|
ΕΛΛΗΝΙΚΗ
ΕΤΑΙΡΙΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΦΥΣΙΚΗΣ ΥΨΗΛΩΝ ΕΝΕΡΓΕΙΩΝ
|
|
Εφαρμογές των Επιταχυντών
ΙΑΤΡΙΚΕΣ
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΑΛΛΩΝ ΚΛΑΔΩΝ
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΟΥ ΜΕΛΛΟΝΤΟΣ
Οι επιταχυντές σωματιδίων επινοήθηκαν τη δεκαετία του 1920 ως εργαλεία της έρευνας στη φυσική. Είναι μηχανές που παράγουν δέσμες σωματιδίων υψηλής ενέργειας χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά πεδία. Από την εποχή της εφεύρεσής τους οι επιταχυντές έχουν διανύσει πολύ δρόμο. Αν και παραμένουν απαραίτητοι στη σωματιδιακή φυσική, χρησιμοποιούνται σήμερα και σε πολλούς άλλους τομείς της ζωής. Αυτό το άρθρο περιγράφει μόνο λίγους από αυτούς τους τομείς.
Στις μέρες μας, υπολογίζεται ότι υπάρχουν περίπου 10.000 επιταχυντές σωματιδίων στον κόσμο, από τους οποίους οι μισοί και πλέον χρησιμοποιούνται στην ιατρική και μόνο λίγοι χρησιμοποιούνται στη βασική έρευνα. Στην ιατρική, οι επιταχυντές χρησιμοποιούνται με δύο τρόπους: στην απεικόνιση και στη θεραπεία.
Σωματίδια
για την απεικόνιση
|
Το Νοέμβριο του 1895, ο Wilhelm Conrad Roentgen ανακάλυψε τις ακτίνες-Χ. Ένα μήνα αργότερα, τράβηξε την πρώτη "φωτογραφία" ακτίνων-Χ. Ήταν το χέρι της γυναίκας του. Σήμερα, οι ακτίνες-Χ θεωρούνται δεδομένες και παρέχουν στους γιατρούς ανεκτίμητες πληροφορίες για τη διάγνωση. Μια πιο σύγχρονη μέθοδος διάγνωσης χρησιμοποιεί ραδιοφάρμακα. Αυτά είναι ραδιενεργές ουσίες που χορηγούνται στον ασθενή. Καθώς αυτές οι ουσίες διασπώνται, εκπέμπουν σωματίδια που ανιχνεύονται και αναλύονται. Η τεχνική αυτή δίνει πολύτιμες πληροφορίες για τις λειτουργίες και το μεταβολισμό του σώματος, δίνοντας εικόνες που συντίθενται με μεθόδους παρόμοιες με αυτές των ακτίνων-Χ. Περίπου 20 εκατομμύρια άνθρωποι χρησιμοποιούν ραδιοφάρμακα για τη διάγνωση ασθενειών. Επειδή τα ραδιοφάρμακα έχουν πολύ μικρό χρόνο ζωής, πρέπει να παράγονται κοντά στο νοσοκομείο που χρησιμοποιούνται. Η παραγωγή γίνεται με τη χρήση δεσμών πρωτονίων μεγάλης έντασης που προέρχονται από επιταχυντές. Το CERN προμηθεύει με ραδιοφάρμακα το Νοσοκομείο του Καντονιού της Γενεύης στην Ελβετία. |
Η Τομογραφία Εκπομπής Ποζιτρονίων (Positron Emission Tomography, PET) είναι μια μορφή ραδιοφαρμακευτικής διάγνωσης. Είναι μία δυναμική μέθοδος, η ανάπτυξη της οποίας οφείλεται σ' ένα μεγάλο βαθμό στο CERN και στο Νοσοκομείο του Καντονιού της Γενεύης. Το ΡΕΤ επιτρέπει την ανίχνευση μεταβολών σε ιστούς και όργανα που συνδέονται με ασθένειες, πολύ πριν εμφανιστούν σοβαρά συμπτώματα των ασθενειών αυτών. 'Ενα ραδιοφάρμακο που εκπέμπει ποζιτρόνια, τα αντι-σωματίδια των ηλεκτρονίων, χορηγείται στον ασθενή. Τα ποζιτρόνια αυτά πολύ γρήγορα εξαϋλώνονται με τα ηλεκτρόνια που συναντούν στο σώμα του ασθενή. Με την εξαΰλωση αυτή απελευθερώνονται δύο ακτίνες γάμμα, προσδιορίζοντας ακριβώς τη θέση που έγινε η εξαΰλωση. Το ΡΕΤ δίνει μία εικόνα στους γιατρούς για το πού ακριβώς καταλήγει το ραδιοφάρμακο μέσα στο σώμα, και τους επιτρέπει να δουν αν όλα λειτουργούν κανονικά.
