Co to jest wiązka cząstek?
Wiązka cząstek to wiązka przyspieszonych cząstek, zwykle cząstek naładowanych (jonów). Rzeczywiste zastosowania wiązki cząstek obejmują akceleratory cząstek („niszczyciele atomów”), fizykę plazmy, telewizory z lampami elektronopromieniowymi, wyświetlacze komputerowe i terapie przeciwnowotworowe. Po krótkiej serii badań nad bronią wiązki cząstek w latach 80. XX wieku badania takie zostały w większości zaniechane, a lasery i inne ukierunkowane bronie energetyczne przyciągają obecnie uwagę i przeznaczają pieniądze na badania. Naturalnym przykładem wiązki cząstek byłaby błyskawica, w której elektrony skaczą z ujemnie naładowanych chmur do neutralnego podłoża.
Większość rodzajów wiązki cząstek składa się z naładowanych cząstek, takich jak protony lub elektrony, ponieważ naładowane cząstki można łatwo przyspieszyć za pomocą magnesów. Większość wiązek cząstek powstaje poprzez przepuszczanie strumienia cząstek przez szereg urządzeń, z których każde powoduje lekkie podepchnięcie wiązki, dopóki nie zostanie przyspieszone do znacznej prędkości. W niektórych akceleratorach cząstek prędkość ta może wynosić nawet 99,999% prędkości światła. Wiązki cząstek zbudowane z elektronów wydają się być najszybsze, ponieważ cząstki te są ponad tysiąc razy lżejsze od protonów i dlatego mogą być przyspieszane najłatwiej.
Chociaż termin „wiązka cząstek” ma charakter science fiction, wiązki cząstek można znaleźć we wszystkich telewizorach z lampą katodową. Nawet wszystkie kable elektryczne można uznać za zawierające rodzaj wiązki cząstek elektronowych, nawet jeśli ich ścieżka rzadko jest liniowa. W telewizji z lampą elektronopromieniową wiązka cząstek jest wytwarzana przez działo elektronowe. Wyrzutnia elektronów wystrzeliwuje elektrony na ekran fluorescencyjny, który zapala się w odpowiedzi na nadlatujące cząstki, tworząc obraz.
Jednym z innowacyjnych zastosowań wiązek cząstek jest radioterapia, w której wiązka cząstek jest ukierunkowana na zabijanie komórek rakowych. Minusem tego podejścia jest uszkodzenie zdrowych komórek i ryzyko nadmiernej ekspozycji na promieniowanie. Mechanizm działania polega na tym, że promieniowanie uszkadza DNA złośliwych komórek, powodując, że stają się niezdolne do samoreprodukcji. Jednym z wyzwań w tego rodzaju radioterapii jest tworzenie guzów o niskiej zawartości tlenu - guzów, które przerastają ich dopływ krwi. Guzy o wysokim poziomie tlenu są idealne do radioterapii, ponieważ bombardowanie utlenowanej tkanki promieniowaniem uwalnia wiele wolnych rodników, które powodują wtórne uszkodzenie komórek rakowych.
Najsilniejsze wiązki cząstek na świecie to te stosowane w największych akceleratorach cząstek, takich jak Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w pobliżu Genewy w Szwajcarii. Wielki Zderzacz Hadronów leży w tunelu o obwodzie 27 km (17 mil), a nawet 175 m pod ziemią. Kosztem około 10 miliardów USD (USD) LHC jest jedną z największych i najdroższych maszyn, jakie kiedykolwiek zbudowano.