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粒子探测器与我们的日常生活有哪些联系?

X射线 粒子探测器 医学成像
发布:2021-01-11 16:40:25     来源:中国同位素与辐射行业协会

今天的主角是粒子探测器,它就像孙悟空的火眼金睛,科学家用它来测量光子,识别质子、中子,探测反物质……然而,如此高深莫测的仪器跟我们的日常生活有什么关系呢? 你知道如果我们周围正在工作的粒子探测器消失,我们的生活会发生什么变化吗?

粒子探测器在从药物开发到医学成像,从保护宇航员到古代文物的年代测定,从测试材料到了解宇宙的各个领域都发挥着重要作用。

粒子探测器是用来观察和识别粒子的装置。有些测量光子、光的粒子,例如来自恒星的可见光或我们用来检查骨折的不可见X射线。其他粒子探测器识别质子、中子和电子——构成原子甚至整个原子的粒子。有些探测器是用来探测反物质的。通过感应电荷和粒子的相互作用,探测器可以确定它们的存在, 它们的能量和它们的运动。

这似乎是一项深奥的任务,但粒子检测是我们日常生活的一部分。

下雨的机会

没有粒子探测器,气候模型和天气预报会有点”多云”。

在现代天气预报中使用的最常用工具之一是通过空中发射的雷达无线电波,从物体(例如雨滴)反弹并由射频(RF)探测器收集。利用雷达,科学家可以收集有关雨滴或其他降水的位置,大小和分布,以及风速和风向其他变量的信息。一些更先进的仪器也采用同样的技术,用微波或激光代替无线电波。雷达也是研究龙卷风和其他严重风暴的主要工具,其目的往往是改善地面人员的安全措施。


 

地球的气候—大气的长期行为—主要是由两种流体之间的相互作用产生的:水和空气。可以在实验室中使用实验装置详细研究流体,这些实验装置使用X射线和依赖于粒子检测器的其他技术仔细地跟踪它们的复杂运动。在实验室完成的工作有助于我们对地球复杂气候的了解不断加深。

在欧洲核子研究中心,离开室外水滴实验(或称CLOUD)的宇宙学正在研究来自宇宙射线的高能粒子与大气中云的形成之间的联系。实验表明,光线会产生气溶胶,它们可以作为新云的种子。CLOUD科学家试图在密封室内重建大气条件,并使用探测器仔细监测发生的变化。CLOUD的研究结果应该有助于科学家更好地了解云和气溶胶对地球气候的影响。

检查的时间

粒子探测器继续改变医务人员看到人体的方式,或者更具体地说,改变他们看到人体的方式。许多类型的医学扫描仪,包括PET(正电子发射断层扫描)和MRI(磁共振成像)依赖于粒子探测器。


 

接受PET扫描的患者接受注射分子,这些分子被设计成积聚在身体最难工作的部位,包括心脏、大脑和器官(如肝脏)以及肿瘤等麻烦部位。在它们到达后不久,一种与每个分子结合的化学元素就会衰变并发射一种称为正电子的轻量粒子,正电子与附近的电子碰撞并产生伽马射线。在整个漫长的事件链中,伽马射线携带着被研究身体部位的信息。它离开身体,被粒子探测器接收,信息被转换成图像。

核磁共振机器用强磁场包围着身体。操纵这些磁场会导致体内的氢原子发出微弱的无线电信号。不同的身体组织发出的信号略有不同,一个高度专业化的射频探测器测量这些微妙之处,揭示组织结构。

即使是X射线胶片也是一种简单的粒子探测器:它在X射线照射下变成黑色,在X射线被骨骼和牙齿阻挡时保持半透明。目前使用的更先进的X射线探测器也能对组织成像。

此外,各种类型的粒子探测器被用于癌症的放射治疗,它用高能光子、质子或整个原子轰击癌细胞。这些粒子是电离辐射的形式,这意味着它们可以破坏癌细胞中的分子,包括细胞的DNA,使细胞更难分裂,理想情况下,阻止肿瘤的生长。

在物理和制药的角落

粒子探测器可以帮助科学家们发现病毒,并开发药物来对抗病毒。

由称为同步加速器的机器产生的强烈聚焦光束为微观世界提供了一扇窗户。对某些病毒(如引起流感病毒株或人类免疫缺陷病毒的病毒)的照射,揭示了它们独特、详细的结构。粒子探测器捕获有关光子和病毒之间相互作用的信息,并将其反馈给科学家。有了这些信息,研究人员已经设计了专门针对这些病毒的药物。

艺术和历史

前往当地博物馆,您可能会看到粒子探测器在工作的证据。

同步加速器和其他材料分析仪器可以揭示艺术,文物和化石的化学组成。对于人类学家来说,这些信息可以帮助确定物体的年龄和起源。艺术史学家使用X射线,红外线,紫外线和可见光,甚至是电子束来收集有关伟大作品的详细信息。在决定如何最好地修复和保存绘画、雕塑等时,这些信息尤为重要。在某些情况下,正如文森特•梵高的绘画一样,用粒子探测器进行的研究揭示了隐藏在表面之下的珍宝:早期由艺术家绘制的艺术品。

 
 

海运和空运

旅行时去机场,您会被要求将行李放在X射线扫描仪上,然后再穿过金属探测器或毫米扫描仪— 所有这些都使用粒子探测器。

通过空运或海运的货物集装箱经历类似的扫描过程。每天有数百到数千个集装箱可能通过一个主要的机场或海港,必须快速有效地扫描,以确保没有危险物品。货物扫描仪主要使用X射线,但近年来已经开始使用中子。在这个繁忙的行业中,科学家和工程师正面临着建造更好的扫描仪和改进粒子探测器的挑战。

 
 

最后的领域

在太空的恶劣环境中,宇航员需要防止太阳辐射。

太阳射出的高能光子和其他粒子可能会严重伤害在云层上冒险的人类。在地面上,地球被大气层中的大部分颗粒保护起来。在太空中,粒子探测器在保持宇航员免受辐射安全方面起着至关重要的作用。美国宇航局科学家使用粒子探测器仔细监测每个宇航员的辐射暴露情况。卫星探测器注意到来自太阳的强烈辐射,并在过量辐射时向宇航员发出警告。


 

清单还在继续

粒子探测器有助于测试工业设备的结构完整性,如蒸汽轮机和飞机发动机。智能手机和其他计算设备包含半导体,这些半导体是在一个叫做离子注入的过程中使用粒子探测器设计的。在地质学中,中子和中子探测器被用来识别地下深处的石油储量和稀有矿物。电子束对食品、食品包装和医疗设备进行消毒,并使用粒子探测器,以确保消费者的安全。μ介子粒子从外层空间落下,被用来探测地球物理现象,如火山和山脉的内部结构。最近,科学家们一直在研究利用μ介子在废旧集装箱或货船中搜寻放射性物质的装置。

当然,物理学家使用粒子探测器来了解更多关于宇宙的知识,从发现亚原子粒子,如希格斯玻色子,到寻找新的粒子来解释暗物质和其他未解决的现象,再到大爆炸后的最初几秒钟的时间回顾。

每天都使用粒子探测器,使我们更安全、更健康、更有知识,帮助我们完成任务。

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