粒子加速器关闭后会发生什么?

放射性限制了回收利用的可能性,除了一个从未见天日的臭名昭著的粒子粉碎机

当物理学家在 20 世纪 80 年代初向美国能源部 (DoE) 请愿建造一台可以重现宇宙大爆炸炽热条件的粒子加速器时,他们选择了一个与其规模相称的名字。超导超级对撞机(SSC)位于德克萨斯州达拉斯南部,其光芒甚至会超越大型强子对撞机,后者在耗费 14 年时间和 80 亿美元后,即将开始在其位于法瑞边境的 17 英里(27 公里)长的束管中发射粒子。

SSC 将以 40 万亿电子伏特 (40 tera-electron volts, 40 TeV) 的能量撞击质子和反质子,产生足够的能量来产生难以捉摸的希格斯玻色子,有时也被称为“上帝粒子”,它赋予其他粒子质量。(功能较弱的 LHC 现在有幸寻找希格斯玻色子。)但不断上涨的成本促使国会在 1993 年削减了 SSC 的资金,甚至在其组件组装之前。

现在,15 年后,SSC 的精密磁铁终于在以高能量加速质子,但不是为了追寻神秘粒子。位于德克萨斯州丹顿的 Trace Life Sciences 公司在 2003 年购买了这些部件,用于制造用于医学成像和放射治疗的放射性同位素。如果您做过 PET 扫描,那么您血液中的同位素可能来自有史以来最壮观的被取消的科学实验。


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SSC 在医学上的应用可能是独一无二的,但所有粒子加速器的结局迟早会到来。迟早是美国这里的一个关键词,在那里,持平的预算使得许多老化的实验难以继续。位于伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室,领先的 Tevatron 对撞机的所在地,很快将被 LHC 取代,它将在 2010 年关闭其机器。今年国会最后一刻的预算削减迫使加利福尼亚州的斯坦福直线加速器中心 (SLAC) 在 4 月份提前关闭了其 PEP-II 对撞机。一旦这些庞大的机器停止运行,将会发生什么?

一旦粒子加速器启动,它作为研究工具的命运就已注定。研究人员搜寻奇异碎片的粒子碰撞也会用中子和其他粒子轰击机器的金属部件,使金属具有放射性。中子轰击可以将钢中都存在的铁和钴转化为高放射性同位素锰 54 和钴 60。

鉴于潜在的健康风险,美国能源部不允许将使用过的加速器组件用于公共用途,加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室的物理学家本尼迪克特·范伯格说。因此,当一个活跃的加速器退役时,其部件通常会被用于其他粒子物理实验。SSC 的情况有所不同:“当能源部撤回对 SSC 项目的资金时,直线加速器 [linear accelerator] 从未组装和测试过,”Trace 加速器运营总监威廉·考特尼说。

美国能源部的禁令延伸到加速器周围混凝土辐射屏蔽块中的钢筋。当伯克利的 Bevatron 在 1993 年退役时,其混凝土屏蔽被送往位于纽约州厄普顿的布鲁克海文国家实验室的相对论重离子对撞机。与此同时,该实验的大型电磁铁被用于其他粒子研究项目。范伯格说,Bevatron 大楼内还剩下一些钢磁芯、一些铜线和屏蔽块。这些剩余部件和建筑物本身的放射性水平现在已经足够低,以至于美国能源部 4 月份的一项环境评估将该结构列为安全拆除。

SLAC 的加速器系统负责人约翰·西曼表示,有六个实验室要求使用 PEP-II 对撞机的组件,该对撞机产生了名为 B 介子的粒子,用于研究大爆炸后反物质的消失。意大利的弗拉斯卡蒂国家实验室是主要竞争者。那里的研究人员已经向意大利政府提议了一个更强大的 PEP-II 实验版本,并且可以使用几乎所有 PEP-II 的设备,西曼说。费米实验室还要求使用 PEP-II 的一些磁铁来制造一台用于中微子研究的高能质子束的新机器。(当高能质子撞击铍靶时,它们会产生短寿命的 π 介子,这些 π 介子会衰变为中微子。)

费米实验室打算将 Tevatron 的大部分部件重复使用于制造中微子,包括一个助推加速器,该加速器为质子进入主 Tevatron 环(周长为 3.9 英里(6.3 公里))做准备。费米实验室副主任 Young Kee Kim 表示,该实验室希望保持主环的正常运转,以期将其重复用于未来的实验。

对于 SSC 而言,粒子研究从未成为主题。德克萨斯州在 1996 年以 500 万美元的低价拍卖了直线加速器设备给一家位于德克萨斯州丹顿的公司,考特尼说,未使用部件的账面价值超过 2000 万美元。Trace Life Sciences 在 2003 年收购该公司时继承了加速器。

Trace 现在使用直线加速器将质子束加速到 3280 万电子伏特(3.28 MeV),并同时轰击多达五个不同的靶标以获得不同的同位素。以 29 MeV 的能量用质子轰击铊会产生同位素铅 201,该同位素会衰变形成铊 201——用于诊断心肌梗塞或心脏病发作。碘 123 和铜 64 用于医学成像,例如 PET 扫描。放置在 32.8 MeV 光束前的石墨片将质子减速到不同同位素所需的能量。

该公司希望上线另外两个加速器级——旨在将质子提升到 50 和 70 MeV——这些加速器在 SSC 关闭后没有妥善存放并损坏。然后,Trace 可能会开始提供特殊的医用同位素,例如锶 82 和铁 52,它们都用于 PET 扫描,目前只能从政府实验室获得。

使用来自未来派粒子加速器的废弃部件具有优势,该加速器在其鼎盛时期雇佣了数千名工人。一方面,客户服务轻而易举。考特尼说,当他需要技术建议时,他所要做的就是致电国家实验室,在那里,从事这些部件研究的研究人员很乐意提供他们的服务。

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