Πολλές μορφές ιατρικής απεικόνισης εξαρτώνται από ένα άλλο τεχνολογικό επίτευγμα της σωματιδιακής φυσικής: τους ανιχνευτές σωματιδίων. Οι πρόδρομοι των ανιχνευτών που χρησιμοποιούνται σε πολλά συστήματα ΡΕΤ σχεδιάστηκαν για ένα πείραμα του CERN. Είναι κατασκευασμένοι από κρυστάλλους που ακτινοβολούν όταν προσπίπτει πάνω τους άλλη ακτινοβολία όπως η γάμμα.
Σωματίδια
για τη θεραπεία
|
Η ραδιοθεραπεία είναι μια ευρέως διαδεδομένη μέθοδος θεραπείας που εφαρμόζεται σε περισσότερους από τους μισούς καρκινοπαθείς ανά τον κόσμο. Πρόκειται για ένα είδος βιολογικού χειρουργείου, όπου το νυστέρι αντικαθίσταται από ένα μικροσκοπικό σωματίδιο ικανό να στειρώσει τα κακοήθη κύτταρα, αποκόβοντας το DNA που προκαλεί τον πολλαπλασιασμό τους. |
Η πιο διαδεδομένη μορφή ραδιοθεραπείας χρησιμοποιεί ακτίνες-Χ ή ηλεκτρόνια που προέρχονται από έναν γραμμικό επιταχυντή παρόμοιο αλλά πολύ μικρότερο από τον Μεγάλο Επιταχυντή Συγκρoυομένων Δεσμών Ηλεκτρονίων και Ποζιτρονίων του CERN, (Large Electron-Positron Collider, LEP). Οι ακτίνες-Χ ή οι δέσμες ηλεκτρονίων οδηγούνται πάνω στον όγκο και έχουν τόση ενέργεια όση χρειάζεται για να φτάσουν και να χτυπήσουν τα καρκινικά κύτταρα.
Τη δεκαετία του 1960 τα νετρόνια μπήκαν στο παιχνίδι της ραδιοθεραπείας. Τα νετρόνια απελευθερώνουν ενέργεια με τρόπο διαφορετικό από τις ακτίνες-Χ ή τα ηλεκτρόνια, πράγμα που τα καθιστά καταλληλότερα για τη θεραπεία ορισμένων όγκων. Κυκλικοί επιταχυντές που ονομάζονται κύκλοτρα χρησιμοποιούνται για να παράγουν νετρόνια επιταχύνοντας πρωτόνια που πέφτουν πάνω σε στόχους βηρυλλίου. Η θεραπεία με νετρόνια είναι πιο δαπανηρή από τη θεραπεία με ακτίνες-Χ ή ηλεκτρόνια, αλλά έχει το πλεονέκτημα ότι τα κύκλοτρα μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την παραγωγή ραδιοφαρμάκων.
|
Με τις πιο πρόσφατες εξελίξεις, επιταχυντές πρωτονίων έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται για τη ραδιοθεραπεία ή την θεραπεία με αδρόνια, καθώς αυτό το αναπτυσσόμενο πεδίο έρευνας γίνεται γνωστότερο. Το πλεονέκτημα των πρωτονίων είναι ότι εναποθέτουν όλη τους την ενέργεια στο ίδιο σημείο. Αυτό κάνει τη θεραπεία με αδρόνια ιδανική για όγκους που εμφανίζονται κοντά σε ζωτικά όργανα, όπου η ακρίβεια είναι θεμελιώδους σημασίας. Ήδη, σε εργαστήρια φυσικής στον Καναδά, τη Γαλλία, τη Γερμανία, την Ιαπωνία, τη Ρωσία, τη Νότια Αφρική, τη Σουηδία, την Ελβετία, τη Μεγάλη Βρετανία και τις Ηνωμένες Πολιτείες, ασθενείς υποβάλλονται με επιτυχία σε θεραπεία με αδρόνια, με τη χρήση επιταχυντών των οποίων ο βασικός ρόλος είναι η καθαρή έρευνα. |
Σήμερα, με την εμπειρία που έχει συσσωρευτεί σε αυτές τις πρωτοποριακές εγκαταστάσεις, το CERN σχεδιάζει έναν επιταχυντή πρωτονίων και ιόντων άνθρακα αποκλειστικά για ιατρικούς σκοπούς. Γνωστό ως PIMMS (Συσκευή Ιατρικής Μελέτης Πρωτονίων Ιόντων, Proton Ion Medical Machine Study), το πρόγραμμα αυτό είναι μια πραγματικά διεθνής συνεργασία που φέρνει κοντά ερευνητές από το CERN, το γερμανικό εργαστήριο GSI, το αυστριακό Med-AUSTRON, και τον ιταλικό οργανισμό TERA.
