粒子加速器应用 资料

粒子加速器在各个方面的应用

粒子加速器和探测器中采用了最先进的科学技术，它们不仅用来研究纯粹粒子物理学，还广泛应用于其它领域，带来的成果已经融入人们的生活之中。

1.1 加速器在医学上的应用

1.1.1加速器与肿瘤的治疗

放射治疗是肿瘤治疗的重要手段，据统计，约有75%的恶性肿瘤患者在疾病发展的不同时期需要接受目的不同的放射治疗。所有放射治疗设备都必须有产生放射线的放射源，放射源主要有四类：①发射α、β、γ射线和中子射线的放射性同位素；②产生不同能量X射线的X射线治疗机；③产生高能电子束和高能X射线的各类医用加速器；④产生质子束、中子束、负π介子束，以及其他重粒子束的各类重粒子加速器。[6]

以放射性同位素为放射源的放射治疗设备和X射线治疗机，在肿瘤治疗方面已经取得了明显的成绩，但是由于它们本身存在的缺点和弊端已经渐渐地被摒弃。以医用加速器为放射源的放射治疗设备成为目前肿瘤放射治疗的主要设备。

放射治疗设备的一项重要进展是重粒子治疗机的研制和开发。重粒子束治疗肿瘤具有以下临床优点：[7]①目前对健康组织损伤最低的辐射疗法；②高治愈率，不存留肿瘤核；③极少的剂量，无明显副作用；④治疗无痛苦感，辐照时间外患者正常活动；⑤束流斑点发散小适合高精度治疗，如头颅；⑥三维适形点扫描、实时监控；⑦治疗周期短，疗程4—20次。

由于重粒子束在肿瘤治疗方面所具有的一系列放射物理和放射生物学优势，重粒子成为21世纪最理想的放射治疗射线，而相应的粒子加速器的发展将会对肿瘤的治疗发挥着越来越重要的作用。

1.1.2 加速器与疾病的诊断

当今社会，放射性同位素而产生的同位素示踪法已经被广泛的用于医学诊断方面，而回旋加速器就成为了主要的生产同位素工具。

回旋加速器应用的另一重要方面是在正电子断层显像装置（PET）中[8]，正电子发射断层显像，是采用发射正电子的短寿命核素标记的药物的方法。从体外动态地观测人体吸收葡萄糖、氨基酸等在分子水平的生理、生化过程。它既是早期诊断某些疾病的工具，又是研究人脑认知活动的独特手段，

全称为：正电子发射型计算机断层显像（Positron Emission Computed Tomography），是核医学领域比较先进的临床检查影像技术。

其大致方法是，将某种物质，一般是生物生命代谢中必须的物质，如：葡萄糖、蛋白质、核酸、脂肪酸，标记上短寿命的放射性核素（如18F，11C等），注入人体后，通过对于该物质在代谢中的聚集，来反映生命代谢活动的情况，从而达到诊断的目的。

正电子断层显像装置（PET）原理一些短寿命的物质，在衰变过程中释放出正电子，一个正电子在行进十分之几毫米到几毫米后遇到一个电子后发生湮灭，从而产生方向相反（180度）的一对能量为511KeV的光子（based on pair production）。这对光子，通过高度灵敏的照相机捕捉，并经计算机进行散射和随机信息的校正。经过对不同的正电子进行相同的分析处理，我们可以得到在生物体内聚集情况的三维图像。

1.2 加速器的工业应用[9]

加速器用于工业生产，以低能加速器和离子源为主，包括辐射加工、无损探伤、离子掺杂等方面。

辐射加工是通过加速器产生的电子束对高分子材料照射导致聚合物交联，从而改善性能。电缆经过辐照，可以大大提高耐温，辐照后的热缩薄膜或管材，有加热后恢复原形的“记忆”，都有十分广泛的应用。辐射还可缩短喷漆、彩印的固化时间，减少了贮存待干的厂房面积。药品、手术器械和食品的消毒、灭菌、保鲜是辐照应用的另一些方面。

使用电子加速器产生γ射线，用于大型机械锻、铸件中的无损探伤，已有几十年的历史。近年一个有意义的发展是将加速器与核物理探测技术相结合，对集装箱进行不必开箱的透视检查。

使用离子源产生的不同能量和脉宽的各种离子束注入到基金属中渗杂、改性或者制造新材料，已经得到了应用。使用回旋加速器将金属或陶瓷等机械零件的表面薄层活化，再根据放射性产生的γ射线，测量其磨损情况，这是检验各种耐磨措施（如用离子注入提高硬度）的有效方法。

1.3 加速器与农业育种

我国在太空育种方面已经取得了一定的成果，但是目前太空育种中种子的诱变是宇宙射线和太空特殊环境的综合结果，具有被动性、不可控、有益诱变成功的几率低、成本高等缺点。因此，利用加速器产生高能的质子、α射线等成为了未来农业育种的趋势。多年来，我国科研人员利用离子束对水稻、小麦、玉米、花卉、马铃薯、甜高粱、牧草等作物种子进行

了辐照，并选育出了一大批新品种、新品系和大量有益性状的突变体，取得了良好的经济和社会效益[10]。

1.4 加速器在环境治理方面的应用

电子束辐射技术在环保方面的应用一直备受关注，大量的研究发现电子束辐照处理在“三废”（废水、废气和固体废弃物）治理方面具有突出的技术优势[11]。与传统的填埋、投海、焚烧等处理方法相比，辐照处理“三废”不会造成环境的二次污染，符合可持续发展的要求。

1.5 新型技术应用

1.5.1同步辐射

在加速器的诸多应用中,产生于GeV级的电子储存环中的同步辐射算得上是最有价值、应用最广的一种。速度接近光速的带电粒子在磁场中作圆周运动时，会沿着偏转轨道切线方向发射连续谱的电磁波。1947年人类在电子同步加速器上首次观测到这种电磁波，并称其为同步辐射，后来又称为同步辐射光。同步辐射最初是作为电子同步加速器的有害物而加以研究的，后来成为一种从红外到硬X射线范围内有着广泛应用的高性能光源。同步辐射光源是开展凝聚态物理、材料科学、生命科学、资源环境及微电子技术等多学科交叉前沿研究的重要平台。目前,世界上有35台同步辐射光源在运行,有13台在建造中,还有近20台在设计阶段。我国正在筹建以高性能、宽波段、高效性、短脉冲和长寿命为特点的上海同步辐射装置[11]。同步辐射X射线衍射和X射线光谱学来测定物质结构,研究宏观量子现象和复杂体系物理,在生物学

和医学方面用于研究生物大分子结构及其与功能的关系,在工业上可用以生成更具活性的蛋白质如酶,发展以结构为基础的制药技术。利用同步辐射光的高耀度和时间结构,可用于研究急剧变化中的材料特性和相变,这对于改进化工和冶金的工艺有重要价值。同步辐射也将推动微电子机械新产业的发展。

1.5.2 自由电子激光器(FFL)

自由电子激光器(FFL)是近20年内发展起来的一种将加速器产生的电子束能量逆转为激光的装置。与原子、分子中的束缚态电子的轨道跃迁为机制的普通激光器不同,FEL的“工作物质”是自由的电子,因而具有高功率、高效率和宽频率调谐范围等一系列优点,成为各国竞相发展的技术。目前世界上已有数十个大型装置已在运行。我国在FEL方面,特别是在其低频段,已有长足发展[12]。加速器提供的电子能量和波荡器场强愈高,所输出激光的频率也愈高。因此,