物理科学

拉长:具有较小粒子加速器的安全X射线源

许多重要的技术依赖于高能辐射的产生,但如果没有正确的预防措施,这些过程中涉及的放射源可能会非常危险。Sergey Kutsaev博士和radiabam技术公司的一个团队已经展示了如何用紧凑、低成本、灵活的粒子加速器取代这些源,这些加速器能够按需产生高能x射线。他的团队现在设想他们的设备在癌症治疗、全球健康和货物检查方面的应用。通过未来的改进,这些应用可能很快就会进一步扩展。

通过放射性衰变,许多不同元素的原子核可以自发地转化为不同的低能量形式。为了做到这一点,它们会发出几种可能的辐射之一,包括:中子;称为伽马射线的高能光子;高能电子或正电子;和一个粒子(包含两个质子和两个中子)。如今,许多不同的应用和研究技术都依赖于操纵这些发射的粒子:有时收集它们的能量,测量它们如何被原子偏转,检查物体,或对特定目标施加可控损害,以及其他许多可能的应用。

仅在美国,现在使用大约5,000个设备定期进行这些应用程序,其中包含大约55,000个高度放射源。然而,正如Kutsaev博士解释所示,这些设备的使用具有严重问题。“放射性同位素很小,便宜,但如果误操作或被盗也可能是非常危险的,”他说。“例如,如果在其裸手中握住同位素钴-60可以将致死剂量递送给人类,或者甚至可以成为肮脏的核弹的组成部分。”随着与其使用相关的如此高的风险,许多研究人员现在看到了对替代技术的压力需要,能够通过更安全的过程产生高能辐射。

粒子加速器中的解
放射源的一个有希望的替代方法是使用线性粒子加速器。在这些装置中,电子流首先从热阴极发射出来,然后通过高直流电电压进行预加速和聚焦。然后,这些电子被放置在一个射频波的波峰上,当它们以相同的速度一起移动时,将能量传递给束流。通过在这些振荡之间取得正确的平衡,研究人员可以沿着一个方向产生一个强大的、持续的加速力:将电子束加速到光速的99.9%。

通过加速器之后,最终使电子与冷却的钨合金靶相碰撞。由于靶内的重核的强正电荷,它们迅速减速,并以X射线的形式释放其动能。虽然没有像伽马射线那么精力充沛,但通过该过程生产的光子仍然非常适合当前依赖放射性腐烂的许多应用 - 并且危险越来越少。

由于使用粒子加速器的风险如此之高,许多研究人员现在看到了对替代技术的迫切需要。

“粒子加速器可以作为一种安全的替代方案,”Kutsaev博士说。“它们只有在运行时才会产生辐射,不能像核武器那样释放不受控制的能量,而且可以在需要时开启或关闭。”然而,尽管有这些明显的优势,线性粒子加速器自20世纪60年代以来几乎没有什么改进,而且到目前为止,它们所需的设备仍然复杂、笨重和昂贵。正因为如此,许多可能从中受益的群体仍然无法获得这些设备。

Kutsaev博士和他的团队旨在开发一个先进的新加速器。

一种先进的新型加速器
通过他们的研究,Kutsaev博士和他在加州圣塔莫尼卡的radiabam技术公司的同事们开始为这些问题开发尖端的解决方案。他们确定了之前线性粒子加速器的两个关键方面,这两个方面显示出了很大的改进空间。“我们引进了几项创新,包括紧凑、高效、高频的电源,以及由两半组成的‘分裂结构’加速器的制造,”Kutsaev博士描述道。

该团队的设计基于一种名为“磁控管”的设备,这种设备通常用于利用电子束产生微波。在这种情况下,他们的设计来自一个高频磁控管,以前用于空中交通管制的雷达。通过正确的预防措施,他们可以设计出这样一种加速器,即磁控管的小功率足以产生高速电子束。