Σήμερα οι περισσότεροι από τους επιταχυντές του CERN μοιάζουν πολύ λίγο με αυτούς που χρησιμοποιούνται στην ιατρική επιστήμη. Αλλά βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της εξέλιξης, προωθώντας ακόμα περισσότερο την τεχνολογία με τη βοήθεια της οποίας υλοποιήθηκαν οι σύγχρονες εφαρμογές.
| Η μαζική παραγωγή λαστιχένιων γαντιών δε φαίνεται να έχει και μεγάλη σχέση με τη σωματιδιακή φυσική, αλλά και τα δύο βασίζονται στους επιταχυντές. Η επεξεργασία βιομηχανικών προϊόντων, όπως τα λαστιχένια γάντια, για τη βελτίωση της ποιότητάς τους είναι ένας μόνο από τους τρόπους χρήσης των επιταχυντών στη βιομηχανία. Χρησιμοποιούνται ακόμα για την αποστείρωση ιατρικού εξοπλισμού και τροφής, για την κατασκευή ημιαγωγών στη βιομηχανία των ηλεκτρονικών υπολογιστών, για τη βελτίωση της αντοχής βιομηχανικών προϊόντων, για να διερευνηθεί πώς ακριβώς φθείρονται οι μηχανές των αυτοκινήτων και για να εντοπιστεί το λαθρεμπόριο σε λιμάνια και αεροδρόμια. | Η ακτινοβολία δέσμης ηλεκτρονίων είναι η διαδικασία με την οποία αποστειρώνονται ορισμένα προϊόντα και βελτιώνεται η ποιότητα άλλων. Όταν ηλεκτρόνια με την κατάλληλη ενέργεια ψεκάζονται πάνω στο υπό επεξεργασία προϊόν, μπορούν να σπάσουν μοριακούς δεσμούς, ή να προκαλέσουν τη δημιουργία νέων μοριακών δεσμών. Αυτό συμβαίνει στα λαστιχένια γάντια και οι νέοι δεσμοί κάνουν τα γάντια πιο ανθεκτικά. Η διαδικασία χρησιμοποιείται επίσης για να στεγνώσουν σχεδόν αμέσως μελάνια και βαφές σε μεταλλικά δοχεία για πόσιμα υγρά, σε χαρτί περιτυλίγματος και γυαλιστερά κουτιά. |
Για την αποστείρωση, το σπάσιμο των μοριακών δεσμών είναι αυτό που έχει σημασία. 'Όταν σπάνε δεσμοί σε ζωντανούς οργανισμούς όπως τα βακτήρια, ο οργανισμός συνήθως πεθαίνει, και το σπάσιμο δεσμών σε τοξικά υλικά τα καθιστά αβλαβή.
Οι ηλεκτρονικοί υπολογιστές γίνονται ολοένα μικρότεροι σε διάσταση και πιο ισχυροί καθώς όλο και πιο πολύπλοκα κυκλώματα "στριμώχνονται" σε ένα και μοναδικό chip. Τριάντα χρόνια πριν, τα μεμονωμένα στοιχεία πάνω σε ένα chip είχαν μήκος περίπου ένα εικοστό του χιλιοστού, σήμερα είναι 100 φορές μικρότερα. Για να φτιαχτούν πρότυπα τόσο μικρά πάνω σε ένα chip πυριτίου χρειάζεται ένας επιταχυντής στον οποίο ηλεκτρόνια εξαναγκάζονται σε κυκλικές τροχιές, και γι' αυτό το λόγο εκπέμπουν ακτίνες-Χ. Αυτές οι ακτίνες-Χ χρησιμοποιούνται για να γίνουν τα πρότυπα τα οποία ακτινοβολούν μέσα από μια μάσκα τοποθετημένη με ακρίβεια μπροστά στο chip. Αυτή η διαδικασία ονομάζεται λιθογραφία, και οι μεγαλύτεροι κατασκευαστές ηλεκτρονικών υπολογιστών συνεργάζονται με φυσικούς για να σχεδιάσουν επιταχυντές που θα φτιάξουν τα chips του μέλλοντος. Στοιχεία δέκα φορές μικρότερα από αυτά των σημερινών υπολογιστών είναι ήδη κατασκευάσιμα, και καθώς η έρευνα προχωρά τα καλύτερα είναι ακόμα μπροστά μας.
