientes a presión, carcasas de presión de reactores, combustible sólido para cohetes y otras piezas de trabajo. El acelerador lineal de electrones es el modelo principal de este acelerador de detección de fallas.
Según los diferentes métodos de recepción y procesamiento de los rayos que atraviesan la pieza de trabajo, los métodos de detección radiográfica se pueden dividir en tres tipos:
1. El método es similar a tomar una radiografía durante nuestro examen físico. El destinatario de la radiografía es la radiografía. Durante la detección de defectos, la caja de película que contiene la película de rayos X se presiona contra la parte posterior de la pieza que se está inspeccionando. Después de irradiar la pieza de trabajo con rayos X, los rayos que pasan a través de la pieza de trabajo intensifican la película y las verdaderas condiciones dentro de la pieza de trabajo se reflejan en el látex de la película. Después de procesar la película fotosensible, podemos saber claramente si la pieza de trabajo tiene defectos y el tipo, ubicación, forma y tamaño de los defectos.
b. Método de obtención de imágenes por radiación
El receptor de radiación de este método es un detector de matriz o una pantalla intensificadora fluorescente. El primero es una serie de productos de inspección de contenedores grandes desarrollados y producidos conjuntamente por la Universidad de Tsinghua y Tsinghua Tongfang. Este último es un sistema de inspección de seguridad por rayos X para equipajes y bultos en aeropuertos y ferrocarriles, y también puede utilizarse para ensayos industriales no destructivos. Este método se combina con un sistema de procesamiento de imágenes para mostrar en línea la situación real dentro del objeto en tiempo real.
C. TC industrial
Similar a los principios de la TC médica, la tecnología de TC es tecnología de tomografía asistida por ordenador. La tecnología CT que utiliza un acelerador como fuente de rayos X es un método de prueba avanzado no destructivo, utilizado principalmente para la detección de grandes motores de cohetes sólidos y piezas de trabajo de precisión. Su resolución de densidad puede alcanzar 0,1, que es un orden de magnitud mayor que la tecnología de rayos convencional. Tiene un valor de aplicación importante en la detección de defectos, medición dimensional y análisis de estructuras de ensamblaje de piezas de trabajo de precisión en los campos aeroespacial, de aviación, de armas, de fabricación de automóviles y otros campos. Al utilizar un acelerador para inyectar iones de cierta energía en la superficie de materiales sólidos, se pueden obtener buenas propiedades físicas, químicas y eléctricas. La tecnología de implantación de iones se utiliza en dispositivos semiconductores, modificación de materiales metálicos y producción de circuitos integrados a gran escala. China tiene ahora más de 100 implantadores de iones. Entre ellos, China ha producido más de 140 implantadores de iones, con energías que oscilan entre 150 kev y 600 kev (1 kev = 1×103 ev) y una intensidad de corriente que oscila entre 0,5 mA y más de 10 mA.
1.2 Aplicación de aceleradores de baja energía en la agricultura
Como equipo de aplicación de la tecnología nuclear, los aceleradores se utilizan ampliamente en la agricultura en algunos países y tienen beneficios económicos obvios en tres aspectos:
1) Mejoramiento por radiación
La aplicación de aceleradores en el mejoramiento por radiación utiliza principalmente electrones de alta energía, rayos X, neutrones rápidos o protones generados por el acelerador para tratar semillas y cogollos de cultivos. , se irradian embriones o polen de cereales, cambiando así las características genéticas de los cultivos y haciéndolos desarrollarse en una dirección optimizada.
El mejoramiento por mutación por radiación ha desempeñado un papel importante en el aumento del rendimiento, la mejora de la calidad, el acortamiento del período de crecimiento y la mejora de la resistencia al estrés. Cultivos como patatas, trigo, arroz, algodón y soja pueden tener las ventajas de un alto rendimiento, madurez temprana, tallos cortos y resistencia a los insectos después del mejoramiento por irradiación.
2) Preservación por irradiación
La preservación por irradiación es una nueva tecnología de preservación desarrollada a partir de métodos de preservación tradicionales como el tratamiento térmico, la deshidratación, la refrigeración y el tratamiento químico. Por ejemplo, irradiar patatas, ajos, cebollas, etc. Puede inhibir la germinación y extender la vida útil; la irradiación puede extender el período de suministro y la vida útil de frutas, champiñones y salchichas frescas y secas.
