Acceleratorer udenfor sundhedssektoren

Transkript

1 Acceleratorer udenfor sundhedssektoren Acceleratorer i industrien Medicin: ca

2 Fejl, skal være 4-5Gy 2

3 Sterilisering af fødevarer Sterilisering med stråling er meget mere effektivt end med varme (pasteurisering). En dosis på 10kGy svarer til en temperaturstigning på 2.5 grader (for vand), og er meget mere skånsom overfor næringsindhold og struktur. Bestråling af fødevarer er imidlertid er følsomt emne Bestråling af fødevarer er p.t. tilladt i mere end 40 lande, og det anslås, at over tons bestråles årligt på verdensplan. Omkostningerne er i størrelsesordenen 1kr/kg. Mange steder forlanges bestråling for at forhindre spredning af skadedyr. Sterilisering Stråling benyttes meget til sterilisering af engangsudstyr til medicinsk brug (sprøjter, kanyler etc.). Her benyttes enten en elektronaccelerator til at frembringe gammastråling, eller en gammakilde, som f.eks. Kobolt-60. Med gamma/x-rays bliver de bestrålede emner bliver ikke aktiveret, i modsætning til når man anvender partikelstråling til formålet. I de sidste år har US Postal Service benyttet elektronacceleratorer (10MeV, op til 50mA) til at sterilisere post i bl.a. Washington DC området. Formålet er at uskadeliggøre f.eks. miltbrandbakterier. Man sigter efter en dosis på 50kGy, og kan således behandle adskillige ton post i timen med ét anlæg. 3

4 Rhodotron Bemærk: Rhodotronen er en CW maskine. Den kan levere et elektronbeam op til 700kW, og er derfor meget velegnet til sterilisationsformål Rhodotron 4

5 Ionhærdning Til venstre ses en kommerciel ionaccelerator til ionhærdning. Det er en Danfysik model 1090, der kan levere 1-10mA med en energi på keV, dvs op til ca 5*10 16 íoner per sekund. Beamet kan scannes så et areal på op til 40*40 cm 2 kan dækkes. Typisk benyttes kvælstofioner med en energi på ca 100keV. Ionerne udfylder mikrorevner og cracks samt fylder tomme pladser i metalgitteret. Effekten kan også i nogle tilfælde være kemisk som f.eks. ved dannelse af kromnitrid på overfladen af stål med højt kromindhold. Track-etched filters Disse filtre produceres typisk ved at beskyde f.eks. et polycarbonat folie med alfapartikler, for derefter at ætse med f.eks. NaOH. Ætsning foregår fortrinsvis langs sporet partiklerne har efterladt. Man kan købe filtre med porediameter ned til 10 nanometer, og med varierende poreantal/areal. Foroven til højre ses et filter lavet med tunge ioner på GSI Darmstadt. Til højre et nærbillede af et kommercielt filter (NanoPore) 5

6 Betatron/røntgengenerator For at kunne lave små strukturer med litografi kræves lille bølgelængde af den stråling der benyttes. De to typer der er relateret til acceleratorer er elektron og UV litografi. Som lyskilde til litografi er synkrotronstråling særligt egnet, på grund af sin brillians. P.t. arbejdes der på udvikling af Extreme Ultraviolet (EUV) litografi, der anvender bølgelængder ned til 13nm. Litografi Endnu mindre strukturer kan laves med elektronlitografi. Her kan elektronstrålen have en diameter på få nm, men det er en seriel og derfor langsom proces. 6

7 Acceleratorer i fysik Elementarpartikelfysik Atom- og kernefysik AMS (Accelerator Mass Spectrometry) (specielt 14 C) Transmutation (Nuclear waste) Materialstruktur Synkrotronstråling Spallationskilder (neutronproduktion) 7