|
Μικροσκοπικά μηχανικά στοιχεία μπορούν να κατασκευαστούν επίσης χρησιμοποιώντας τη λιθογραφία ακτίνων-Χ: γρανάζια, για παράδειγμα, τόσο μικρά ώστε να μπορούν να περάσουν από το μάτι μιας βελόνας. Η δυνατότητα να συνδυαστεί η μικρομηχανική με τη μικροηλεκτρονική δημιουργεί πολλές συναρπαστικές δυνατότητες και παρ' όλο που η τεχνική είναι ακόμα νέα, μηχανές κατασκευασμένες για εμπορικούς σκοπούς έχουν αρχίσει να χρησιμοποιούνται σε αισθητήρες και ζεύκτες. |
Μηχανές αεροσκαφών και τεχνητά ανθρώπινα μέλη είναι μόνο δύο από τα προϊόντα
που επωφελούνται από την τεχνική που ονομάζεται εμφύτευση δέσμης ιόντων. Δέσμες
που προέρχονται από επιταχυντές χρησιμοποιούνται για την εμφύτευση ιόντων
ενός υλικού στην επιφάνεια ενός άλλου υλικού. Στις μηχανές αεροσκαφών, η τεχνική
χρησιμοποιείται για την επικάλυψη ρουλεμάν που περιστρέφονται σε υψηλές ταχύτητες
με ένα λεπτό στρώμα βαφής για την προστασία τους από τη διάβρωση. Στους τεχνητούς
μηρούς, ένα στρώμα βιολογικά συμβατού υλικού εμφυτεύεται στην άρθρωση, ώστε
το τεχνητό μέλος να γίνει καλύτερα αποδεκτό από το σώμα και πιο ανθεκτικό
στη χρήση.
|
Η Ενεργοποίηση Λεπτού Στρώματος είναι η τεχνική που χρησιμοποιείται για να υπολογιστεί η αντοχή των μηχανών αυτοκινήτων. Στην περίπτωση αυτή το μηχανικό μέρος που είναι υπό εξέταση βομβαρδίζεται με σωματίδια που προέρχονται από έναν επιταχυντή έτσι ώστε ένα πολύ λεπτό στρώμα του να γίνει ραδιενεργό. Το πάχος του λεπτού αυτού στρώματος μπορεί να προσδιοριστεί με ακρίβεια, και αφού η ποσότητα της ραδιενέργειας εξαρτάται από αυτό το πάχος, μπορεί να μετρηθεί και η αντοχή του εξαρτήματος καθώς αυτό υπόκειται στη φθορά από τη ραδιενεργό ακτινοβολία. |
Ακριβώς όπως οι ακτίνες-Χ μπορούν να δουν το εσωτερικό του ανθρώπινου σώματος, με τον ίδιο τρόπο μπορούν να αποκαλύψουν το περιεχόμενο αυτοκινήτων και δοχείων που περνούν από αεροδρόμια και λιμάνια. Οι σαρωτές μικρού μεγέθους είναι πολύ γνωστοί σε όποιον έχει ταξιδέψει με αεροπλάνο, για τον έλεγχο μικρών αποσκευών, αλλά σήμερα έχουν αρχίσει να μπαίνουν σε χρήση και σαρωτές στο μέγεθος ενός φορτηγού. Οι πρόδρομοι των ανιχνευτών στους οποίους βασίζονται αυτές οι μηχανές αναπτύχθηκαν στο CERN στα τέλη της δεκαετίας του '60 από τον George Charpak. Το 1992, η σημασία της επινόησης του Charpak του αναγνωρίστηκε με το βραβείο Νόμπελ.
Ακόμα πιο εξελιγμένες είναι οι μηχανές που ανιχνεύουν αυξημένη συγκέντρωση αζώτου, μιας ουσίας που συναντάμε πολύ συχνά στα ναρκωτικά και στα εκρηκτικά. Λειτουργούν σαρώνοντας το αντικείμενο με μια δέσμη σωματιδίων που αντιδρούν με το άζωτο παράγοντας διάφορα άλλα σωματίδια. Αυτά τα τελευταία σωματίδια ανιχνεύονται και μετρώνται, καταδεικνύοντας την ύπαρξη ναρκωτικών ή εκρηκτικών.
ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΣΤΗ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗ ΕΡΕΥΝΑ ΑΛΛΩΝ ΚΛΑΔΩΝ
|
Με ποιον τρόπο οι ερευνητές βρίσκουν τη δομή ιών όπως του HIV; Με ποιον τρόπο προσδιορίζουν την ηλικία έργων, όπως οι τοιχογραφίες στο σπήλαιο του Λασκώ (Lascaux), και με ποιον τρόπο αποσαφηνίζουν τι συμβαίνει στα άστρα; Η απάντηση σε όλες αυτές τις ερωτήσεις είναι "χρησιμοποιώντας έναν επιταχυντή σωματιδίων". Οι επιταχυντές είναι απαραίτητοι για την έρευνα σε μία ευρεία κλίμακα επιστημονικών κλάδων. Η ακτινοβολία σύγχροτρου είναι η πιο διαδεδομένη εφαρμογή των επιταχυντών στην έρευνα. Υπάρχουν 42 σύγχροτρα στον κόσμο και 30 ακόμα είναι υπό κατασκευή ή στο στάδιο σχεδιασμού. Η ακτινοβολία σύγχροτρου έχει εφαρμογές σε πεδία τόσο διαφορετικά όσο η γεωλογία και η χημεία. Χρησιμοποιείται για τη μελέτη της δομής μικροσκοπικών πραγμάτων, όπως οι ιοί, ή για τη μελέτη της συμπεριφοράς πλαστικών υψηλών προδιαγραφών. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί έναν επιταχυντή ως πηγή ακτίνων-Χ που διεισδύουν βαθιά μέσα στο υπό παρατήρηση αντικείμενο και σκεδάζονται από τα σκληρά μέρη που συναντούν, όπως περίπου οι μπάλες σ' ένα τραπέζι του μπιλιάρδου. |
Οι ακτίνες-Χ παράγονται στους επιταχυντές όταν τα σωματίδια επιταχύνονται σε καμπύλες τροχιές. Όπως τα γρήγορα αυτοκίνητα σε κλειστές στροφές, έτσι και τα σωματίδια υποχρεώνονται να στρίψουν και τότε χάνουν ενέργεια εκπέμποντας ακτινοβολία με τη μορφή ακτίνων-Χ. Η πρώτη έρευνα για την ακτινοβολία των συγχρότρων έγινε σε εργαστήρια σωματιδιακής φυσικής, όπου οι ακτίνες-Χ δεν ήταν παρά ένα υποπροϊόν, που δεν χρησιμοποιούνταν από τους φυσικούς. Σήμερα, η περισσότερη δουλειά που γίνεται με την ακτινοβολία των συγχρότρων διεξάγεται σε εξειδικευμένα εργαστήρια με επιταχυντές κατασκευασμένους ειδικά για την κάθε εφαρμογή. |
Ο προσδιορισμός της ηλικίας κάποιου αντικειμένου μπορεί να γίνει με τη βοήθεια επιταχυντών με μια τεχνική που ονομάζεται φασματομετρία μάζας. Όλα τα ζωντανά πράγματα καταναλώνουν και απελευθερώνουν άνθρακα, αλλά υπάρχουν πολλά είδη άνθρακα γύρω μας. Τα περισσότερα άτομα άνθρακα περιέχουν 6 πρωτόνια και 6 νετρόνια, αλλά κάποια άτομα περιέχουν 2 νετρόνια παραπάνω. Η πιο συνηθισμένη μορφή άνθρακα ονομάζεται άνθρακας-12, και είναι σταθερή. Ο άνθρακας-14, που συναντάται πιο σπάνια, διασπάται αργά σε άζωτο-14 με χρόνο ημίσειας ζωής 5730 χρόνια. Αυτό σημαίνει ότι με όσα άτομα άνθρακα-14 ξεκινήσεις, 5730 χρόνια μετά θα έχουν μείνει τα μισά.
