当前位置:网站首页> 知识科普>正文

让质子飞的更快

发布于:2020-01-16 11:11:54发布者:天晴网友

质子是一种带正电荷的亚原子粒子,而原子核中质子数目决定其化学性质和它属于何种化学元素。利用质子加速装置将质子加速形成质子束后,即可被广泛应用于我们的生活和国防事业当中。例如,医学上面的“质子治疗法”即利用加速的质子束对人体内的肿瘤进行治疗。军事上面,还可以利用更高能量的质子束作为“子弹”,如同美国科幻大片中的先进高端武器。如图一,即为医用质子治疗法设备和太空脉冲武器实物图。质子束有如此之多的应用,那么我们是用什么仪器加速质子?质子又是怎样被加速的呢?下面我们就来回答这些问题。

图一 医用质子治疗法设备和太空脉冲武器实物图

用于加速质子的仪器称为“质子加速器”,它实际是用人工方法使带电粒子(质子) 在电场中加速到需要的能量,并产生一定质子束流的装置。其实,不止质子可以被加速,其它电子、离子等这类带电粒子也都可以被加速。但是质子加速器确是近年来一种新型的粒子加速器。在1992年才由美国Loma Linda大学医学中心与费米实验室合作,研制成功世界首台医疗专用质子零梯度同步回旋加速器质子加速器。质子加速器按照加速原理的不同可以分为很多种,包括直线感应加速器技术、环形感应加速器、感应同步加速器和介质壁加速器等。就目前阶段,最为成熟的即为直线感应加速器技术。世界上第一台直线感应加速器ASTRON-I, 由N. Christofilos发明,并于1963 年在美国劳伦斯利弗莫尔实验室(LLNL)建成。然而这种直线感应加速器设备庞大,特别是高功率加速器,只加速腔体的长度就能达到几十米乃至上百米,这就大大限制了这个“庞然大物”的应用。于是二十世纪九十年代美国科学家G. Caporaso 等人提出一种新型加速器概念,即“介质壁加速器”(DWA-Dielectric Wall Accelerator )。其基本结构如图二。

图二 介质壁加速器的基本结构

介质壁加速器的关键技术包括高沿面强度绝缘介质壁、非对称脉冲形成线和快速低抖动闭合开关。如图二中所示,带电粒子束流在加速腔内可以被循环加速,因此运动速度也大大提高。然而质子是怎样被循环加速的呢?图三展示了带电粒子被循环加速的工作原理图。

图三 介质壁加速器的工作原理图

如图三所示,A和B为两种不同介质材料,它们除了尺寸的区别以外,还有一个物理属性的不同,即介电常数不同,因此导致电压波在介质内的传输速度不同。其工作过程是首先给A、B 充电使两端的电位差为零,开关1和2闭合 ,电压波在A和B中以不同波速传播,在介电常数小的介质中以较快波速传播,在介电常数大的介质中传播速度较慢。在快波到达前,A、B两端没有电压,当快的电压波到达加速腔开路的末端时,这个电压波会发生反射,使原电压正负反转,此时慢电压波还没有到达加速腔。因此,在A、B两端出现两倍的充电电压的电位差。如果此时有入射质子等带电粒子进入到此加速腔中,则获得两倍充电电压的加速动能。如此反复,即可以将带电粒子循环加速至所需要的能量。利用介质壁加速器技术可以发展非常紧凑、价格低廉的强流质子加速器。

高能量质子束的应用还远远比上面介绍的这些要广泛。只要我们充满想象力和实干精神,也许在不就的将来,美国科幻大片中的质子手枪等这类武器也不再是幻想,也可以将其应用于我们日常生活的方方面面。

相关科普精选+更多
  • 如何使用qq号登录微信

    在最近的微信更新中,我们发现微信可以通过qq号快速登录,这样就不用再进行手机验证,非常方便。那么我们要如何使用qq号登录微信呢?接下来小编就来分享下qq号登录微信

  • 怎么用微信登录qq号

    在近日的微信和qq号更新后,细心的小伙伴发现了qq号可以通过微信登录,这样就能轻松完成快速登录的效果,非常方便。那么我们要如何登录qq号呢?接下来就和小编一起来看

  • 苹果手机地震预警如何启动

    苹果手机的地震预警功能可以帮助我们第一时间通知地震的来袭,做好准备工作。但是很多用户都不知道地震预警的设置方法,怎么办呢?接下来就和小编一起来看看地震预警的设置方

  • 时光序邮箱绑定流程是什么

    时光序拥有丰富的功能可以自由使用,其中就包含了邮箱的绑定操作。但是很多用户都不知道具体的绑定方法,怎么办呢?接下来小编就来分享下邮箱绑定的流程,感兴趣的话就一起来

经验评论

评论列表(条(包括审核中))