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加速器非核应用（一）

2020.10.06

一、引言

带电粒子加速器（以下简称加速器），是研究核物理、高能物理，认识微观世界的一个主要手段，随着60余年加速器物理和技术的发展，它衍生出许多不属于核物理、高能物理研究的非核应用，与国民经济发生了密切的联系。目前世界共有约15000台加速器，其中约1/3用于医疗领域，1/3用于工业领　域。本报告的目的就是试图简单地就此加以介绍。

核物理、高能物理都属于基础研究的范畴，表面看来，无关当前的国计民生。实际上基础研究的结果直接奠定了人类今天的文明、文化和高生活质量的基础。以物理方面的基础研究而言，没有本世纪初伦琴对X光的发现，就不会有现今诊断疾病的不可或少的手段——X光透视；没有托姆逊对气体导电的研究，赫兹对电磁波的实验，和普朗克量子论与爱因斯坦相对论等等理论的提出，就不会有今天与人类生活息息相关的无线电、电视、雷达、激光、半导体、计算机等等；没有核物理领域的基本研究，就不可能出现原子能、同位素等等。事实上，在早年科学大师们刻苦耕耘的基础上，人类至今仍在不断地通过研究与发展，采撷其结果，开拓其应用，享受其效益。至于作为高能物理、核物理基础研究的手段——加速器，与国民经济的发展又有什么联系呢？这就是本报告将要讨论的问题。下面我们首先介绍加速器及其发展概况，然后阐述它的一些主要应用，以便说明它与国民经济的联系。

二、加速器——人类认识微观世界的主要手段

自古以来，人类就试图了解自身以外的客体事物的本质，所用手段，不外是手足、耳目所及。后来，由于科技的发展，在大的尺度方面，有了望远镜、天文望远镜、射电望远镜等，使人类可以观测到约10²⁶米的宇宙空间（约100亿光年的距离），可以探索宇宙形成的初期的遗迹；在小的尺度方面，通过光学显微镜、电子显微镜、隧道扫描显微镜，可以观测到从微米到纳米的范围。但更小尺度的物体就只能用另外的间接的手段来观测了，这个手段就是加速器。加速器产生的粒子的能量愈高，就愈能观测更小的物质组成。目前已经测量到原子、原子核、核子（质子、中子、电子等）和夸克，尺度从10^-10米到10^-18米。最近又观测到夸克以下层次的“基本”粒子存在的迹象（图1）。为了研究更小层次的物质结构和运动规律，就需要更高的能量，这就是物理学家建造能量愈来愈高的加速器的根本原因。

这里应该指出，建造高能加速器的目的是研究“基本”粒子。“基本”粒子与天体演化在尺度上是两个极端，但近年为人们广泛接受的大爆炸宇宙形成理论，表明在宇宙形成之初的高温度、高密度的状态下，物质存在的形式也只能以极基本的粒子形态出现。因此，研究其小无内的高能物理学又与研究其大无外的宇宙学相联系了。

三、加速器发展简述

加速器发展初期，由于它能量较高可用以产生核反应，人们管它叫做“原子击碎机”。这个名称正像后来使用“原子能”一样，是一个历史上的误解，正确的提法应该是“核子击碎机”和“核子能”才对。

加速器的基本工作原理是带电粒子在电场中受力而得到加速。当然，在粒子能量很高时，它运动的速度接近光速，变化很少，而明显增加的是它的质量。因此叫它为加质器也许是更恰当的。

早期的加速器使用直流高压加速带电粒子，叫做高压加速器。为了克服直流高压不能避免的击穿的限制，发明了使用高频电压的直线谐振加速器。为了使粒子在同一高频电压间隙能多次得到加速，采用磁场偏转粒子使做近似的螺线运动，半径逐渐扩大，多次通过间隙，同时使它的角速度与高频角速度相等。这叫回旋加速器。使用它可以产生多种放射性同位素。它的发明人劳伦斯为此获得1939年诺贝尔物理奖。当粒子能量进一步提高，质量随能量提高而明显增加，以致回旋频率逐渐降低而与高频间隙电压不能维持同步，这就构成了回旋加速器能量的极限（对质子而言，约为25Mev）。显然，如果让垂直于磁场的高频加速电场的频率随粒子回旋速度而变化，就可以维持同步的关系了。这种高频电场频率周期性变化的加速装置叫同步回旋加速器。它可以把质子加速到700Mev左右。由于它的周期性的工作状态，输出电流只约有一般回旋加速器的万分之一。后来又发明了使用特殊磁场分布的等时性回旋加速器，它既突破了回旋加速器能量的限制，又避免了同步回旋加速器因高频频率周期性变化而导致的低流强的缺点。不过，它使用的仍然基本上是实心的磁铁。磁铁重量和加工就构成了提高能量的技术上的限制。一个450Mev的同步回旋加速的磁铁重量已高达2200吨。为了摆脱这个提高能量的限制，发明了使用环形磁场的同步加速器。1952年又发明了强聚焦原理，结果使磁铁重量大大地减少，可将质子加速到Tev（10¹²电子伏）的量级了。