Όταν ένα φυτό ή ένα ζώο είναι ζωντανό, περιέχει άνθρακα-12 και άνθρακα-14 σε σταθερή αναλογία μεταξύ τους. Αλλά όταν πεθαίνει η ποσότητα των ατόμων άνθρακα-14 που περιέχει μειώνεται σιγά-σιγά και η αναλογία μεταξύ άνθρακα-12 και άνθρακα-14 αλλάζει. Η φασματογραφία μάζας μέσω επιταχυντών μετράει αυτή ακριβώς την αναλογία, επιτρέποντας στους επιστήμονες να πουν πότε ένα αντικείμενο ήταν ακόμα ζωντανό. Με αυτόν τον τρόπο οι ερευνητές μπόρεσαν να πουν ότι το βαμβάκι από το οποίο υφάνθηκε το Ιμάτιο του Τορίνο καλλιεργήθηκε περίπου το 1325 π.Χ.
|
Από τότε που πρωτοαναπτύχθηκε η τεχνική της φασματομετρίας μάζας τη δεκαετία του '70, έχει επεκταθεί στη χρήση και άλλων στοιχείων με διαφορετικούς χρόνους ημίσειας ζωής. Για παράδειγμα, χρησιμοποιώντας ένα μακρόβιο στοιχείο, ο κρατήρας της Αριζόνα που έχει δημιουργηθεί από μετεωρίτη, προσδιορίστηκε ότι είναι 49 000 χρόνων. Η ανακάλυψη του πώς και γιατί λάμπουν τα άστρα είναι δουλειά των επιταχυντών που παράγουν δέσμες ασταθών σωματιδίων. Κι αυτό γιατί τα άστρα παράγουν ενέργεια μέσω της πυρηνικής σύντηξης - πυρήνες υδρογόνου συντήκονται για να δημιουργήσουν ήλιο, το ήλιο συντήκεται και δημιουργεί βηρύλλιο, και ούτω καθεξής, και σε κάθε σύντηξη απελευθερώνεται ενέργεια. Μερικά από τα στοιχεία στην αλυσίδα της σύντηξης είναι πολύ ασταθή, δηλαδή ζουν για πολύ λίγο πριν να μεταστοιχειωθούν σε άλλα περισσότερο σταθερά στοιχεία. Αλλά στα άστρα, αυτά τα ασταθή στοιχεία παράγονται σε πολύ μεγάλες ποσότητες κι έτσι αποτελούν ουσιαστικό μέρος της αλυσίδας. Έτσι, για να κατανοήσουν τα άστρα, εργαστήρια όπως το CERN παράγουν και μελετούν αυτά τα ασταθή στοιχεία. |
Και για να έρθουμε σε πιο γήινα ζητήματα, οι επιταχυντές που βοηθούν στη μελέτη των άστρων είναι σημαντικοί και για την έρευνα των ημιαγωγών. Οι ημιαγωγοί βασίζονται σε κάποιες ελάχιστες "ακαθαρσίες" που ονομάζονται προσμίξεις. Καθώς οι συσκευές που χρησιμοποιούν ημιαγώγιμα υλικά γίνονται ολοένα μικρότερες, είναι όλο και πιο σημαντικό να γνωρίζουμε σε ποιο ακριβώς σημείο βρίσκονται αυτές οι προσμίξεις και τι ρόλο παίζουν. Αντικαθιστώντας την πρόσμιξη με ένα ραδιενεργό ισότοπο του ίδιου στοιχείου και παρατηρώντας το καθώς διασπάται, η θέση της πρόσμιξης μπορεί να προσδιοριστεί με απόλυτη ακρίβεια.