8 Datering med kulstof-14 ( 14 C) metoden Kulstof i naturen findes i tre isotoper: 12 C er stabil og udgør ca. 98.6% 13 C er stabil og udgør ca. 1.4% 14 C udgør ca % 14 C er radioaktiv (b-henfald). 14 C har en halveringstid på ca år. Den dannes hele tiden i en reaktion i 14 N forårsaget af kosmisk stråling. 15 Datering med kulstof-14 ( 14 C) metoden Biologiske organismer udveksler hele tiden kulstof med atmosfæren, og vore legemer indeholder derfor samme isotopfordeling som den der er i atmosfæren. Når en organisme dør, ophører udvekslingen, og 14 C henfalder nu uden at blive erstattet. Efter 5730 år er der således halvdelen tilbage, efter år en fjerdedel etc. 8

9 Datering med kulstof-14 ( 14 C) metoden Grauballemanden er blevet dateret på AMS anlægget i Århus til at stamme fra ca 290 f.kr. Usikkerheden er i størrelsesordenen +/- 50 år. Indtil da var der stor usikkerhed om hans alder. Datering med kulstof-14 ( 14 C) metoden Oprindelig metode: Tæl de radioaktive henfald i en stor mægde af materialet. Der er ca 14 henfald/gram/minut. Ulemper: Meget materiale, langsom metode og stor usikkerhed. Ny og meget bedre metode: Accelerator baseret spektroskopi (AMS). Baseret på optælling af enkeltatomer sorteret efter deres masse. Der er ca 5* C/g kulstof i naturen. Tandemacceleratoren på Fysisk Institut 9

10 Kommercielt AMS anlæg (NEC) Rutherford Backscattering (RBS) Energien af projektilet ændres med den kinematiske faktor. m 1, m 2 : Masse af hhv. projektil og target. q 1 : vinkelændring af projektilbane (lab. system) Kinematisk faktor k: E 1 =k*e 0. Vinkelfordelingen bestemmes af (i tyngdepunktssystemet) 10

11 Rutherford Backscattering (RBS) Følsomhed: ned til 0.1 ppm. Typisk beam: a-partikler med et par MeV. Spredningstværsnittet er højest for tunge kerner. Spektret herunder er lavet med et 2.2MeV a-beam på en prøve der bestod af et tyndt Ta/Si lag på silicium. Bemærk, at Si-signalet er ganget med 5. Metoden bygger på impulsbevarelse i et elastisk stød, samt at en ladet partikel taber sin energi kontinuert ved passage gennem stof. Man benytter typisk en Van de Graaf accelerator til disse undersøgelser. Med metoden opnås altså ikke blot information om grundstofsammensætningen i overfladelaget, men samtidig en dybdeprofil af de enkelte grundstoffer. Beam Prøve Tilbagespredt partikel Particle Induced X-ray Emission (PIXE) PIXE bygger på excitation af inderskalselektroner ved beskydning med tunge partikler og analyse af den resulterende karakteristiske røngenstråling. Typisk benyttes protoner med nogle få MeV. Følsomhed ned til 0.1ppm. Ingen dybdeopløsning Man kan bruge et fokuseret beam for derved at få god lateral opløsning. Man har benyttet beams ned til få mikrometer i diameter. Grænsen for, hvad der kan måles sættes af røntgendetektoren, typisk en Si(Li) halvlederdetektor, der kan dække karakteristisk røntgen fra Z~11 (Na) og op. 11

12 Energy Amplifier I Energiforstærkeren udnyttes, at der er god sandsynlighed for at omdanne 232 Th til 233 U ved neutronbombardement. Neutronerne frembringes med et meget intenst protonbeam via spallation. Affaldsproblemerne er mindre end ved traditionel fission af 235 U, og thoriumreserverne er meget store. Naturligt uran indeholder Kun ca. 0.7% 235 U. Man sigter efter et protonbeam på 1 GeV med en effekt på >12MW! 12

13 Heavy-ion fusion driver 13

14 Heavy-ion fusion driver Joint European Torus (JET) 14