使用加速后的粒子打靶，产生高能反应进行实验时，由于反应产物向前运动携带的动量，加速粒子只有一部分能量用于产生反应，能量愈高，这部分有用能量所占的比例愈少。为了克服这个限制，发明了对撞机这种特殊的加速器形态，它使两束高能同类粒子或正、反粒子在加速器中对头相撞。这样全部加速器能量都可用于产生高能反应。因此，近年建造的高能加速器，无例外地都以对撞机的形式出现。

图3给出加速器能量随年代增长的势态，可说是上文的一个概括的总结。由图可见，经过大约60年的发展，加速器的能量提高了9个数量级。这样的增长速度，在各种科学技术的发展史中是很罕见的。图中也清楚地说明了当一种加速器的能量增长达到了原理或技术的极限时，人们就会发明一种新的加速器取代它，继续向能量的高峰攀进，使人有“山穷水尽疑无路，柳暗花明又一村”之感。人类无穷无尽的创造力，在加速器物理和技术的发展史中得到很好的验证。

四、加速器的应用

加速器发展的动力本来源自高能物理和核物理基础研究的需要，但在发展过程中，人们逐步认识到它在许多科技和国民经济领域，有着广阔的十分重要的应用，这样，加速器就开始沿着基础研究和应用两个不同方向分道发展了。下面表1给出加速器的主要应用，我们将摘要地分别加以介绍。

（一）医疗应用

1．治疗应用

加速器应用于肿瘤治疗（放疗），已有50余年的历史，其基本原理是利用加速器产生的粒子束或射线的电离作用，最大限度地破坏肿瘤细胞而最少地影响正常组织，这是当前癌症治疗的三大手段（放疗、药疗（化疗）、手术）之一。调查表明，癌症患者80％要接受放疗，我国每年新发病患者即达160万。癌症是城市居民和农村男性居民中排列第一的死亡原因。为了满足患者的治疗需要，估计约需3000台医用加速器。

表1.加速器应用要览

（一）医疗应用

治疗
γ射线（χ射线）
电子束
质子束
中子束
重离子束
光子束
π介子束
诊断
同位素生产
正电子断层照相
双色心血管造影
准单能χ光透视

（二）科研应用
同步辐射
自由电子激光
散裂中子源
慢正电子源
加速器质谱仪
活化分析
（三）工业应用
聚合物改性、交联
固化、硫化
医疗器械消毒
离子注入
机械零件表面活化、坚化
γ线及中子探伤、集装箱检测
食品保鲜、谷物杀虫

（四）能源应用
洁净能源、废料处理
聚变趋动
聚变等离子体加热
聚变堆材料试验
（五）国防应用
闪光照相、核爆模拟
电子学器件加固
空间环境模拟
剂量校准
导弹检测
（六）环保应用
污水处理
废气处理
化学废料处理
大气监测

评判不同粒子束或射线治疗肿瘤的有效程度是根据电离作用在人体内的深度分布曲线，因为电离作用结合相对生物效应就表征了对癌细胞的破坏能力。图4给出一些粒子束和射线的剂量在水中（模拟人体）的电离分布，由图可见，它们各自适应不同位置的病灶。目前看来，最为理想的照射手段是使用重离子束（如碳离子等），它的电离分布曲线很窄，进入人体的表层剂量较低，故如确知肿瘤位置，则通过对离子能量的控制（决定电离曲线峰值的位置）和流强的调制（决定电离峰值的大小），可以设定肿瘤各部位的剂量，取得三维最好的疗效。日本在千叶县已建成一台重离子医用加速器（HIMAC），投资超过3亿美元，这么高造价的治疗装置，显然是难以推广的。美国LOMALINDA医院使用的质子加速器，每年约可治疗1000名患者，造价近5千万美元，可能较易推广。

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周锦帆