|
Οι επιταχυντές σωματιδίων είναι εργαλεία απαραίτητα στη βιομηχανία, την ιατρική και την έρευνα. Στο μέλλον, θα μπορούσαν να παίξουν ακόμα πιο σημαντικό ρόλο καθώς η τεχνολογική πρόοδος ανοίγει προοπτική σε πλήθος νέες δυνατότητες. Η χρήση δεσμών σωματιδίων για τη θεραπεία του καρκίνου γίνεται ολοένα συχνότερη. Διάφορες νέες ιατρικές εφαρμογές χρησιμοποιούν επιταχυντές για να επιτύχουν πιο αποτελεσματική παραγωγή ραδιοφαρμάκων. Κοιτάζοντας ακόμα πιο μπροστά, οι επιταχυντές θα μπορούσαν να προμηθεύσουν ακτίνες laser στη θέση των χειρουργικών νυστεριών για ακριβείς χειρουργικές επεμβάσεις. Επίσης στην προστασία του περιβάλλοντος οι επιταχυντές θα παίξουν πολύ σημαντικό ρόλο. Θα χρησιμοποιηθούν στη διαχείριση λυμάτων και αερίων σε βιομηχανικές εγκαταστάσεις και για να αποδομήσουν τους ολοένα αυξανόμενους όγκους των ραδιενεργών αποβλήτων που παράγονται από τους σταθμούς παραγωγής πυρηνικής ενέργειας. Μακροπρόθεσμα, είναι πιθανόν να μας προμηθεύσουν με μια νέα καθαρή και αποτελεσματική πηγή ενέργειας. |
Στην ιατρική οι επιταχυντές είναι πολύ σημαντικοί παραγωγοί ραδιοφαρμακευτικών ουσιών για την απεικόνιση και τη θεραπεία, παρόλο που δεν είναι η μοναδική πηγή αυτών των πολύ σπουδαίων φαρμάκων. Χρησιμοποιούνται επίσης νετρόνια που προέρχονται από πυρηνικούς αντιδραστήρες. Αλλά πολλοί αντιδραστήρες πλησιάζουν πια στο τέλος της ζωής τους, και δεν υπάρχουν σχέδια για την αντικατάστασή τους. Οι κατασκευαστές επιταχυντών αντιλαμβάνονται αυτό το γεγονός ως μήνυμα για να βελτιώσουν τα προϊόντα τους, και το αποτέλεσμα είναι μια νέα γενιά μηχανών με ικανότητα παραγωγής μεγάλης ποικιλίας ισοτόπων που κοστίζουν πολύ λιγότερο από την κατασκευή ενός καινούριου αντιδραστήρα. Χάρη στους επιταχυντές, οι σύγχρονες εξελιγμένες μέθοδοι απεικόνισης θα μπορούσαν να γίνουν κοινός τόπος, όπως είναι σήμερα οι ταπεινές ακτίνες-Χ. |
Η ιδέα της χρήσης δεσμών σωματιδίων για τη θεραπεία του καρκίνου υπάρχει από παλιά. Οι πρώτες που χρησιμοποιήθηκαν στη ραδιοθεραπεία ήταν οι δέσμες ηλεκτρονίων, κατόπιν ήρθαν οι δέσμες νετρονίων και πολύ πρόσφατα οι δέσμες πρωτονίων. Ως θεραπεία με αδρόνια ονομάζουμε τη θεραπεία του καρκίνου με δέσμες πρωτονίων, και τώρα οι επιστήμονες εξετάζουν την πιθανότητα επέκτασης της τεχνικής σε δέσμες βαρύτερων σωματιδίων, όπως τους πυρήνες άνθρακα. Η ιδέα είναι ότι βαρύτερα σωματίδια μπορούν να βομβαρδίσουν τον όγκο με περισσότερη ενέργεια, νεκρώνοντάς τον πιο αποτελεσματικά με λιγότερες παρενέργειες για τον περιβάλλοντα υγιή ιστό. Το CERN συμμετέχει ενεργά στην έρευνα αυτού του αναπτυσσόμενου τομέα.
|
Οι ακτίνες laser χρησιμοποιούνται ήδη στη χειρουργική για την απομάκρυνση ιστού που έχει υποστεί ζημιά με μεγάλη ακρίβεια, αλλά το πρόβλημα με τα συμβατικά laser είναι ότι είναι δύσκολο να μην βλάψουν τον περιβάλλοντα υγιή ιστό. Τα ελεύθερα lasers ηλεκτρονίων που παράγονται από επιταχυντές (Free Electron Lasers, FELs), στα οποία μία δέσμη ηλεκτρονίων ταλαντώνεται σε έναν μαγνήτη "αποτινάσσοντας" φωτόνια που δημιουργούν δέσμη laser, θα μπορούσαν να είναι η λύση. Ένα laser FEL μπορεί να πετύχει ακρίβεια κλάσματος του χιλιοστού χωρίς πρακτικά να δημιουργήσει καμία βλάβη στον υγιή ιστό που περιβάλλει το σημείο του στόχου. |
Η πιο σημαντική πιθανή χρήση των επιταχυντών για την προστασία του περιβάλλοντος είναι η αποδόμηση μακρόβιων πυρηνικών αποβλήτων σε αβλαβή υλικά, εξαφανίζοντας έτσι όλα τα προβλήματα που αφορούν στην αποθήκευση των ραδιενεργών υλικών. Αυτή η τεχνική ονομάζεται Μεταλλαγή Αποβλήτων μέσω Επιταχυντών (Accelerator Transmutation of Waste, ATW) και πρόκειται για το πνευματικό τέκνο των φυσικών στο εργαστήριο Los Alamos. Η τεχνική βασίζεται σε δέσμες υψηλής ενέργειας που βομβαρδίζουν ένα στόχο κι έτσι παράγουν νετρόνια. Αυτά κατόπιν ενώνονται με τα πυρηνικά απόβλητα και προκαλούν τη διάσπασή τους σε σταθερά στοιχεία.