3) Irradiación para insecticida y esterilización.
La fumigación química se utiliza mucho para matar insectos y desinfectar productos agrícolas y alimentos. Debido a la toxicidad residual causada por el uso de métodos de fumigación química como el bromuro de metilo y el óxido de etileno y al daño a la capa de ozono atmosférico, según el Convenio de Montreal, el uso de bromuro de metilo estará prohibido en todo el mundo en 2005. Por lo tanto, se ha desarrollado rápidamente el uso de aceleradores para insecticidas y esterilización de productos agrícolas y alimentos. El uso de electrones de alta energía o rayos X generados por aceleradores para matar parásitos y bacterias patógenas en productos agrícolas y alimentos no sólo puede reducir el deterioro de los alimentos y el daño de los insectos, sino también mejorar el nivel de higiene y el valor agregado de los alimentos. Con el avance de la ciencia y la tecnología y la mejora de la calidad de vida de las personas, éstas han planteado mayores requisitos en cuanto a condiciones médicas y de salud. La aplicación de aceleradores en la atención sanitaria ha promovido el desarrollo de la medicina y la extensión de la vida humana. En la actualidad, los aceleradores tienen tres aplicaciones principales en los campos médico y sanitario: la radioterapia, la producción de isótopos médicos y la desinfección de dispositivos, suministros y medicamentos médicos.
1) Radioterapia
Los aceleradores lineales de electrones utilizados para la radioterapia de tumores malignos tienen el mayor número y la tecnología más madura en diversos campos de aplicación de aceleradores en el mundo.
Los aceleradores utilizados para la radioterapia iban desde aceleradores de inducción en la década de 1950 hasta ciclotrones de electrones médicos en la década de 1960, y los aceleradores lineales de electrones médicos gradualmente se volvieron dominantes en la década de 1970. Hay más de 3.000 aceleradores lineales electrónicos médicos equipados en hospitales de todo el mundo.
Además de los haces de electrones y los rayos X producidos por el acelerador, el acelerador también se puede utilizar para radioterapia de protones, radioterapia de neutrones, radioterapia de iones pesados y radioterapia de piones. Estos tratamientos contra el cáncer aún se encuentran en la etapa experimental y los resultados experimentales muestran que son efectivos. Sin embargo, estos aceleradores tienen mucha más energía que los aceleradores lineales de electrones, tienen una estructura mucho más compleja y son mucho más caros, por lo que aún no se han popularizado.
La radioterapia estereotáctica que utiliza un acelerador lineal de electrones, comúnmente conocida como X-knife, es una tecnología de radioterapia recientemente desarrollada. En comparación con la radioterapia convencional, esta tecnología puede proteger entre el 1,5 y el 20% del tejido normal, aumentar la dosis del tumor entre un 20 y un 40% y destruir las células cancerosas de forma más eficaz, aumentando así la eficacia de la radioterapia.
En la década de 1960, los hospitales chinos estaban equipados con aceleradores de inducción médica y, a mediados de la década de 1970, los hospitales de todo el país comenzaron a estar equipados con aceleradores lineales electrónicos médicos. A principios de 2000, China tenía alrededor de 530 aceleradores lineales de electrones de diversas energías, de los cuales alrededor de 250 eran fabricados en China y alrededor de 300 eran importados. Los isótopos radiactivos se utilizan ampliamente en el diagnóstico de enfermedades y el tratamiento de tumores en la medicina nuclear moderna. Se han identificado alrededor de 80 isótopos para uso clínico, 2/3 de los cuales son producidos por aceleradores. En particular, los isótopos de vida corta que carecen de neutrones sólo pueden producirse mediante aceleradores. aceleradores. Estos isótopos de vida corta se utilizan principalmente en las siguientes áreas:
1. Tomografía computarizada por emisión de positrones y fotón único: PET y SPECT.
La PET es un tipo de emisivo con una potencia muy alta. Los radionucleidos positrónicos de vida media corta son inhalados o inyectados por el paciente con antelación. El detector anular detecta la emisión de positrones y fotones de estos radionucleidos desde distintos ángulos y la imagen del tejido tomográfico se reconstruye tras un procesamiento informático. Estos radionucleidos de vida corta se producen en pequeños ciclotrones. La vida media más corta de los nucleidos, como el 15O, es de sólo 123 segundos, normalmente de unos pocos minutos a una hora. Por tanto, los hospitales que habitualmente utilizan PET estarán equipados con este tipo de acelerador. Los pequeños ciclotrones que generan radionucleidos de vida corta para PET han atraído a muchos fabricantes de aceleradores a desarrollarlos. Varios fabricantes extranjeros de aceleradores produjeron decenas de pequeños ciclotrones.