已经,Kutsaev博士组织的腔体结构更紧凑,不到目前标准LINAC的重量的一半。然而至关重要,它们也可以轻松地从两个铜部件中雕刻起来,它们配合在一起形成狭窄的隧道。这消除了对以前需要单独制造的许多复杂部件的昂贵组件的需求。现在已经成功设计和展示了该设备,Kutsaev博士描述了三种特别有趣的创新,戒华的加速器可以为我们的社会提供显着利益。

宽债的X射线技术用于现场辐射。

消毒农业害虫
昆虫携带的植物病原体可能对农业作物造成严重破坏,并对全球粮食供应链进行高度的压力 - 特别是在发展中国家。近几十年来,治疗和预防这些疾病的措施已经走了很长的路,但最近,几项研究提出了一种雄心勃勃的策略,可以完全消除它们。该方法表明是对携带病原体携带的昆虫进行消毒,而不会影响其自然本能来繁殖 - 显着降低对未来人口的风险。

由于拉动队的加速器生产的高能X射线可以破坏生殖细胞,而不会损坏他人,因此Kutsaev博士预测,他的团队的技术可能是实现这种战略的高效途径。“在某种剂量,辐射使昆虫无菌,但仍然性活跃,”他解释道。“通过将它们释放到环境中,这些无菌昆虫将杀死健康的昆虫,从而减少害虫人口。”如果开展,这种方法可以为全球组织提供具有更安全的方法,用于管理今天世界上世界上最多产的农业害虫,而无需放射性同位素。

拉长仲裁的加速器提供灵活的辐照技术。

灵活的检查技术
radiabam的加速器很快就可以集成到无线手持设备上,这样用户就可以在野外随时产生高能x射线。这种便携式高能辐射源将使在放射性同位素将成为唯一现实的高能辐射源的地点更容易扫描某些物质的存在。“这个加速器可以由一个人携带,在偏远的地方执行物体检查,或执行例行检查,”库萨耶夫博士描述道。

Kutsaev博士和他的同事们希望radiabam的技术现在能在许多不同的应用领域带来新的进展。

这种做法在核电力设施方面是批判性重要的。在这里,国际条约委员会颁发了经常监测计划,以确保武器级铀未经秘密制造。因此,拉动船的技术可以提高低碳发电源的一个关键重要来源的安全性和效率。

在其他地方扫描隐藏的货物,该技术可以应用于货物集装箱的检查。港口官员在全球运输大量货物,港口官员必须在许多不同地点的非法材料中持续扫描容器;快速有效地完成他们的检查,以避免持有贸易。宽大的加速器可以允许使用紧凑型高能X射线扫描仪来完成此操作,并正在努力使其适用于“计算机断层扫描”(CT)。

通过这项技术,用户可以在多个角度测量通过隐藏材料的x射线的衰减,从而得到二维横截面。通过这种方法获取多个横截面,计算机软件就可以重建材料的三维图像。此外,通过改变光束能量,这项技术将能够确定被检测物体的材料组成。使用一种可按需产生高能x射线的手持扫描仪,官员们可以在短时间内确定许多不同地方的集装箱内的物品,这可能会大大增加危险犯罪团伙协调其全球活动的难度。

改善获得安全辐射源的途径
通过开发这种紧凑、廉价、灵活的高能x射线源,库特萨耶夫博士和他的同事们希望radiabam的技术现在能在许多不同的应用领域带来新进展,而以前的应用依赖于通过放射性衰变产生的危险辐射。反过来,农业病虫害管理和检验技术的改进可能很快会被许多其他应用所加入。研究人员现在将进一步改进他们的技术,使他们的尖端粒子加速器在不久的将来可以被各种各样的组织使用。

个人反应

你的设备大规模生产有多容易?

加速器的复杂性和成本与产生的数量成反比。这是因为它更容易同时制造、处理和组装许多相同的部件。重要的是,它也更容易维持备件供应和提高大型产品的可靠性。因此,如果市场需求允许,扩大制造过程只会提高其性能。radiabam拥有大量生产医用加速器等系列产品的经验。

本文是在研究团队的批准下创建的。这是一个合作制作,由那些特色的支持,免费援助,全球分发。

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