|
Οι επιταχυντές για τη διαχείριση πυρηνικών αποβλήτων θα είναι μεγάλες εγκαταστάσεις, αλλά μικρότεροι επιταχυντές μπορούν να βοηθήσουν στον περιβαλλοντικό έλεγχο. Αναμιγνύοντας τα τοξικά αέρια των βιομηχανικών αποβλήτων και των σταθμών παραγωγής ενέργειας με αμμωνία και στέλνοντάς τους ακτινοβολία από δέσμες ηλεκτρονίων, επιβλαβή αέρια όπως τα οξείδια του αζώτου και το διοξείδιο του θείου μπορούν να μετατραπούν σε χρήσιμα προϊόντα όπως λιπάσματα. Παρόμοιες τεχνικές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αποστείρωση του νερού που χρησιμοποιείται στη βιομηχανία και των λυμάτων, ώστε να μετατραπούν κι αυτά σε λίπασμα. |
Ίσως η πιο σημαντική σύγχρονη εφαρμογή των επιταχυντών είναι η παραγωγή ενέργειας. Τρεις διαφορετικές προσεγγίσεις εξετάζονται σήμερα στην πράξη. Η πρώτη χρησιμοποιεί δέσμες σωματιδίων για να συμπιέσει πυρήνες ατόμων τόσο πολύ ώστε να συντηχθούν και να εκπέμψουν ενέργεια. Μία άλλη προσέγγιση χρησιμοποιεί τον επιταχυντή για την παραγωγή μιονίων που διοχετεύονται σε μία δεξαμενή με υλικό σύντηξης. Μερικά από αυτά τα μιόνια αντικαθιστούν ηλεκτρόνια σε τροχιές γύρω από τον πυρήνα, και επειδή είναι 200 φορές βαρύτερα από τα ηλεκτρόνια, εξαναγκάζουν τους πυρήνες σε σύντηξη. Μέχρι στιγμής και οι δύο αυτές τεχνικές καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια από όση παράγουν, αλλά η αλλαγή αυτής της αναλογίας ολοένα και αλλάζει προς το συμφέρον μας.
Η πιο πρόσφατη ιδέα για ένα σταθμό παραγωγής ενέργειας βασισμένο στους επιταχυντές προχωράει ένα βήμα μακρύτερα την τεχνική μεταλλαγής αποβλήτων του Los Alamos. Ονομάζεται ο Ενισχυτής Ενέργειας (Energy Amplifier) και επινοήθηκε από τον Νομπελίστα ερευνητή του CERN Carlo Rubbia. Ο Ενισχυτής Ενέργειας βομβαρδίζει ένα στόχο υλικού πυρηνικής σύντηξης με μια δέσμη πρωτονίων υψηλής ενέργειας με αποτέλεσμα την πυρηνική σύντηξη και την απελευθέρωση ενέργειας. Η ομορφιά του Ενισχυτή Ενέργειας είναι διπλή. Πρώτον, αντίθετα με έναν συμβατικό σταθμό παραγωγής πυρηνικής ενέργειας η πυρηνική αντίδραση είναι αδύνατο να ξεφύγει από τον έλεγχο γιατί χωρίς τον επιταχυντή σταματάει η πυρηνική αντίδραση. Και δεύτερον, αφού η τεχνική είναι παρόμοια με τη Μεταλλαγή Αποβλήτων μέσω Επιταχυντών (Accelerator Transmutation of Waste, ATW), τα απόβλητα από αυτούς τους νέους πυρηνικούς σταθμούς θα μπορούν να αναμιχθούν με το υλικό της σύντηξης και να μεταλλαγούν σε αβλαβείς ουσίες.
Κανείς δεν έχει φτιάξει ακόμα τον Ενισχυτή Ενέργειας, αλλά αρχικά πειράματα και υπολογισμοί που γίνονται στο CERN δείχνουν ότι θα απελευθερώνεται περισσότερη ενέργεια από αυτή που χρειάζεται για να λειτουργήσει ο επιταχυντής. Η δουλειά λοιπόν προχωρά για να ξεπεράσουμε το τελευταίο τεχνολογικό εμπόδιο και να απελευθερώσουμε την ενέργεια.
Communication & Public Education Group
CERN, November 1999