b. Adquisición de imágenes
Utilizando la gammagrafía con radionúclidos o la fotografía gamma para obtener imágenes, se pueden diagnosticar tumores, examinar órganos humanos, estudiar sus funciones fisiológicas, bioquímicas y condiciones metabólicas, y obtener dinámicas. datos. Por ejemplo, el 201Tl se utiliza para el examen de miocardio y es el método de examen más sensible para la detección temprana de enfermedades coronarias y la localización del infarto de miocardio. La mayoría de estos radionucleidos también son producidos por aceleradores. Esterilización de dispositivos médicos, suministros médicos desechables, vacunas, antibióticos, medicamentos chinos patentados, etc. La utilización de aceleradores es una dirección prometedora para la aplicación de aceleradores en la atención sanitaria. El acelerador puede reemplazar los métodos de esterilización a alta temperatura y esterilización química, al igual que el principio de insecticida y esterilización de alimentos introducido anteriormente. Sin embargo, la dosis de radiación necesaria para la esterilización es mayor que la necesaria para matar insectos.
El acelerador de partículas es un dispositivo que utiliza métodos artificiales para generar partículas cargadas a alta velocidad. Los aceleradores de partículas comunes utilizados en la vida diaria incluyen los tubos de rayos catódicos y los tubos de rayos X de televisión. Es una herramienta importante para explorar la naturaleza, la estructura interna y la interacción de los núcleos y partículas atómicas. También tiene importantes y amplias aplicaciones prácticas en la producción industrial y agrícola, la medicina y la salud, la ciencia y la tecnología y otros campos. Desde que E. Rutherford bombardeó por primera vez átomos de nitrógeno con rayos A emitidos por elementos radiactivos naturales en 1919 para lograr la transformación artificial de los elementos, los físicos se han dado cuenta de que para comprender el núcleo, es necesario utilizar partículas de alta velocidad para transformarlo. La energía de las partículas proporcionada por la radiactividad natural es limitada, sólo unos pocos billones de electronvoltios (MeV). Aunque la energía de las partículas en los rayos cósmicos naturales es muy alta, el flujo de partículas es extremadamente débil. Por ejemplo, las partículas con una energía de 10 14 electronvoltios (eV) sólo viajan un metro cuadrado por hora en promedio. Es difícil controlar el tipo, la cantidad y la energía de las partículas en los rayos cósmicos. Por lo tanto, para llevar a cabo investigaciones experimentales con los objetivos deseados, durante décadas se han desarrollado y construido una variedad de aceleradores de partículas, y su rendimiento se ha mejorado continuamente. En la vida diaria, los televisores y los equipos de rayos X son pequeños aceleradores de partículas.
Utilizando aceleradores de partículas se descubrió la mayoría de los nuevos elementos transuránicos y miles de radionúclidos sintéticos, y se estudió sistemática y en profundidad la estructura básica del núcleo y sus leyes cambiantes, favoreciendo el rápido desarrollo de la energía nuclear. La física se desarrolló y maduró, estableciendo así la física de partículas. En los últimos 20 años, la aplicación de aceleradores ha ido mucho más allá de los campos de la física nuclear y la física de partículas, y tiene aplicaciones importantes en otros campos científicos y tecnológicos como la ciencia de materiales, la física de superficies, la biología molecular y la fotoquímica. En diversos campos de la industria, la agricultura y la medicina, los aceleradores se utilizan ampliamente en la producción de isótopos, diagnóstico y tratamiento de tumores, esterilización por radiación, pruebas no destructivas, polimerización por radiación de polímeros, modificación de radiación de materiales, implantación de iones, microanálisis de haces de iones y simulación de radiación espacial. , simulación de explosión nuclear, etc. Hasta ahora, se han construido miles de aceleradores de partículas en todo el mundo, una pequeña parte de los cuales se utiliza para la investigación básica en física nuclear y de partículas, y continúan desarrollándose en la dirección de mejorar la energía y la calidad del haz; " que utilizan principalmente tecnología de haz de partículas y aceleradores "pequeños".